唐 虎

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

近年來，隨著海綿城市建設(shè)概念的提出，城市建設(shè)中把水環(huán)境、水生態(tài)、水文化理念提升到了新的高度，從而使城市具有良性的水循環(huán)、良好的生態(tài)環(huán)境和優(yōu)美的城市景觀系統(tǒng)。在此背景下越來越多的城市開始在城市中心河道上修建各類生態(tài)景觀壩，常見的壩型有水閘、橡膠壩、鋼閘壩、氣盾壩等。

高原地區(qū)河流具有高寒、高海拔、紫外線強(qiáng)、推移質(zhì)含量高、生態(tài)環(huán)境脆弱等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的生態(tài)景觀壩壩型在高原地區(qū)運(yùn)用過程中也遇到了一些新的問題，因此如何選擇一種經(jīng)濟(jì)美觀，適應(yīng)高原環(huán)境且運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠的生態(tài)景觀壩，是高原地區(qū)生態(tài)景觀壩建設(shè)的重點(diǎn)考慮問題。

1 工程概況

拉薩河發(fā)源于念青唐古拉山脈南麓，海拔高度從源頭的5 500 m到河口的3 580 m，是世界上海拔最高的河流之一。拉薩河是拉薩市的母親河，位于拉薩市區(qū)南部，主流游擺不定，為典型的游蕩性河道，枯水期邊灘裸露，風(fēng)沙肆虐。

根據(jù)《西藏自治區(qū)拉薩市拉薩河(城區(qū)段)綜合整治工程規(guī)劃》，拉薩河城區(qū)段規(guī)劃建設(shè)6道水壩，形成湖面景觀，改善城區(qū)段河流生態(tài)條件。目前該段河道已經(jīng)修建完成2號(hào)(橡膠壩)、3號(hào)(水閘)和4號(hào)(橡膠壩)三道擋水壩，對(duì)改善拉薩市城區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)揮了重要作用。

6號(hào)閘為拉薩河城區(qū)段綜合整治工程的首級(jí)水閘，擋水高度3～4 m，其主要工程任務(wù)為：在不影響河道行洪能力的前提下，通過新建攔河閘壩抬高水位形成湖面景觀，改善河道生態(tài)環(huán)境，提升城市整體形象，同時(shí)兼顧兩岸的交通需求。6號(hào)閘址位于納金大橋下游，河床寬度約為600 m。

2 常用景觀壩壩型

城市生態(tài)景觀壩發(fā)展進(jìn)程中常用的幾種類型有水閘、橡膠壩、鋼閘壩、氣盾壩等，以下對(duì)幾種不同的攔河建筑物分別進(jìn)行介紹。

水閘：傳統(tǒng)水閘是水利工程中應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的水工建筑物，一般由閘室、兩岸連接段和上下游連接段所組成。水閘通過閘室安裝水工鋼閘門實(shí)現(xiàn)擋泄水功能。

橡膠壩：一種隨著高分子合成材料工業(yè)發(fā)展而出現(xiàn)的擋水建筑物，由高強(qiáng)度帆布做強(qiáng)力骨架與合成橡膠構(gòu)成，錨固在基礎(chǔ)底板上，形成密封袋型，用水或者氣壓力充脹形成擋水壩。

鋼閘壩：一種新型可調(diào)控溢流壩，由土建結(jié)構(gòu)、帶固定軸的鋼性壩體、驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)備等組成。

氣盾壩：結(jié)合傳統(tǒng)鋼閘門和橡膠壩優(yōu)點(diǎn)的一種新壩型，由擋水鋼板、氣袋和氣動(dòng)系統(tǒng)組成。氣袋支撐在鋼板下游面，利用氣袋的充氣或排氣控制門體起伏和支承閘門的擋水，并可精確控制閘門開度。

3 6號(hào)閘壩型初選

拉薩河6號(hào)閘位于拉薩市的中心城區(qū)，閘址兩岸主要有學(xué)校、機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位等。由于6號(hào)閘所處的特殊地理位置，因此在壩型的選擇上不僅要考慮使用功能的要求，還要考慮到美觀、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單等多方面因素。拉薩河城區(qū)段的2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)閘已經(jīng)建成運(yùn)行，因此在閘型選擇上要吸取已建水閘的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，以及聯(lián)合運(yùn)行管理的協(xié)調(diào)性等方面的問題。

3.1 水 閘

傳統(tǒng)水閘是水利工程中應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的水工建筑物。

優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、耐久性強(qiáng)和后期維護(hù)費(fèi)用低；(2)能通過閘門開度靈活控制上下游水位，滿足水位控制和泄流沖沙等方面要求；(3)對(duì)抵抗泥沙磨損、水流沖蝕、冰凍影響有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

缺點(diǎn)：(1)單孔寬度較小，孔數(shù)及隔墩較多；(2)閘室總寬大，水工建筑物工程量大，運(yùn)行管理人員較多，投資也較大；(3)景觀效果較差。

拉薩河3號(hào)閘(見圖1)由于有兩岸的交通要求，因此在閘型的選擇上，選用了水閘方案，從實(shí)際運(yùn)行效果來看，建筑物結(jié)構(gòu)較為臃腫，汛期泄洪壅水高度較高，運(yùn)行維護(hù)管理人員多，在水閘局部開啟時(shí)，出閘水流速度大，下游沖坑深度深。

圖1 拉薩河3號(hào)閘示意

3.2 橡膠壩

橡膠壩是目前城市河道擋水工程較為常用的結(jié)構(gòu)形式。橡膠壩泄流時(shí)是下泄表層水，不利于沖砂、排污。橡膠壩運(yùn)行時(shí)噪音達(dá)70 dB左右，給兩岸居民的生活造成不便。

優(yōu)點(diǎn)：(1)過壩流態(tài)相對(duì)平順穩(wěn)定，跨度大，中間隔墩阻水面積小，對(duì)河道行洪影響較小，較易與周圍景點(diǎn)和環(huán)境相協(xié)調(diào)，適宜擋水高度一般不超過5 m；(2)工程一次性投資較小，施工方便，工期短；(3)景觀效果好。

缺點(diǎn)：(1)橡膠壩運(yùn)行管理較復(fù)雜，安全可靠性差，起塌壩時(shí)間長(zhǎng)，調(diào)度靈活性較差；(2)橡膠壩袋容易被河流中尖利物沖撞或穿刺而破壞，使用壽命短(約10～15年更換一次壩袋)，特別是拉薩河河道比降大，行洪時(shí)河道硬質(zhì)的推移質(zhì)含量大，且由于拉薩紫外線輻射強(qiáng)，壩袋耐久性較差、易老化，壩袋更換頻率高；(3)壩袋容易遭人為破壞，維修養(yǎng)護(hù)要求高，每次行洪后均需及時(shí)檢查，后期運(yùn)行管理費(fèi)用較高；(4)不能兼顧交通功能。

拉薩河2號(hào)閘、4號(hào)閘由于壩軸線長(zhǎng)度相對(duì)較短，且沒有兩岸交通需求，因此閘型上選擇了工程投資相對(duì)較低的橡膠壩(見圖2)，從實(shí)際運(yùn)行效果來看，其達(dá)到了生態(tài)景觀壩的運(yùn)行功能要求，但是仍存在泄洪噪音大，生命周期短等缺點(diǎn)。

圖2 拉薩河2號(hào)、4號(hào)閘示意

3.3 鋼閘壩

優(yōu)點(diǎn)：(1)閘門啟閉控制系統(tǒng)可靠；(2)鋼結(jié)構(gòu)門體耐砂石磨損，耐久性強(qiáng)；(3)可任意高度擋水，形成不同角度的瀑布效果，總體景觀效果較好。

缺點(diǎn)：(1)受啟閉控制系統(tǒng)影響，單跨閘門寬度不能過大，否則驅(qū)動(dòng)底軸尺寸太大；(2)底軸密封受底部河床泥沙影響較大，泥沙的磨蝕極易造成密封失效、磨損、卡軸等情況；中間壩段需設(shè)置單獨(dú)控制系統(tǒng)，同時(shí)須設(shè)置交通橋(或水下廊道)至各閘墩，土建及金結(jié)、機(jī)電成本大大增加；(3)相對(duì)于其他景觀閘型投資高。

圖3 典型鋼壩示意

3.4 氣盾壩

氣盾壩是綜合橡膠壩、鋼閘壩二者之長(zhǎng)的新型擋、泄水建筑物，由盾板、氣囊、充排系統(tǒng)等組成，其擋水高度一般在2～5 m之間，兼具了鋼閘壩、橡膠壩的優(yōu)點(diǎn)，又在一定程度上克服了二者的不足。

鋼盾板提供正面擋水，具有充漲功能的橡膠氣囊提供擋水盾板的支撐，基礎(chǔ)錨固螺栓和軟連接構(gòu)筑壩的整體結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)充排系統(tǒng)提供運(yùn)行動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)升壩和降壩。擋水運(yùn)行時(shí)，支撐氣囊隱蔽在盾板之后，水流和漂浮物越盾板而過，支撐氣囊和附屬系統(tǒng)不受沖刷。降壩泄洪時(shí)，盾板將氣囊完全覆蓋，氣囊與流水、沙石、冰凌完全隔開，也不因流水的拍打、震動(dòng)產(chǎn)生磨損，氣囊處于更安全的保護(hù)環(huán)境(如圖4所示)。

圖4 氣盾壩鋼盾壩擋水、泄水示意

氣盾壩具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)在較為寬闊的河道上，氣盾壩單跨寬度布置靈活，最大跨度可達(dá)到120 m，可有效地減少閘墩的布置數(shù)量；(2)閘門全開時(shí)，門體全部倒臥在河底，基本與原河床高度持平，不影響景觀、通航和水生動(dòng)物的回游，有利于行洪、敞泄沖沙；(3)可結(jié)合橋梁閘墩靈活進(jìn)行布置，在橋梁下部或下游側(cè)實(shí)現(xiàn)擋水功能；(4)與其他壩型比較，其安全性更高，不存在因斷電造成壩袋塌落不下或塌落不充分的危險(xiǎn)，在手動(dòng)和電動(dòng)模式均可完成排氣，實(shí)現(xiàn)順利泄洪，特別是在電力中斷的狀態(tài)下，運(yùn)行具備最基本的安全保障。

根據(jù)河道特性及6號(hào)閘工程的功能定位可知，拉薩河兩岸跨度較大，汛期泥沙含量高，且需要兼顧兩岸交通建橋需求(見圖5)，氣盾壩在這幾個(gè)特性方面均適合于該項(xiàng)目的工程特點(diǎn)，因此將氣盾壩作為該生態(tài)景觀壩的推薦壩型。

圖5 氣盾壩與交通橋結(jié)合布置形態(tài)示意

4 氣盾壩在高原運(yùn)用的可行性分析

氣盾壩以其優(yōu)異的性能得到廣泛應(yīng)用，目前已經(jīng)在多個(gè)高原、寒冷地區(qū)應(yīng)用，高海拔同其他地區(qū)相比，存在氣溫低、紫外線照射強(qiáng)等特點(diǎn)。氣盾壩金屬盾板、壓板能應(yīng)用在高海拔地區(qū)，橡膠氣囊采用三元乙丙橡膠，其耐低溫、耐老化性能優(yōu)越。乙丙橡膠基本上是一種飽和橡膠，主鏈?zhǔn)怯苫瘜W(xué)穩(wěn)定的飽和烴組成，只是在側(cè)鏈中含有不飽和的雙鍵，分子內(nèi)無極性取代基，分子間內(nèi)聚能低，分子鏈在較寬的溫度范圍內(nèi)保持柔順性，因而使其具有獨(dú)特的性能。

4.1 耐老化性能

乙丙橡膠具有突出的耐臭氧性能，不但大大優(yōu)于天然橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠等通用橡膠，而且也優(yōu)于一般被認(rèn)為耐老化性能很好的丁基橡膠。例如，在含抽樣100 pphm的介質(zhì)中，乙丙橡膠經(jīng)2 430 h仍不龜裂，二丁基橡膠僅534 h即產(chǎn)生大裂口，氯丁橡膠則只有46 h就龜裂；在臭氧濃度為50 pphm介質(zhì)中，靜拉伸30%時(shí)，乙丙橡膠試樣發(fā)生龜裂的時(shí)間大于150 h，而丁基橡膠在幾小時(shí)內(nèi)就會(huì)發(fā)生龜裂，可見乙丙橡膠的耐臭氧性是最佳的。

4.2 耐候性能

乙丙橡膠耐候性好，能長(zhǎng)期在陽光、潮濕、寒冷的自然環(huán)境中使用，在低溫下仍能保持較好的彈性和較小的壓縮變形，其最低極限使用溫度可達(dá)-50 ℃或更低。一般乙丙橡膠是非結(jié)晶的，其玻璃化溫度(Tg)與丙烯含量有關(guān)，具有最佳低溫性能的乙丙橡膠，其丙烯含量為40%～50%(重量)。與低溫行為最密切相關(guān)的是硫化膠的彈性，具有良好低溫性能的硫化膠亦具有良好的低溫彈性。

4.3 使用壽命

據(jù)相關(guān)資料介紹，中國(guó)石油大學(xué)曾對(duì)三元乙丙橡膠采用加速老化方法進(jìn)行過壽命研究，研究?jī)?nèi)容為：通過在不同溫度下、不同老化時(shí)間的性能變化率建立數(shù)學(xué)模型推算其壽命。研究結(jié)果表明，以性能變化值y=30%為臨界值，三元乙丙橡膠推算壽命在40年以上。

5 結(jié) 語

生態(tài)壩常用的數(shù)種壩型都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在城市生態(tài)壩建設(shè)中均有成功應(yīng)用案例。目前拉薩河2號(hào)閘、4號(hào)閘閘型為橡膠壩，3號(hào)閘閘型為傳統(tǒng)水閘，1號(hào)閘和6號(hào)閘壩型擬選用氣盾壩，5號(hào)閘從閘型的多樣性考慮選擇了功能與氣盾壩相類似的液壓升降壩。目前，各種壩型在高原城市中的運(yùn)用還處于初步探索階段，但隨著生態(tài)景觀壩技術(shù)的不斷發(fā)展，城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)會(huì)使城市變得更加美好。