神嘴窩生態蓄水工程攔河壩選型設計

孫冬艷

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

神嘴窩生態蓄水工程位于朔州市懷仁縣神嘴窩村南的桑干河干流上，與懷仁縣縣城相距約13 km，是桑干河綜合治理與生態修復工程的重要組成部分。該項工程能夠使得桑干河干流和支流匯入口處形成一處較大規模的生態蓄水濕地，以此來增加水面和濕地面積、優化河流生態環境、增強河水自凈能力、改良景區觀賞效果，顯著體現出該工程強大的生態效益和社會效益。

該項工程主要包括總長252 m 的攔河壩1 座，以及河道左右側生態護岸和植物護岸。其中主槽攔河閘高3 m、長102 m，灘地攔河閘高2 m、長150 m，中間景觀平臺寬49 m。攔河閘蓄水水位為978.5 m，蓄水面積為113.8 萬m2，水庫總庫容為95.2 萬m3。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017），確定該項工程等別為Ⅴ等，主要建筑物液壓壩級別為5 級永久性水工建筑物，設計洪水標準重現期為10 a，校核洪水標準重現期為20 a。

2 工程設計原則

為了實現桑干河基流量逐步恢復、河段生態水量得到保障、生態環境得以根本好轉等目標，根據相關工程規定，結合桑干河相應位置特點，工程布置需要遵循原則如下：

2.1 服從總體規劃

作為永定河綜合治理與生態修復工程的子項目，工程應以《永定河綜合治理與生態修復總體方案》《永定河綜合治理與生態修復實施方案（山西水利部分）》等方案為依據，確定工程應遵循的原則、目標及要求，做到局部服從總體規劃。

2.2 貫徹生態文明理念

著眼建設生態型水利工程，工程布置盡可能維持現有河道兩岸自然狀態，在工程立面設計上，采用主槽和淺灘相結合的生態蓄水方式，蓄水區不設防滲措施，形成開放的生境條件，以保持河道與左右岸生態系統的連續性，造就完整的生態系統。

2.3 堅持因地制宜

在不影響行洪的前提下，工程施工充分利用現有護岸；同時，在施工過程中注重土方平衡，做到內土不外運，外土不進場。

2.4 突出主體功能

所建水閘主要用于攔河蓄水、改善生態環境、提高河水自凈能力、提升區域景觀效果，不承擔下游防洪任務，不設防洪庫容。

2.5 保持河道行洪能力

攔河閘的設計要保證不降低現有河道斷面行洪能力，過流寬度與原河道寬度基本一致；水閘在設計標準條件下，宣泄洪水時閘前上游水位不造成壅高，不影響現狀防洪堤因水位壅高而需增加堤身高度。

3 攔河壩壩型比選

從神嘴窩生態蓄水工程概況和設計原則可以看出，攔河壩壩型的選擇在工程設計中顯得尤為關鍵。在桑干河上興建蓄水攔河壩，不但需要在平時可以關閘蓄水，而且還應該在汛期能夠倒伏行洪，使得河道的行洪安全具有堅實的保證。在河道生態治理蓄水工程中，國內常用的幾種景觀壅水閘壩有：橡膠壩、底橫軸轉動翻板閘、鋼壩閘。結合本工程具體情況，對上述三種壩型進行綜合比較。

3.1 橡膠壩

橡膠壩分為充水式和充氣式兩種，主要是利用充水（氣）泵對橡膠壩袋充水（氣）膨脹，進而達到擋水目的。與常規閘壩相比，橡膠壩具有造價低、施工期短、抗震性能好等特點，同時受內外部因素影響，橡膠壩在運行維護、防洪效能、景觀效果等方面存在一定劣勢。①運行維護不易。壩袋使用壽命一般為10～15 a，而且易受外界水沙、尖銳漂浮物及人為破壞發生壩袋泄漏進而影響正常運行。夏季壩頂溢流長時間超過50 cm，易跨壩，需加強汛期的運行管理；冬季需塌壩運行或壩前鑿冰越冬。②防洪效能較差。立壩、塌壩時間較長，影響快速截流、蓄水或泄洪，會給河道行洪帶來安全隱患；特別是塌壩時，壩內的水體不能完全放盡，會形成不低于20 cm 的壅水高度，影響泄洪流量。③觀景體驗欠佳。由于壩袋易褪色、變形，從而導致了壩體外形美感欠佳；而且瀑布景觀給游客的體驗效果會受到壩頂溢流的影響。④沖砂性能過弱。壩體整體升降，壩前較淤積，清理困難。⑤建設成本較低。本工程若采用橡膠壩，在壩高3 m 的情況下，延米投資約為5 萬元。

3.2 底橫軸轉動翻板閘

底橫軸翻板閘門主要是利用液壓系統通過設在閘板下游的液壓油缸支撐轉動伸縮來實現閘板臥倒開門直立擋水。與其他常規閘壩相比，底橫軸翻板閘不僅具有造價低、適用范圍廣、結構堅固可靠等優點，同時在運行維護、防洪效能、景觀效果、沖砂性能等方面存在較大優勢。①運行維護容易。閘門門體能夠做到單扇開啟行洪、沖砂和關閉蓄水；門體間可相互導流、分段維護；部件經久耐用、不易損壞，而且更換非常簡便，使用年限相對較長，可以達到30～50 a。該壩型有運行、檢修方便，維護管理成本低等特點。②防洪效能較強。該壩型行洪過水、沖砂、排漂浮物效果都比較好，汛期洪水暴漲達到設定的高度時，通過浮標控制自動放壩行洪，自動放壩功能可靠，行洪效果好。該壩型采用液壓啟閉機對閘門進行啟閉，使得閘門的速度能夠達到1～2 m/min，升壩和塌壩在幾分鐘之內就可以完成，而且可以完全放倒至與河底齊平，能夠確保滿足泄洪需求。③景觀效果良好。底橫軸轉動翻板閘閘頂較為平整，可長時間、大流量地進行溢流，進而形成人造的瀑布景觀。瀑布壩體設計為弧形，活動壩面高度可以隨意調節，形成的瀑布和水簾長廊觀景效果良好。④沖砂性能較強?？煞挚组_閘、集中排砂，閘前不易淤積。⑤建設成本不高。本工程若采用底橫軸轉動翻板閘門，在壩高3 m 的情況下，延米投資約為6～7 萬元。

3.3 鋼壩閘

鋼壩閘是近年來推廣使用的一種新型閘壩，是在常規水閘基礎上改良發展起來的新型擋水建筑物。蓄水工程布置鋼壩閘具有使用壽命長、運行維護方便、防洪安全有保障等優勢，同時存在一次性投資大、沖砂性能不佳等劣勢。①運行維護便捷。閘門運轉件采用特殊復合材料，不易銹蝕，可在水下長期運行。不僅易損壞，而且運行控制非常方便；同時，鋼壩由多塊鋼板拼接，對于較長的跨度要設置較多中敦，幾片鋼壩間的密封依靠密封帶，在鋼壩起落過程中，易磨損失去密封作用，需要定期更換。②防洪效能較強。鋼壩閘與底橫軸轉動翻板閘類似，同樣采用液壓啟閉。與之不同的是，鋼壩閘受單扇閘門寬度限制，河道較寬情況下需要布置一定數量中墩，縮窄斷面影響泄洪。③景觀效果良好。門體外形美觀，壩頂平整，溢流時瀑布景觀效果好。④沖砂性能較差。鋼壩閘與橡膠壩相類似，壩體整體升降，壩前易淤積，清理困難。⑤建設成本較高。本工程若采用鋼壩閘，在壩高3 m 的情況下，延米投資約為13 萬元。

表1 攔河壩壩型優缺點對比

通過以上三種攔河壩特點的比較分析可以看出，橡膠壩方案主要存在使用壽命較短、立壩塌壩用時較長等問題，故本項目不建議采用橡膠壩型式；鋼壩閘方案對河道行洪能力影響較大、工程造價高，依據目前國內已建設的鋼壩閘規格尺寸，按每孔40 m 布置，本工程需布置中墩需6 個，每個中墩寬度8 m，中墩一項就縮窄河道48 m，且此段河道受地形條件限制不可能擴寬加大泄流能力，因此為了不影響正常河道泄洪，此段河道不建議選用鋼壩閘攔河壩方案；相對來說，底橫軸轉動翻板閘門無論從技術含量、利于景觀多樣性等方面，還是從外形景觀效果、使用壽命、防洪影響，都比另外兩種攔河壩壩型更為合適，尤其是對河道行洪斷面無影響。從生態型水利工程建設的角度綜合考慮，神嘴窩生態蓄水工程攔河壩最終采用啟閉靈活且迅速、利于沖砂、費用較低的底橫軸轉動翻板閘方案。

4 結語

綜上所述，通過對工程設計原則的把握，以及對幾種常見攔河壩壩型特點的深入分析，神嘴窩生態蓄水工程最終選擇更符合工程建設要求的底橫軸轉動翻板閘。實際工作中，需要充分考慮工程建設的總體規劃要求，并且針對工程的工程造價、使用壽命、防洪要求、地形地質、外形景觀等條件進行具體分析，進而選擇適合的壩型。