甘肃某人工湖坝型设计与对比

甘肃某人工湖坝型设计与对比

熊鑫

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司陕西西安710043

摘要：根据甘肃某河道综合治理规划，经综合考虑，结合河道沿岸情况及景观设计规划，设置一道坝筑坝成湖。现对坝型设计进行对比分析。

关键词：人工湖；坝型设计

1坝型选择主要控制因素

该地区属典型的大陆干旱型气候，昼夜温差大，四季分明。根据多年气象站气候要素统计，气温低于0℃主要集中在十一月至来年二月，月平均最低温度为一月份的-9.1℃，极端情况下可达到-28.1℃。所以需考虑冰情对坝体运行及安全的影响。

该流域洪水由较强的降水形成，主要来源于莺落峡以上山区。经统计，年最大洪水一般出现在6月～9月，较大洪水过程为3天～7天，呈单峰型或多峰型。莺落峡站实测最大洪水出现在1996年，洪峰流量为1280m³/s，最大7日洪量出现在1952年，为3.7亿m³，实测最小洪峰流量为199m³/s（1945年）。莺落峡距本项目起点约23km，距人工湖距离为31km。洪水期流速按照3m/s计算，从莺落峡水文站到坝址区大约需要2.5h～3.0h，所以需要在2.5h以内完成落坝。

2坝型比选

本次坝型比较对橡胶坝（冲水式、冲气式）、气动盾形闸及液压闸进行比选。

2.1冲水式橡胶坝

充水式橡胶坝是以水为填充介质，坝体主要由土建部分、坝袋及锚固件、充排水（气）设施、及控制系统等部分组成。

充水式橡胶坝充水时利用水泵将集水井中的水充入坝袋，排水时可利用同一台水泵将坝袋中的水排出，也可以单独设计排水系统。

按照初步拟定的450m坝址长度，橡胶坝需分五跨设置，单跨长度87.5m。坝袋单宽容积=10.7585m3，单节坝袋容积为941.36m3，总容积为4706.85m3。拟用两台抽水水泵，一台工作，一台备用。

目前常规的充水式橡胶坝水泵流量大约为500m3/h。按照规范规定，水泵充水过程中需每4h暂停1h计算，整个橡胶坝完成充水的时间大约为16h。

本项目如果供排系统共用，则不能满足3小时落坝的要求。因此需单独设计排水系统。如果使用与充水泵相同的型号，按照5段独立排水，设置5个排水泵，则可在2h～3h之间完成排水工作，即完成落坝。可满足要求。

充水式橡胶坝对水质要求较高，且在升坝过程中短时间内需要较大的水量，按照目前国内已建充水式橡胶坝经验，水源是建设充水式橡胶坝需要首先考虑的问题。

冬季如果橡胶坝顶部溢流，则不会出现结冰威胁坝体安全的问题。张掖地区降水月分布不均匀，冬季降雨极少，无法提供足够的水源来满足坝顶溢流。因此需考虑冬季结冰问题。

充水式橡胶坝冬季运行期间，虽坝袋内部温度会高于外部空气，但经过相关机构的研究，也会在坝袋的顶部及库区水面线以上区域产生结冰区。加之库面由于低温均会封冻，库面冰层与坝袋接触，产生内外冰层压力差，会对坝袋产生横向的剪切效应，极有可能在冬季撕裂坝袋和使坝袋锚固部件松动而失效。

因此充水式橡胶坝在冬季运行期需将库面冰层与坝袋分离，对坝区冰层做破冰处理或需对坝袋做针对性的安全设计。

2.2充气式橡胶坝

充气式橡胶坝是以气为填充介质，坝体主要由土建部分、坝袋及锚固件、充排气设施及控制系统等部分组成。。

按照初步拟定的450m坝址长度，橡胶坝需分五跨设置，单跨长度87.5m。坝袋单宽容积=5.6256m3，单节坝袋容积为492.24m3，总容积为2461.20m3。拟用6台抽、排气泵，5台工作，1台备用。

本项目坝体较长，需按5段独立充、排。按照常规的充气坝充、排流量10m³/min，大约各需要1个小时即可完成充坝、塌坝。满足从预警到落坝的操作。

充气式橡胶坝因坝体内不存在冰冻介质，所以冬季可不考虑坝袋内的冰冻问题。库区水面结冰后，由于坝袋内外存在一定温度差，结冰后冰体基本不与坝袋接触，可在一定程度上减轻部分破冰工作。不过为了保证坝袋的安全，仍需对坝袋做针对性的防护措施。

2.3气动盾形闸

气动盾形闸是橡胶坝与闸结合的产物，挡水部位由坝袋转变为板，升坝装置由坝袋与气动杆共同完成，如图3。一套钢板和气囊为一单元，闸门可由多个单元叠加组合而成，闸板设置以5m、6m较为常见，可设置闸墩，可根据河道宽度进行多单位组合。落坝与升坝速度较橡胶坝快。冬季运行需破冰，闸板防冲刷性能好。但是目前气动盾形闸关键零部件需进口和引进专利技术，造价高。

盾形闸单元结构复杂，对各构件的精度要求较高。所以在制造及运输过程中要防止构件的变形，门体组合结构对金属构件安装要求较高，需重视拼装的各个环节。否则会出现坝顶溢流不均匀或溢流位置不定。按照之前的经验来看，每个坝袋需设置专门的充气管路，且气动盾形闸在国内已建成的项目偏少，可参考的范围有限。

2.4液压坝

液压升降坝广泛应用于灌溉、船闸、渔业、海水挡潮、城市河道景观工程和小水电站等建设。液压升降坝力学结构科学、泄洪畅快、不畏泥砂淤积、不惧漂浮物影响；部分面板微降即可快速冲掉上游漂浮物，恢复清澈水面；塌坝迅速，确保汛期行洪安全；结构坚固耐用，抗洪水冲击能力强。它克服了传统活动坝型的主要缺陷，又兼备传统坝型的主要优点：它美观如钢坝闸，可实现瀑布景观；紧贴坝基同橡胶坝，行洪畅通无阻；自动放坝行洪像翻板闸，实现任意高度挡水；坚固耐用似普通水闸，易于维护。

液压升降坝是起重机后顶直推形式力学原理与液压翻板坝水工结构型式完美结合，兼具挡水和泄水双重功能。液压升降坝的构造由面板、液压缸和液压泵站等组成。采用液压启闭系统直接驱动活动坝面，使其绕底轴在一定角度范围内转动，实现升坝挡水，降坝泄洪的功能。可选配固定支撑杆支撑活动坝面的背面，构成稳定的支撑墩坝。可采用角度传感器等监测装置，配套电控液压操作系统，达到无人管理即可根据洪水涨落实现活动坝面的自动升降。

3.坝型分析

三种坝型四种设计方案都有自身的优缺点，分析如下：

（1）从可靠度方面考虑，盾形闸、液压坝较好、充气/水式橡胶坝略有不足；

（2）从经济方面考虑，合计坝体总长450m，气动盾形闸投资大约需要5958.526万，液压坝4986.188万，充水式橡胶坝1130.541万，充气式橡胶坝1127.126万；

（3）从运营管理方面考虑，气动闸较好，液压坝次之，充气式及充水式最差。

参考文献：

[1]试析水生态保护与修复下的中小河流治理[J].李必琼.工程建设与设计.2016（18）