摘要：围绕虢川河建设目标，结合治理段河道特性，通过研究论证，从防洪、景观、运行、使用维护等方面进行综合比较，设计考虑工程水文、地质等情况，进行了虢川河拦河坝防渗、防冲、坝体电气等设计。从安全、经济、环保、施工运行等方面比选最终选用气盾坝方案。
1.工程概况
虢川河两岸生态环境治理工程两大目标：一是该河段防洪工程达标治理；二是在防洪达标治理的基础上，遵循人水和谐的治水理念，进行河道内生态蓄水及景观美化一体治理。工程的主要任务是疏浚整治河道，营造优美的城市河流生态景观，整体提升太白县虢川河主城区城市品位，把太白县建成集“山、水、园、林”为一体、地域文化特色鲜明的生态型园林城市。本工程防洪标准为20年，挡水建筑物洪水标准确定为20年一遇。挡水建筑物等别为4级Ⅳ等。
2.坝型比较
随着城市水生态治理的不断推进，挡水建筑物的技术日新月异，近几年兴起气盾坝、液压坝等新型低坝挡水坝型，设计结合近年我国低坝坝型的先进技术，重点对气盾坝、充水橡胶坝、液压坝和钢闸坝四种坝型进行分析比较。
2.1气盾坝
气盾坝主要结构是固定在坝底的弧形钢制坝板、橡胶气袋、基础锚固螺栓和气动充排气系统组成，挡水的弧形钢坝由5m～8m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，气囊不临水，兼有钢坝闸与橡胶坝的两者的优点。
气盾坝主要优点主要为： 气盾坝相比橡胶坝、钢板闸，具有气囊体积小、不易被扎坏，充气时间和排气时间都很短，能够实现及时塌坝的特点；支撑气囊隐藏在盾板之后，在行洪塌坝时，水中的漂浮物、推移质和冰凌等越盾板而过，支撑气囊和附属系统不受水流冲刷和钩挂，气囊不易被损坏；面板与基础的连接是柔性连接, 面板和气囊面接触，整个盾板受力好，不会产生应力集中, 当上游遭遇大的漂浮物撞击或蓄水区冬季结冰产生的冰压力时，柔性连接会起到缓冲的作用；气盾坝气囊体积小，充气时间短，并且坝体排气时间短，能实现及时塌坝，将更大程度的保证河道行洪安全；气盾坝在日常泄水时，自然形成景观瀑布，新颖美观；气盾坝控制系统简单，空压控制站规模小，运行管理成本低。该坝型的缺点：运行多年后橡胶止水老化有可能发生漏水现象；坝顶不溢流时，坝体下游的气囊外露，外观较差。
2.2充水橡胶坝
橡胶坝是以高强力合成纤维布为受力骨架，内外硫化氯丁橡胶或三元乙丙橡胶等为止水（气），锚固在河道基础底板和边墙上，形成一个密闭的橡胶囊体。橡胶坝主要有充水、充气型式，坝高一般在5m以下。
橡胶坝的优点：橡胶坝具有塌坝后坝袋紧贴河床底板、不碍洪、外形轻巧美观、投资适中，坝袋色彩鲜艳，坝袋抗震性能好，结构简单，施工方便，单跨度长度可达到150m，造价低。橡胶坝的缺点：使用寿命较短，一般为20年，充水后坝袋抗震性差，易被尖锐器物刺伤，存在老化问题；充水式橡胶坝需修建控制泵站，管路较多，永久占地大；塌坝时间较长，一般为1～2个小时；运行管理成本相对较高。
2.3液压坝
液压坝的材料与气盾坝盾板相同，采用钢结构焊接制作而成。主要区别为采用单独5m～10m钢板拼接而成，钢板与钢板之间采用P型止水软连接，每个钢坝由两根液压启闭杆控制，可进行单个钢板的塌坝与立坝操作。
液压坝主要优点为：坝体采用钢板拼接而成，无需布置中墩，因此塌坝时不碍洪；可单独坝段的塌坝与立坝，实现分部位塌坝排沙；塌坝时间短，可实现5～10分钟塌坝；造价适中，较橡胶坝较高。液压坝该坝型的缺点：油缸做为动力支撑钢板起落，由于油封两边长时间存在压差，液压坝的油缸的内漏和外漏引起油缸的不同步易造成闸门面板的扭曲、变形，影响了液压坝的安全性和使用寿命；连接处的止水要求较高；坝顶不溢流时，坝体下游的液压杆外露，外观较差。
2.4钢闸坝
钢闸坝是近年来在翻板闸和常规水闸基础上改良发展起来的新型挡水建筑物，主要由主体门叶部分、埋固部分、启闭部分组成，一般不设置底门槽和侧门槽，门叶围绕底轴心放置，目前应用较为广泛。
钢坝闸主要优点：坝体采用钢板构成，不需要在较窄河道上布置中墩，因此工程塌坝时不碍洪；塌坝时间短，可实现5～10分钟塌坝；刚性闸门本身属性决定，可抵抗河道内坚硬锐利物体对坝身进行破坏。钢坝闸主要缺点：坝体主要为金属钢板构成，较其他坝型造价最高；塌坝升坝过程，叶门启闭通过轴心传动完成，基础不均匀沉降对运行影响大，故对坝体基础处理施工要求高；坝顶不溢流时，外观较差。
3.坝型选择
根据虢川河洪水及泥沙特性，设计重点就橡胶坝、液压坝、钢坝闸和气盾坝四种坝型从功能和防洪要求方面进行综合分析：
（1）河道防洪方面：四种坝型塌坝时，坝体均紧贴河床，不碍洪，能够充分保证城区防洪安全。
（2）使用寿命：橡胶坝正常情况下，使用寿命一般为15～20年，但工程实践中坝袋被尖锐器物划损、使其寿命不足10年的实例不少。气盾坝、钢闸坝、液压坝迎水侧材料由钢板组成，受到河道来水携带的杂物等的破坏小，因此其使用寿命不少于30年，预期可达50年。
（3）塌坝时间：橡胶坝的坝袋与气盾坝的囊体由控制站控制，充水式橡胶坝塌坝时靠泵站内的水泵强制排水，一般排水时间为1～2.0小时；气盾坝的充气囊体可打开阀门自排气体，一般塌坝时间为30分钟左右；钢闸坝和液压坝采用液压启闭机控制，启闭时间最快可达5～10分钟。因此，从塌坝时间上可以看出钢坝闸、液压坝最快，其次为气盾坝，最后为橡胶坝。
（4）节能环保：充水式橡胶坝立坝时需要大量的水源供应，一般可从河道中取水或者修建蓄水池，但增加了额外的供水设备与管路；钢闸坝、液压坝在立坝或塌坝时，通过液压启闭机进行控制，液压启闭机需要油泵控制，一旦发生管路损坏，会造成下游河道污染；气盾坝立坝时，通过风机充气，达到工作压力后，风机自动关闭同时自动启动螺杆空压机升压，达到气囊工作压力。因此，这四种坝型从节能与环保来讲，气盾坝最具有环保性。
（5）景观效果：橡胶坝由于具有外形轻巧美观及色彩鲜艳等特性。液压坝为金属结构，属于一种硬性结构，从河道整体景观来说，略显笨重。气盾坝是钢板与橡胶的结合，坝面外形为曲线形，下部为橡胶气囊支撑，橡胶气囊同样具有橡胶坝的优点，坝顶溢流形成瀑布，景观效果尚好。虽然在坝顶不溢流时，坝体下游的气囊外露，外观较差，但根据一些已成工程经验气盾坝下游可安装遮挡气囊的幕布，景观效果也非常不错。
（6）排沙防淤：橡胶坝、气盾坝与钢闸坝、液压坝四种坝型塌坝时，坝体均紧贴河床，泥沙与洪水均为坝顶溢流，坝前的淤积泥沙会在高流速的情况下全部冲走，不仅如此，液压坝、气盾坝还能局部或单块钢板塌坝，可以进行河床局部拉沙，因此，气盾坝、液压坝优于钢闸坝、橡胶坝。
（7）施工难易和工期：橡胶坝坝袋为柔性薄壁结构，重量轻，结构简单，锚固结构和锚固施工工艺相对简单，一般3左右天就可以安装一个坝袋，但充水泵站及配套管路修建复杂；钢闸坝启闭通过轴心进行传动，对坝体基础处理要求最高，施工周期最长；液压坝和气盾坝的安装均为5m左右长的单元体，可到货后，在现场进行组装，方便快捷，但由于液压坝可以进行单钢板塌坝，因此，钢板与钢板之间的密封止水相对较高。优先排序为气盾坝施工最为便捷、液压坝较为简单便捷，橡胶坝次之，钢闸坝周期长。
（8）投资：目前橡胶坝、气盾坝和钢闸坝在同样的坝高与坝长情况下，结合我院对市场调查的结果和以往类似工程经验，一本工程3m挡水高度所适四种坝型中综合对比得出，气盾坝、液压坝投资基本相仿，橡胶坝虽直接投资费低，但运行费用高，钢坝闸价格最贵。故从经济性上考虑，气盾坝、液压坝投资低，橡胶坝综合费用较高，钢闸坝最高。
4.坝型确定
本工程挡水建筑物的主要作用是非汛期挡水、蓄水形成连续的景观水面，汛期安全泄洪，且建筑物美观、耐用。因此，根据本工程具体情况，考虑虢川河为山区上游河道，河道比较陡，汛期较长，多年来洪涝灾害频繁，故塌坝升坝频率高，河道来洪流量大，流速快，行洪期间河道内滚石、冬季冰凌及杂物触发几率高，对坝体自身安全稳定、耐久性要求高。综合从工程安全、经济合理、施工便捷及后期运行维护等方面条件，结合已建类似工程经验，最终确定蓄水区挡水建筑物采用气盾坝，以达到工程区行洪、景观蓄水的工程目标。
5.工程设计
5.1气盾坝布置
本工程共布置3座气盾坝。气盾坝段沿河道方向主要由以下几部分组成：上游格宾笼石段、钢筋混凝土铺盖、气盾坝底板、消力池、海漫及下游块石砼护坡防冲段，见图1。各气盾坝的主要参数见表1。
气盾坝主要参数表 表1
图1
5.2气盾坝结构设计
5.2.1气盾坝基础底板
1#～3#气盾坝均采用封密式气囊，气囊与锚固部分一次整体成型，挡水盾板及气囊采用螺栓进行锚固，螺栓预埋在坝底板内，间距0.2m。
根据河道情况，基础底板设计成平底板，高出上游混凝土铺盖0.2m。顺水流方向宽度根据气囊塌落宽度和上下游施工检修要求确定。厚度根据基础内埋管、防冻、稳定要求确定。经分析计算，经分析计算，1#~3#气盾坝高为3.0m，顺水流方向气囊坍落宽度约2.4m，考虑上下游检修交通通道各取1.0m，设计底板长度9m，钢筋混凝土底板厚1.35m，上下游各设深0.5m的齿墙，底板下设0.1m厚C15混凝土垫层。
5.2.2边墩设计
1#～3#气盾坝均采用C25钢筋砼边墩，边墩与坝底板浇筑为一体，边墩高同堤防设计高度。
5.2.3防渗止水设计
考虑气盾坝防渗、防冲、稳定等要求，同时结合蓄水河槽整体防渗要求，结构布置上采取了以下防渗止水措施：
（1）坝基础底板上游设钢筋砼铺盖，铺盖顺水流方向长均为5m、厚0.5m，铺盖下设C15砼垫层，厚0.1m。铺盖上、下游分别设齿墙，上游齿墙深2.5m，下游齿墙深0.5m，上游齿墙兼有防渗墙功能。
（2）坝前铺盖上游设格宾笼石段，顺水流方向长度均为5m，厚1m，下设两层0.2m厚砂土垫层及复合土工膜防渗，复合土工膜位于两层砂土垫层间，复合土工膜采用两布一膜。
（3）止水防渗：在混凝土与混凝土连接结构缝位置设橡胶止水带，在混凝土与块石、块石与块石连接结构缝位置设膨胀橡胶止水条，缝间均采用聚氯乙烯闭孔泡沫板填缝。
5.2.4消能防冲设计
（1）消能设计
气盾坝单宽流量小且均匀，上游面为反弧曲线，水流紧贴坝面，因此水流出坝能量小，消力池的长度、深度以及下游防护段长度可大大缩短。经消能防冲计算，坝高3m时消力池设计池深取0.5 m，池尾设高0.5m的尾坎，池前由1：:4的斜坡与气盾坝袋底板连接，消力池总长为8m(2号气盾坝因坝后地坪较低，故加设3m长跌水坎段，消力池总长为11m),底板厚度为0.5m。
消力池尾部池内设4排排水孔，孔间距1.5m，梅花型布置，排水孔下设土工布反滤层。
（2）防冲设计
气盾坝铺盖上游及海漫下游需要布置防冲设施。经过计算，在铺盖上游设5m长格宾笼石段防冲，厚1.0m，在消力池下游设海漫及格宾笼石防冲，1#、2#、3#气盾坝设计海漫长度均为14m，采用7m长钢筋砼海漫及7m长C20块石砼海漫，海漫后上层设5m长格宾笼石段，厚1.0m，下层设块石砼护坡，护坡坡比1:2，厚度0.5m，深4.5m。
5.3控制与观测系统设计
（1）充排气设计
系统构成：含风机、储气罐、控制阀门等。
控制方式有：自动、手动、手自双控三种。
充排时间短：根据坝高、坝长不同，大约需20-60分钟；
工作方式：通过PLC液位传感器自动补偿；也可依顾客要求专配。
安保措施：停电或洪患引发断电时，打开手动排气阀可泄洪。
系统通过设置的液位传感器（角位仪）及压力开关自动补偿压力，可满足无人值守的自动控制充排气要求。
气盾坝控制管理房位在气盾坝附近左岸处，控制室内设有充排气设备，根据不同运行工况对气盾坝充排气，坝体充气管道埋置于坝底板内，靠近底板下游侧，为了保护充气管道，设计在坝底板内先埋置DN300钢管作为套管，将DN50PPR管道放在套管中。
（2）安全监测设施
本工程气盾坝监测主要有闸盾板支撑角度监测、坝上下游水位及基础底板下渗压观测。
闸盾板支撑角度监测：在每块盾板下设置角位仪，穿线从基础底板埋置的DN300钢套管引至控制室读取数据。
坝上、下游水位观测：分别在各气盾坝上下游设置超声波液位仪，并在边墙埋管引至控制室读取数据。
（3）事故工况下强排措施
事故工况下，设手、自双动排气阀：借助流水的压力，手动和电动都可排出气囊内压缩空气，随时降坝；
特别是洪汛期间，在意外断电时，仍可随时手动降坝、安全泄洪。若下游有较高回水高度，可加装真空泵设备，加快塌坝速度。
5.4运行原则
主汛期（7～9月）不蓄水，全河道过洪；非汛期通过对气盾坝的灵活控制，以适应上游不同量级的洪水、泥沙下泄，保证蓄水区的平稳运行；同时通过对某一坝段坝高的控制，保证蓄水期间下游生态基流的安全下泄。
6结语
虢川河工程气盾坝主体工程建设于2018年12月完成，2019年4月成功立坝蓄水，同年经历了太白县虢川河8月汛期洪水的考验，截至本稿，工程运行安全，水生态景观效果良好。设计考虑城市的防洪、景观、环境保护等要求，结合工程的水文、地质等情况对虢川河气盾坝防渗、防冲、坝体、金属结构、电气自动化及观测等进行了详尽设计。所选用的气盾坝兼具了钢坝闸和橡胶坝的优点，具有安全可靠、经济合理、环保节能、施工维护便捷等优势，可作为类似工程的参考。
引用文献：
（1）陈莉,韩伟刚.国产气短吧在咸阳渭河水生态治理工程的应用研究.[J]．水利与建筑工程学报.2017(2):136-138
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(3)陕西省水利电力勘测设计研究院.太白县虢川河两岸生态环境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.2019