国产气盾坝在咸阳渭河水生态治理工程中的应用研究

第１５卷第１期　２　０　Ｉ　７年２月　一水利与建筑工程学报ｔｕｒａｌ　ｃｈｉｔｅｃＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＡｒＶＤ１．１５　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．，２０１７　—ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—１ｌ４４．２０１７．０１．０２５　国产气盾坝在成阳渭河水生态治理　工程中的应用研究　陈　莉，韩伟刚　（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安７１０００１）　摘要：气盾坝为近年水利部新技术推广的新坝型，咸阳渭河气盾坝为渭河干流上首次采用，也是在多　泥沙河流中首次设计成功、规模最大的国产气盾坝，标志着气盾坝国产化的成功。渭河是著名的多泥沙　河流，通过对咸阳渭河段水沙特性及重点技术问题分析，研究国产气盾坝的适宜性，分析咸阳渭河水生　态治理工程选择国产气盾坝的合理性及特殊技术要求，充分发挥气盾坝的优点。通过对国产气盾坝在　渭河多泥沙河流上的应用设计和研究，试图为今后国产气盾坝的推广，特别是在多泥沙河流上的应用积　累经验。　关键词：气盾坝；国产化；渭河；水沙特性；适宜性　中图分类号：ＴＶ６４４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—１１４４（２０ｌ７）０１—０１３６一ｏ３　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｏｍｅｓｔｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎｅｄ　Ｇａｓ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｄａｍ　ｉｎ　Ｗｅｉｈｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ＣＨＥＮ　Ｌｉ，ＨＡＮ　Ｗｅｉｇａｎｇ　（Ｓｈａａｎｘｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｉｍｔ＃ａｔｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　忉，　’鲫，Ｓｈａａｎｘｉ　７１０００１，Ｃｈ／ｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇａｓ　ｓｈｉｅｌｄ　ｄａｍ　ｗａｓ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　ｒｅｃｅｎｔｌｙ　ｗｈｉｃｈ　Ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｉｎ　Ｗｅｉｈｅ　Ｒｉｖｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ　ｏｎｅ　ｉｎ　Ｗｅｉｈｅ　Ｒｉｖｅｒ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｔｈｅ　ｆｉｓｔｒ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇａｓ　ｓｈｉｅｌｄ　ｄａｍ　ｗｈｉｃｈ　ｍａｒｋｓ　ｔｈｅ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ　ｏｆ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｇａｓ　ｓｈｉｅｌｄ　ｄａｍ．Ｗｅｉｈｅ　Ｒｉｖｅｒ　ｈａｓ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ　ｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，　ｈｒｔｏｕｇｈ　ｉｔｓ　ｄｅｓｉｎ　ａｇｎｄ　ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｄｅｍａｎｄ，ａｎｄ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｉｔｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｔｈｉｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｗｉｌｌ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｎ　ａｇｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇａｓ　ｓｈｉｅｌｄ　ｄａｍ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｓ　ｓｈｉｅｌｄ　ｄａｍ；ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｄｅｓｉｇｈ；Ｗｅｉｈｅ　Ｒｉｖｅｒ；ｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ　渭河咸阳城区段水生态治理工程地处陕西省咸　阳市区渭河干流，工程的主要任务是在保障渭河防　坝型再次进行比较论证，设计选择了作为水利部水　利技术推广产品的国产气盾坝坝型。　洪安全的前提下，对工程区河道进行综合整治，利用　主河槽筑坝蓄水，营造城市生态蓄水景观，改善城市　水生态环境。渭河治理河段采用主河槽筑坝蓄水＋　两侧滨河生态园的治理方案，坝址位于西宝高速桥　以下６２０　ｍ处，坝高４．０　ｍ，主河槽形成蓄水区长度　２．５　ｋｍ，蓄水面宽３００　ｍ～５５０　ｍ，蓄水面积９５．３３万　舶ｎ２，蓄水量１１０万ｍ３。　气动盾形闸门系统，简称气盾坝，是由一组橡胶　气囊作为支撑，上游临水面采用钢板制作挡水盾板，　通过给橡胶气囊充气和排气，实现挡水盾板拦河挡　水及泄水塌坝的一种新型挡水建筑物，气盾坝兼顾　了传统钢闸门、橡胶坝和翻板闸的优点，其控制系统　简单，由美国发明，在美国已经应用３０多年…。我　国多年前开始引进以代销形式进行推广，鉴于价格　昂贵，推广缓慢。近年通过我国相关部门的技术攻　关，成功实现国产化，使得价格大幅降低，作为水利　部新技术推广坝型，开始得到有效推广应用。　渭河是著名的多泥沙河流，为适应其水沙特性，　挡水建筑物前期工作中采用充水枕式橡胶坝，施工　图阶段总结渭河干流上多座橡胶坝的运行情况，对　收稿日期：２０１６—１０－０６　修稿日期：２０１６．１１－０１　作者简介：陈莉（１９６卜），女，四川自贡人，教授级高级工程师，主要从事水利工程设计工作。Ｅ－ｍａｉｌ：７９３００９６８６＠ｑｑ．ｃｏｍ　第１期　陈莉，等：国产气盾坝在咸阳渭河水生态治理工程中的应用研究　１３７　咸阳渭河气盾坝坝高４．０　ｍ，坝长３００　ｍ，是多　泥沙河流上规模最大的国产气盾坝。笔者通过对该　气盾坝的应用设计和研究，试图为今后国产气盾坝　期立坝蓄水、汛期视洪水泥沙下泄情况择机蓄水的　运行方式，即便如此，蓄水区淤积难免。由于气盾坝　可在短时间内快速塌坝，其快速塌坝过程中水流携　的推广，特别是在多泥沙河流上的应用积累经验。　１　渭河水沙特性及重点技术问题　渭河是黄河最大的一级支流，本工程处于渭河　中游段的末段，工程区河道宽浅，河床平缓，河宽　５３０　ｍ一９４０　ｍ，比降仅０．６５％ｅ，河床质为第四系全新　统冲积（Ｑ４　）细砂。工程区河段渭河多年平均实测　径流量３０．１９１亿ｍ３，１００年一遇设计洪峰流量９　１７０　ｍ３／ｓ，坝址多年平均输沙总量达１２　４８１万ｔ，为典型　的多泥沙河流。渭河泥沙主要集中在汛期６月一１０　月，汛期悬移质输沙量约占全年的９３％，多年平均　含沙量２８．６　ｋｅ／ｍ３，最大含沙量达７２９　ｋｇ／ｍ３。　为适应渭河的水沙特性，以及城市水生态治理　工程特性，坝型选择的重点技术问题主要为：（１）洪　水泥沙与蓄水的矛盾问题；（２）蓄水区泥沙淤积问　题；（３）汛期安全快速塌坝问题；（４）泥沙对坝型的　影响问题；（５）坝型自身的景观效果问题。　２气盾坝适宜性研究　气盾坝的适宜性主要是对渭河特性的适应性，　以及本工程作为城市河流水生态景观工程与环境的　协调性分析。　气盾坝主要结构是固定在坝底的弧形钢制坝板　和橡胶气袋，由一组弧形钢制盾板、一组橡胶气囊、　一排基础锚固螺栓和一套气动充排气系统组成，挡　水的弧形钢坝由６　ｍ　８　１１３钢板拼接而成，钢板与钢　板之间采用Ｐ型止水。气盾坝采用弧形钢制坝板挡　水，气囊隐藏在盾板之后支撑钢板，避免了钢坝闸和　橡胶坝的缺点，兼有两者的优点。　２．１气盾坝优点分析　（１）气盾坝相比橡胶坝，具有气囊体积小，充气　时间和排气时间都很短，能够实现及时、快速塌坝的　特点，一般塌坝时间１０　ｍｉｎ左右，远远短于渭河洪　水演进至工程区的时间，气盾坝可确保汛期安全快　速塌坝，更大程度的确保河道行洪安全。　（２）气盾坝的快速塌坝特性，可很好地解决渭　河洪水泥沙下泄与主河槽蓄水的矛盾问题。根据渭　河水情预报，可在上游洪水泥沙来临前，快速塌坝泄　空蓄水区，保障洪水泥沙安全下泄；洪水过后，又可　快速立坝蓄水，形成水生态景观。　（３）对于渭河多泥沙河流而言，工程采用非汛　沙能力大大增强，设计可充分利用塌坝水流的携沙　能力，对蓄水区的泥沙进行水力排沙，有效解决蓄水　区泥沙淤积问题。　（４）气盾坝相比橡胶坝，支撑气囊隐藏在盾板　之后，在行洪塌坝时，水中的推移质泥沙和漂浮物越　盾板而过，支撑气囊和附属系统不受水流冲刷和钩　挂，气囊不易被扎坏，使用寿命长，一般可达３０　ａ。　（５）气盾坝控制系统简单，采用空压机进行充　气排气控制，空压控制站规模小，具有塌坝的低成本　特性，运行管理成本低。　（６）气盾坝是一种新型的气盾景观钢坝，在日　常泄水时，自然形成景观瀑布，新颖美观，与咸阳城　市环境相协调。　２．２气盾坝主要缺点　（１）钢板后的气囊压力不一致时，可引起钢板　之间的密封止水受拉，运行多年后易发生漏水现象。　（２）由于渭河多泥沙特性，挡水钢盾板存在泥　沙冲击和磨损问题，防腐防锈处理技术要求高。　（３）气盾坝价格高，一次性成本较大。　（４）气盾坝目前无国家相关技术标准和规范。　（５）坝顶不溢流时，坝体下游的气囊外露，美观　性较差。　基于上述分析，并对国内代理美国气盾坝以及　桑尼国产气盾坝的技术经济对比研究后，本工程的　坝型选择国产气盾坝坝型，在保证坝体质量的基础　上，大大降低了工程价格，气盾坝坝型的技术经济指　标趋于合理。　３渭河气盾坝的特殊技术要求　由于渭河多泥沙特性，挡水钢盾板不同于清水　河流上的盾板制作及技术要求，在常规气盾坝的技　术要求基础上，需特殊考虑的技术要求为：　（１）钢盾板的厚度及强度设计需考虑汛期推移　质对钢板的冲击力问题，以及盾板上游侧泥沙淤积　形成的泥沙压力对钢板强度的要求问题。　（２）钢板制作需考虑泥沙对钢板的磨损问题，　防腐防锈处理应特别加强。　（３）气囊的设计及空压机的选型需考虑挡水过　程中盾板上游泥沙淤积形成的泥沙压力；以及塌平　后盾板上可能形成的泥沙淤积层对立坝充气压力的　影响。　１３８　水利与建筑工程学报　第ｌ５卷　（４）渭河气盾坝坝长３００　ｍ，需考虑挡水时坝前　泥沙淤积厚度的不均衡问题，可能对各气囊压力的　影响。　气盾坝的挡水盾板挡水高度为４．０　ｒｎ，挡水高　度方向为弧形，弧线总长度为４．６　ｍ，塌坝后塌落长　度为４．０　ｍ，为了检修方便，在塌落后的盾板上游及　下游各布置２．５　ｎｌ宽的检修通道。为保护气盾坝锚　固螺栓的安全，减少水流冲刷及泥沙磨损，锚固螺栓　（５）边板的止水密封需加强。　４气盾坝应用设计　４．１坝体设计　上游设置１５　ｅＩＴｌ高的保护坎。经过稳定计算，气盾　坝螺栓锚固位置距离坝底板上游边缘５．３　１ＴＩ。　根据流速分析，气盾坝坝顶溢流流速约９．０　ｍ／ｓ，水流下落至坝后底板的流速较大，并考虑水流　（１）坝体结构布置。渭河气盾坝坝底板高程按　坝址处河床平均高程控制，总坝长为３００　ｍ，坝高为　４．０　ｍ，分４个坝段，各坝段之间设置中墩，自左岸向　右岸分别为１＃　４＃坝段，各坝段长度根据挡水盾　板分块长度的要求确定，各坝段长度分别为８４　ｍ、　８４　ｍ、６６　ｍ、６２．４　ｍ，中墩宽度１．２　ｍ。　携带泥沙对坝底板的冲击力和磨蚀性强，坝底板采　用Ｃ３５抗冲磨混凝土结构，抗冻等级为Ｆ１５０，抗渗　等级为Ｗ４。根据消能分析，对坝后进行消能防冲设　计Ｌ２ｊ。坝体结构布置见图１。　图ｌ坝体结构布置图　（２）挡水盾板及气囊设计。１＃、２＃坝段长度　左岸边墙外布置一座竖井，坝底板内充排气管道先　接至竖井，管道经过竖井再接至控制室。　４．３充排气设施及控制室　均为８４　ｍ，挡水盾板每块宽度为６　ｍ，各布置ｌ４块　挡水盾板及充气气囊；３＃坝段长６６　ｍ，挡水盾板每　块宽度为６　ｍ，布置ｌ１块挡水盾板及充气气囊；４＃　坝段长６２．４　ｍ，挡水盾板每块宽度为６．２４　ｍ，布置　１０块挡水盾板及充气气囊，４个坝段共布置挡水盾　板及充气气囊４９块。在每个坝段，各挡水盾板之间　渭河气盾坝规模大，设计采用两套充排气设施，　充气设备为罗茨风机和自动螺杆空压机，气囊充气　时，首先采用罗茨风机充气，当气囊内压力达到８０　ｋＰａ后，罗茨风机自动关闭，采用螺杆空压机升压，　采用橡胶止水带进行止水，止水带用螺栓固定在两　侧盾板上。　４．２充排气管路布置　达到气囊工作压力。　罗茨风机和自动螺杆空压机等设备布置在控制　房内，两套设备并排布置，从储气罐内分为多个支　渭河左岸堤防外侧布置空压控制站，对气盾坝　进行充气排气控制。控制室内布置两套充气设备，　其中１＃、２＃坝段采用一套充气设备，３＃、４＃坝段　采用一套充气设备进行控制，每两个气囊采用一根　充气管道进行充气控制，如：１＃、２＃坝段盾板均为　１４块，各布置７根充气管道，充排气管采用　ＤＮ５０ＰＰＲ管道。　管，然后再接至坝底板内的充排气管，对气囊进行控　制，在各支管上均需安装气压表，以便对气囊内压力　进行测量，便于自动化管理控制。　４．４运行原则　由于该工程属城市河流蓄水工程，运行时应尽　量减少泥沙淤积，并利用洪水过程有效地冲淤排沙。　主要运行原则为：　（下转第１９３页）　充排气管道埋置于坝底板内，靠近底板下游侧。　第１期　成晓奕，等：防屈曲支撑结构的专利技术发展概况　方法：特愿２００８—９５７０８［Ｐ］．２００９—１０—２９．　１９３　［３７］　清华大学．钢管防屈曲耗能支撑：２ｔ￣）７２０２００６３７．３［Ｐ］．　２００７—０７—１８．　［４８］　大和房屋工业株式会社．座屈拘束支撑：特愿２００９—　［３８］　中国建筑科学研究院．一种带横隔板双层套管一字形　屈曲约束支撑：２００７１０２０１０３４．７［Ｐ］．２００８一Ｏ１—１６．　１１７３８０［Ｐ］．２０１０—１１—２５．　［４９］　大和房屋工业株式会社．座屈拘束支撑：特愿２０１１—　［３９］　株洲时代新材料科技股份有限公司．一种分段耗能防　屈曲支撑方法及装置：２０１１１０１３３２３１．６［Ｐ］．０１１—１１—　２３０．　９９ｏ４６￣Ｐ］．２０１２—０２—０３．　［５０］　大和房屋工业株式会社．座屈拘束支撑：特愿２０１２—　１６２５６８［Ｐ］．０１２４—０２—０３．　［５１］　大和房屋工业株式会社．座屈拘束支撑：特愿２０１２—　１３５５８６［Ｐ］．２０１４一Ｏ１—０９．　［５２］　哈尔滨工业大学．组合钢管混凝土式防屈曲支撑构　件：０１０１０１２５５１０５．６ｌＰｊ．２０１０—０８—１１．　［４０］　大和房屋工业株式会社．座屈拘束支撑：特愿２００７—　１８３８０３［Ｐ］．２００９一Ｏ１—２９．　［４１］　大和房屋工业株式会社．座屈拘束支撑：特愿２０１３—　２４６９５６［Ｐ］．２０１５—０６—０８．　［４２］　天津市建筑设计院．中部刚接双钢管防屈曲耗能支　撑：２０１２０１０７８１７７．８ｌＰＪ．０１２０—１１—２４．　［５３］　东南大学．错位交叉板屈曲约束支撑：２０１４１００１６２６４．６　［Ｐ］．２０１４—０４—２３．　００１６９８７．６　［５４］　东南大学．平行斜板屈曲约束支撑：２０１４１［Ｐ］．２０１４—０４—３０．　一种由四根角钢捆绑组成的防屈曲支撑构　［５５］　清华大学．件：０１２０１５１５９１９．０６ｌＰＪ．０１１—０２２—１６．　［４３］　天津市建筑设计院．半刚接双钢管防屈曲耗能支撑：　２０１２０１０７８１７８．２［Ｐ］．２０１０—１２—１５．　［４４］　清华大学．“巨”字形扣件约束型装配式防屈曲耗能支　撑：２００９１０２５９６４１．８ｌＰＪ．２０１Ｏ一０６—０２．　［４５］　清华大学．双矩形管约束型Ｈ形截面装配式防屈曲耗　［５６］　同济大学．两边约束一字形纯钢屈曲约束支撑及其制　作方法：０１２２１０３７６８４２．８［Ｐ］．２０１３一Ｏ１—３０．　［５７］　上海蓝科钢结构技术开发有限责任公司．一种ＴＪＨ纯　钢屈曲约束支撑构件：２０１２１０３２８１６２．９［Ｐ］．０１２３—０３一　（）ｆ；．　；．　！矫　！矫　！矫　　．矫　不　乖　能支撑：２００９１０２５９６４２．２ＩＰ］．０１０—０６—０２２．　［４６］　清华大学．带肋的双矩形管约束型Ｈ形截面装配式防　屈曲耗能支撑：２００９１２５９０６４３．７［Ｐ］．２０１０—０６—０２．　座屈拘束支撑的装配式制造　［４７］　大和房屋工业株式会社．：　杯　杯　：．　杯　．　坏　！　！矫　！矫　！矫　（上接第１３８页）　（１）工程管理充分利用渭河水情预报系统进行　洪水预报。　（２）主汛期（７月一９月）原则上不蓄水，根据每　在多泥沙河流中首次设计成功、规模最大的国产气　盾坝，标志着气盾坝国产化的成功。　年水情预报具体情况可择机蓄水。　（３）非汛期均立坝蓄水，蓄水区应根据泥沙淤　积情况适时塌坝冲沙清淤。　（４）为确保气盾坝安全运行，坝顶溢流水深控　制不超过０．５　ｍ。　（５）非汛期通过对气盾坝的灵活控制，保证蓄　水期间下游生态基流的安全下泄。　图２成阳渭河气盾坝立坝运行实景　５结语　（２）气盾坝布置紧凑、构造简洁、新颖美观、运　行安全，在河流水生态治理领域得到逐步认可。　（１）本工程通过招标，采用了烟台桑尼公司生　产的国产气盾坝。２０１６年６月２６日，气盾坝主体工　程基本建成并成功立坝蓄水试运行；截止本稿，工程　运行安全，水生态景观效果良好。咸阳渭河气盾坝　实景见图２。　参考文献：　［１］陈东清．气动盾形闸门系统技术研究与应用［Ｍ］．北　京：中国水利水电出版社，２０１５．　［２］陕西省水利电力勘测设计研究院．陕西省渭河成阳城　区段水生态治理工程相关设计成果［Ｒ］．西安：陕西省　水利电力勘测设计研究院，２０１６．　咸阳渭河气盾坝为渭河干流上首次采用，也是