汾河太原段綜合治理工程液壓壩優(yōu)化方案比選

梁 鈞

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概述

汾河為黃河的一級支流，是山西省境內(nèi)的第一條大河，發(fā)源于寧武縣的管涔山南麓，由北向南流經(jīng)寧武縣及靜樂縣，于婁煩縣靜游鎮(zhèn)流入汾河水庫，出汾河水庫經(jīng)古交峽谷和汾河二庫，由蘭村出山口流經(jīng)太原盆地，至靈石縣又進入靈霍山峽，向西南流經(jīng)臨汾盆地，至萬榮縣匯入黃河。汾河全長約710km，流域面積為39471km2。流經(jīng)太原市區(qū)段汾河長度約40km。

為改善城市環(huán)境，自1998年以來，太原市政府對主城區(qū)段的汾河河道分兩期進行了綜合治理。為妥善解決防洪、蓄水、排沙和美化的矛盾，在保留汾河治理一、二期工程成功經(jīng)驗，規(guī)避其不足的基礎上，本次工程蓄水池的總體布置仍采用了排沙槽和蓄水槽分開的雙槽布置方案。同時，為達到大水面的景觀效果，采取抬高蓄水位的工程措施，把排沙槽與蓄水槽之間的中隔堤淹沒在水下，可形成全槽蓄水的效果。

2 工程總體布置

2.1 工程布置原則

根據(jù)相關(guān)規(guī)程、規(guī)范，結(jié)合治理段河道特點，工程布置遵循以下原則：防洪安全的原則；充分體現(xiàn)生態(tài)水利的原則；親水性的原則；因地制宜、就地取材的原則；充分利用現(xiàn)有工程，避免投資浪費的原則；通航游覽相結(jié)合的原則；滿足太原市水上運動場地的原則。

2.2 工程總體布置

本工程是汾河上一期工程的延續(xù)，位于太原市南部新區(qū)的汾河主河道，全長約12km，呈南北向展布。河道橫斷面采用復式斷面，總寬度為430～450m，由300～348m寬的蓄水池、兩側(cè)二級平臺及堤防組成。

結(jié)合南部新區(qū)總體布局及2019年青運會水上運動場地要求，在河槽內(nèi)共設有1號和2號兩座壅水閘壩，分別布置在樁號7+400和樁號11+800的主槽內(nèi)，形成2座蓄水池，蓄水位分別為775.7m、772.0m，池長分別為7.4km和4.4km。

兩座閘壩均由兩跨液壓壩和一跨壅水閘組成，其中，壅水閘布置在中間已建的約100m寬主槽范圍內(nèi)。兩跨液壓壩分別布置于壅水閘東西兩側(cè)。

3 液壓壩方案優(yōu)化比選

3.1 液壓壩壩型比選緣由

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，液壓缸盡量避免長期淹沒在水下，如無法避免時液壓缸需廠家特制。壩下游最大水深為3m，冰凍和消冰均會對液壓缸產(chǎn)生不利影響。2019年青運會將在1號蓄水池內(nèi)舉行水上運動比賽，閘壩上、下游全年蓄水，對1號壩運行條件要求較高。

3.2 液壓壩設計條件

本次液壓壩優(yōu)化方案以1號閘壩東跨液壓壩為例，具體要求如下：一是原則上要求液壓壩不設或者少設中墩。二是東跨液壓壩總長為108m，上游設計水深為6.7m，壩頂溢流水高度為0.5m，下游水深為3m。三是冬季上、下游最大冰層厚度為0.5m，通過設置除冰設施消除冰凍和消冰對門板及液壓設備的影響。四是液壓設備和門體維護檢修時，可結(jié)合灌溉期預先放空蓄水池或部分塌壩降低上、下游水位；檢修完成后立壩攔水，通過水量置換的方式達到檢修的目的，同時也可對蓄水池進行換水以改善水質(zhì)。五是液壓缸事故檢修時，需有臨時或永久支撐設施。

3.3 液壓壩比選

3.3.1 鋼筋混凝土液壓壩（方案一）

由鋼筋混凝土壩體、液壓缸及支撐桿等組成。工作原理主要是底部以鉸鏈軸固定在壩基礎上，利用壩體背后液壓缸啟閉機伸縮，實現(xiàn)升壩攔水，降壩行洪的目的。每跨液壓壩均由多扇獨立升降的鋼筋混凝土閘門組成，各扇門體間不設閘墩，直接由閘板間的止水對接實現(xiàn)擋水，每扇門長6.0m。

優(yōu)勢：國內(nèi)鋼筋混凝土液壓壩應用實例較多，已運行多年，為水利部推廣的新技術(shù)，且6m以上高壩已有實例。支撐桿可有效鎖定壩體，避免液壓缸因長期受力造成內(nèi)泄而使閘門塌落，也利于閘門檢修。本方案每扇門體均有獨立的液壓管路控制升降，最大程度避免泄漏故障。不設中墩，水位壅高8cm，不影響行洪。分體式結(jié)構(gòu)能夠有效適應地基不均勻沉降。造價較低，門體及其埋件和控制系統(tǒng)等設備2.2萬元/m2。

劣勢：過水時，閘門宜振動，需設破水摻氣裝置。液壓缸長期水下工作，需采用特制液壓缸，對檢修不利。

3.3.2 雙向可折疊液壓壩（方案二）

本方案采用整體式結(jié)構(gòu)，即108m長設一扇閘門，不設中墩，每5m設一道液壓啟閉機。門體采用鋼閘門，門高6.7m，整個閘門由上、下游兩塊門板形成一個三角形結(jié)構(gòu)。下游面板為液壓壩可折疊升降部分，由上、下兩塊鐵板組成，中間由絞軸相連，當液壓壩面板升到要求高度時，兩塊鐵板咬合在一起，起主要的支撐作用，油缸此時只起到輔助的支撐作用。

優(yōu)勢：液壓啟閉機封閉于兩面的閘門面板和兩端岸墻之間，所以油缸不容易受損傷，使用壽命長，且檢修方便。由于閘門為三角形結(jié)構(gòu)，在壩頂過水時，上游水流會順下游閘門面板流下，不會在下游形成真空，也不會引起振動。不設中墩，水位壅高8cm，不影響行洪。

劣勢：閘門為一跨整體式結(jié)構(gòu)，同步起落，運用不靈活，不利于沖沙。造價較高，門體及其埋件和控制系統(tǒng)等設備3.2萬元/m2。

3.3.3 單向可折疊液壓壩（方案三）

本方案采用分體式結(jié)構(gòu)，即由多扇獨立升降的門體組成，每扇門長12m，共9扇，不設中墩，每扇門設兩道液壓啟閉機。門體采用鋼閘門，門高6.7m，下游支撐桿由上下兩塊鐵板組成，中間由絞軸相連，當液壓壩面板升到要求高度時，兩塊鐵板咬合在一起，起主要支撐作用，油缸此時只起到輔助的支撐作。

優(yōu)勢：多扇閘門均可獨立升降，運行調(diào)度靈活方便，便于沖沙。不設中墩，水位壅高8cm，不影響行洪。設有支撐桿，起主要支撐作用，油缸此時只起到輔助的支撐作用。在塌壩時，液壓壩面板倒下時將油缸完全覆蓋在下面，對油缸起到很好的保護作用。造價較低，門體及其埋件和控制系統(tǒng)等設備2.6萬元/m2。

劣勢：液壓缸長期水下工作，需采用特制液壓缸。由于油缸常年處于運行狀態(tài)，密封圈需要更換維修。且下游無法圍堰，從而導致更換困難。過水時，閘門宜振動，需設破水摻氣裝置。

3.3.4 上翻式液壓壩（方案四）

本方案采用3跨旋轉(zhuǎn)鋼閘門，液壓啟閉機驅(qū)動，每扇門共兩套設備。閘門每跨凈寬34m，中墩兩座（寬3.2m×2m），每跨閘門后面另設兩座1m厚的支墩,支墩間距為11.3m。門體采用弧形鋼閘門，門高6.7m，由弧形門體、支撐結(jié)構(gòu)、液壓啟閉機等主要部分組成，弧形門體固定在閘門兩側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)上，支撐結(jié)構(gòu)與支鉸相連，支鉸固定在閘墩內(nèi)。液壓啟閉機驅(qū)動支撐結(jié)構(gòu)，帶動弧形門體旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)閘門開啟和關(guān)閉。

優(yōu)勢：旋轉(zhuǎn)閘門門體的迎水面采用弧形結(jié)構(gòu)，且每扇門后設2座支墩，閘門形成連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，受力較好。旋轉(zhuǎn)閘門可向上開啟一定角度，使閘門底部淤積泥沙順著水流從門底排向下游，進行底孔沖沙。旋轉(zhuǎn)門可用自身啟閉設備將閘門翻起離開水面，在水中用腳手架即可進行閘門二次防腐或更換止水橡皮等維修保養(yǎng)工作，十分方便。液壓缸處于水面以上，運用條件好，利于檢修。

劣勢：每跨長34m，閘墩較多，水位壅高13cm，影響河道的行洪能力及景觀美化。閘墩多，土建成本高。造價較高，門體及其埋件和控制系統(tǒng)等設備3.0萬元/m2。

綜上所述，方案一結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能有效適應地基不均勻沉降，行洪能力強，便于檢修，造價較低且工程實例較多，為最優(yōu)方案。

4 結(jié)論

結(jié)合工程治理方案及河道特點，通過對不同液壓壩壩型方案進行綜合比選，確定鋼筋混凝土液壓壩為最優(yōu)方案。在汾河蓄水工程完建后，充分發(fā)揮其建設成本低、使用年限長、塌壩迅速，利于沖沙、過流能力強、景觀效果顯著等特點，旨在為今后生態(tài)水利工程建設提供借鑒依據(jù)。