城市河道拦河坝型式选择分析

８３２㊀«工程与建设»㊀２０２０年第３４卷第５期
收稿日期:２０２０Ｇ０５Ｇ１４;修改日期:２０２０Ｇ０６Ｇ０１
作者简介:陈正丰(１９８８－)
,男,安徽霍山人,工程师;王一博(１９８７－)
,男,安徽合肥人,硕士,工程师;潘㊀希(１９８６－)
,男,安徽合肥人,硕士．城市河道拦河坝型式选择分析
陈正丰１,㊀王一博２,㊀潘㊀希３
(１．安徽省交通勘察设计院有限公司,安徽合肥㊀２３００１１;２．安徽省城建设计研究总院股份有限公司,安徽合肥㊀２３００５１;
３．中国葛洲坝集团生态环境工程有限公司,湖北武汉㊀４３００３４
)摘㊀要:城市河道的治理可在河道内适当的部位设置拦河坝,通过拦蓄形成一定的水面,以满足景观㊁休闲㊁生态等功能要求.为充分发挥拦河坝的作用与功效,必须科学地选择具体的拦河坝坝型.本文就几种常见的拦河坝坝型方案进行分析,期望能为城市河道的拦河坝型式选择提供有益的参考.关键词:城市河道;拦河坝;型式选择
中图分类号:T V ６４４㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:１６７３Ｇ５７８１(２０２０)０５Ｇ０８３２Ｇ０４
０㊀引㊀㊀言
城市河道治理工程中,修建拦蓄水建筑物(拦河坝)以拦蓄
河道水体是一项常见的工程措施.拦河坝的建设对改善河道水质㊁提升生态环境质量㊁提高旅游景观价值有着重要的作用,与此同时,汛期河道高流量情况下拦河坝还必须保证有足够的泄流能力,保证河道的行洪安全.
拦河坝的建设需充分考虑河道比降㊁洪水流量㊁蓄水深度㊁地形地质等多方面因素,并结合防洪排涝规划㊁两岸用地规划㊁景观规划等相关规划,最终确定拦河坝的选址㊁布置及坝型.本文对目前国内运用较为成熟的几种拦河坝坝型进行分析,包括滚水坝(固定坝)㊁平板钢闸门坝(节制闸)㊁水力自控翻板坝㊁橡胶坝㊁钢坝㊁液压升降坝㊁气盾坝,为今后城市河道治理建设工作提供借鉴依据.
１㊀拦河坝各坝型简介
１．１㊀滚水坝(
固定坝)滚水坝一般为混凝土结构或砌石结构,常见的具体断面型式有宽顶堰㊁折线型实用堰㊁W E S 实用堰等,如图１所示.滚水坝属于非活动坝,即无法改变坝的开关状态,始终为固定的拦蓄水状态.因此,滚水坝的坝高一般相对较低,大多为０．５~２m 范围,
为一种低堰坝型.很多山区性河道多采取多级滚水坝方案来抬高河道蓄水,
改善河道生态环境,提升河道景观效果.一是满足某河段处的蓄水要求,二是可以缓解河床纵坡较陡处水流冲刷作用.此外山区性河道坡降较大,多级滚水坝可以减少对河道行洪的影响:在某个河段内建设１座２m 高的滚水坝和建设２座１m 高的滚水坝所能形成的最大蓄水水面面积是相同的,但后者对洪水水位的雍高影响要小得多.滚水坝最大的缺点是其不能灵
活调节挡水高度,因此在洪水期存在碍洪的可能性,且容易造成坝前淤积.
图１㊀滚水坝结构型式图(折线实用堰)
滚水坝可结合岸边绿化确定坝高,即确定蓄水水位,坝顶可设置亲水汀步㊁亲水平台,打造成为当地居民休闲娱乐的亲水场所.南方城市很多城郊河道的漂流公园区均设置了非常多的滚水坝,一是为漂流项目提供水流保证,二是形成漂流过程中的兴奋点.
１．２㊀平板钢闸门坝(
节制闸)平板钢闸门坝即为常规的拦河水闸,也被称为闸坝,如图
２所示.平板钢闸门为常规闸门.平板钢闸门坝特点是泄流
能力大㊁运行调度灵活,可以通过闸门调度宣泄各种频率的洪水,但金属结构及土建工程量较大,上部需设置启闭设备和启闭机房,且高于河岸,对河道景观影响也较大,而且施工相对复杂,工期长,管理麻烦,运行维护费用高.平板钢闸门坝(闸坝)适用于大型枢纽以满足灵活调度要求,多见于大江大河中,例如葛洲坝㊁蚌埠闸等.
平板钢闸门坝利于灵活调度使用,多用于枢纽类拦河坝中,由于上部启闭操作建筑投资高且不易形成景观效果,城市河道中使用较少.
㊀«工程与建设»㊀２０２０年第３４卷第６期８３３㊀图２㊀平板钢闸门坝结构型式图
１．３㊀水力自控翻板坝
水力自控翻板坝是一种借助水力和动力作用,利用水力和
闸门重量平衡的原理,在一定的水位条件下,随流量的变化而
自动启闭的自动化闸门,如图３所示.工作时,随上游水位的
升高而逐渐开启泄流;在上游水位下降时,逐渐自行回关蓄水,
使上游水位始终保持在要求的范围内(即正常拦蓄水位).
图３㊀水力自控翻板坝结构型式图
水力自控翻板坝具有不需启闭机械及相应设施㊁不需人为
操作,完全由水流自动控制的特点,也因此投资较为节省.缺
点是易被漂浮物卡住或上游淤积,导致不能自动翻板;洪水过
后,翻板门再关上时易被异物卡住,造成大量漏水[１].
１．４㊀橡胶坝
橡胶坝是用高强度合成纤维织物做受力骨架,内外涂敷橡
胶作保护层,加工成胶布,再将其锚固于底板上成封闭状的坝
袋,通过充排管路用水(气)将其充胀形成的袋式挡水坝,如图
４所示.坝顶可以溢流,并可根据需要调节坝高,控制上游水
位,以发挥效益.
图４㊀橡胶坝结构型式图
橡胶坝的主要优点是坝袋为柔性材料,抗震性能好,适应
地基的不均匀沉陷,工程投资较少.主要缺点是坝袋坚固性
差,容易受到尖利和有尖角物体的刺破;易老化㊁变形,使用寿
命较短.
１．５㊀钢坝
钢坝是一种可调溢流坝,主要由钢性坝体㊁固定底轴㊁液压
驱动装置及基础底板组成,如图５所示.闸门门体上带有底横
轴,其受力全部传与底横轴,再由它通过底铰传递给闸底板,闸
门通过闸墩内的液压启闭机控制.这种建筑物一般适合于河
道孔口较窄(１０~３０m),挡水高度较低(１~３m)的工况.立
坝蓄水,卧坝行洪,形成一定的挑流和人工瀑布景观效果.
图５㊀钢坝结构型式图
钢坝外观简单大方,水体可以长时间大流量的从坝顶溢
流,瀑布景观效果较好;结构简单,操作方便,２~３m i n即可
塌坝㊁立坝;任意开启角度都可以机械锁定[１],便于水位控
制.主要缺点是每一扇闸门两侧各需一个地下工作闸室㊁中
间闸墩,闸室结构复杂土建工程量较大,施工复杂,投资也
较高.
１．６㊀液压升降坝
液压升降坝,如图６所示,采用液压杆升降以底部为轴的
活动拦水坝面,实现升坝拦水,降坝行洪的目的;采用支撑杆
支撑活动坝面的背面,构成稳定的支撑墩坝;采用浮标开关,
控制操作液压系统,达到无人管理,根据洪水涨落,实现活动
坝面的自动升降.
液压升降坝的主要特点是结构简单,造价较低.运行过
程中,可以紧贴河床不阻水,无泥沙淤积,不影响防洪安全,
可以任意调节水位高度.缺点是施工安装难度较大,且升降
８３４㊀«工程与建设»㊀２０２０年第３４卷第５期
的液压杆件常年浸泡在河水中进行启闭工作,需要定期维修更换.
图６㊀液压升降坝结构型式图
１．７㊀气盾坝
气盾坝又称生态气囊支撑坝㊁气动盾形闸,主要由坝基底
板㊁门体结构㊁锚固埋件㊁支撑气囊和气动系统组成.挡水门体为一排强化钢板,气囊支撑在钢板下游面,利用气囊的充排气控制门体起伏和支承门体挡水.底坝为钢筋混凝土结构.气盾坝以空气为充胀动力介质.
气盾坝支撑气囊和基础铰接为柔性材料,模块结构;抗震性能更好,抗基础的不均匀沉陷能力更强;气囊充排时间短(一般１５~３０m i n
),防洪渡汛和过凌汛强;塌坝运行,盾板紧贴河床,保证最佳行洪,并且盾板把气囊完全保护起来,不受损坏.气盾坝的主要缺点是坝顶不溢流时,坝体下游的气囊外露,影
响美观[
２]
.图７㊀气盾坝结构型式图
２㊀拦河坝型式比选分析
由于拦河坝型式多样,在优化选型时应考虑现场条件㊁功能要求㊁耐久性㊁工程投资㊁运行管理与维护和水环境景观等因素进行综合比选[３]
,使拦河坝的坝型选择更加科学合理.表１
对各种坝型的比选因素进行了对比分析.
表１㊀各拦河坝坝型比选表序号坝型功能性
耐久性运行管理维护水环境景观
工程投资１滚水坝㊀㊀不具备调节作用５０~１００年无须运维
较差,单一的堰顶溢流最低２
平板钢㊀㊀
闸门坝㊀㊀较好,能够灵活调节
５０~１００年
运维费用高,需专人管
理,闸门及启闭机也需定期检查维护
差,只能看到水跃
高
３水力自控㊀翻板坝㊀㊀差,能自动开启但可靠性差,极易受淤积影响,国内已有多处翻板坝门体卡住的案例
５~１０年不具备强制起落的条件,运维可靠性差.
较差,单一的堰顶溢流
较低
４橡胶坝㊀㊀稍差,能够灵活调节,但塌坝时
间１~２h ,洪水应对时反应略慢１０~２０年运维费用高,一般８~１５年就需要更换坝袋.稍差,也近似于单一的堰顶溢流
较低５
钢坝㊀㊀㊀
较好,能够灵活调节
１５~３０年
运维费用低,一般只进行机械启闭系统维护保养.
好,可形成不同落差水流,亦可形成瀑布效果;但河道较宽时需加设宽度较大的中墩,影响景观效果高
６
液压升降坝
中等,能够灵活调节;结构牢固性相对于钢坝㊁气盾坝稍弱１０~２０年
运维费用低,一般只进行
启闭装置保养和液压杆维护.
好,可形成不同落差水流,亦可形成瀑布效果
中
７气盾坝㊀㊀较好,能够灵活调节
１５~３０年
运维费用稍低,主要是检查㊁维护气囊和充排气管路,冬季气囊外结冰时还应注意特别维护.
好,可形成不同落差水流,亦可形成瀑布效果;但不泄流时气囊裸露,影响景观效果
中
㊀㊀为更加直观地对比城市河道中各类型拦河坝的工程投资
情况,现以拦河坝坝宽４０m ㊁坝高２．５m ㊁坝体段长度１０m 为
特性,进行投资分析对比,见表２.
㊀«工程与建设»㊀２０２０年第３４卷第６期
８３５
㊀表２㊀各拦河坝坝型投资对比表(可比投资)
序号坝型土方开挖㊁回填,地基处理∗
钢筋混凝土
投资/万元工程量∗∗/m
３
闸门及启闭设备投资∗∗∗/万元
说明
合计
/万元１滚水坝㊀㊀㊀㊀－８１
９００
－
－
８１
２平板钢闸门坝㊀－１８０２０００２００钢闸门,启闭机３８０３水力自控翻板坝－１００１１００１００翻板坝门体２００４橡胶坝㊀㊀㊀㊀－１１７１３００１６０坝袋及充排水系统２７７５钢坝㊀㊀㊀㊀㊀－１３５１５００３５０钢坝门体及启闭系统４８５６液压升降坝㊀㊀－１０８１２００２００门体㊁液压杆㊁启闭系统３０８７
气盾坝㊀㊀㊀㊀
－
１０８１２００２４０门体㊁气囊㊁启闭系统
３４８㊀㊀㊀注:∗．此处认为各坝型土方工程和地基处理工作量相同,故不纳入比选;∗∗此处所称工程量仅包含坝体段,不含坝上下游连接段㊁铺盖段㊁消力池段;∗∗∗此处投资包括各类坝型的金属结构㊁水力机械和电气设备的投资.
㊀㊀综上所述,
对各种拦河坝坝型的选择建议如下:(１)滚水坝.由于其不具备调节作用,除部分河道坡降较陡的或无防洪排涝任务的城市河道外不推荐采用此坝型.(２
)平板钢闸门坝.不易形成景观,只考虑在大型河道和枢纽性质的拦河坝中选用,对中小型的城市河道不建议选用.
(３
)水力自控翻板坝.可靠性差,不建议选用.(４
)橡胶坝.在漂浮物不多㊁防汛预报系统较为完善的河段可选用.
(５
)钢坝.投资较高,可在景观要求较高的河段选用,但河道较宽(超过５０m )
则不建议选用.(６
)液压升降坝.在有景观要求的河道可选用.(７
)气盾坝.在有景观要求的河道可选用,北方易结冰的河道慎用.
需要特别说明的是,河道治理是一个系统工程,同一条河道的不同河段往往有不同的自然条件㊁河道特性㊁规划定位等,所以在城市河道的治理中,往往是各种拦河坝坝型组合使用,一方面结合所处河段的特性选择适宜的坝型,另一方面间断设置各类型拦河坝也可避免景观同质化.以河南省郑州市梅河综合治理工程为例,主力坝型选用造型美观㊁造价适中的液压升降坝,共１０座;２座湖泊上游拦河坝需营造景观亮点,选用钢坝;最上游１座对水位的灵活控制要求不高,选用相对经济
的橡胶坝[１]
;而安徽省广德市无量溪河综合治理在１０．２k m 的
城区河段设置９座拦河坝形成梯级水景观,共设置了滚水坝㊁
液压升降坝㊁橡胶坝３种坝型,打造城区河道的生态景观.
３㊀结束语
拦河坝坝型的选择不仅要满足最基本的拦蓄水和防洪排
涝要求,还要与所处河段㊁地段的规划与定位相适应,还要兼顾生态㊁景观的要求.因此,坝型的选择必须综合考虑,从多角度㊁多方面进行比选分析,从而选择出合适的坝型.
参考文献
[１]㊀李晓光．梅河综合治理工程拦蓄水建筑物坝型的比选[J ]．河南水利与南水北调,２０１５(１０):７２－７３．
[２]㊀陈莉,韩伟刚．国产气盾坝在咸阳渭河水生态治理工程中的应用研究[J ]．水利与建筑工程学报,２０１７,(２):１３６－１３８,１９３．[３]㊀甘勇锋．甲子河拦河坝坝型选型设计[J ]．广东水利水电,２０１７
(１１):３５－３８．
(上接第８３１页)
３．４㊀运营控制烦琐
１号线于２００８年开始设计,车站自北向南排序,小里程端在北向,合肥５号线于２０１５年开始设计,车站自南向北排序,小里程端在南向,两条线路大小里程设置相反,造成合肥南地铁站１㊁５两条线路隧道通风系统大㊁小端相反,这给运营造成极大困惑,此次５号线设备名称均备注 L ５
以示区分.４㊀结束语
针对合肥南地铁站５号线通风空调设备实施过程中遇到
的问题,对后续线路类似车站提出以下建议:
(１
)针对同站台平行换乘车站应根据车站分期实施顺序优先考虑设备一次实施到位,避免后期设备运输困难.(２
)建筑设计应考虑有效的设备吊装和运输路径,并预留可拆运输门洞,便于设备维修及更换.
(３
)换乘车站应提前制定设备编号原则,合理规划部署,方便运营维护[
６]
. 参考文献
[１]㊀中铁二院工程集团有限责任公司．合肥市轨道交通１号线一期工程高铁站通风空调施工图[Z ]．２０１５．
[２]㊀周康康．B I M 技术在机电设备施工过程中的应用探讨[J ]．中国标准化,２０１９(１６):４１－４２．
[３]㊀罗钟伟,于文龙．地铁车站大型设备运输路径规划[J ]．建材与装饰,２０１６(２０):２０３－２０４．[４]㊀孙增田,于文龙．浅析地铁施工临时孔洞的运输功能及封堵施工[J ]．工程建设与设计,２０１８(２０):１３２－１３３．[５]㊀车轮飞．地铁暖通空调工程常见问题及分析[M ]．北京:中国建筑工业出版社,２０１５．
[６]㊀郑国华．地铁车站设备安装调试技术[M ]．
北京:中国建筑工业出版社,２０１０．。