底鉸式鋼閘門在河道景觀工程中的運用

羅 希 雍 婷 劉 剛 譚 丹

(中工武大設計研究有限公司,湖北武漢 430072)

底鉸式鋼閘門俗稱鋼壩,作為一種新的壩型相對傳統壩型具有諸多優點[1],近年來逐漸在城市用水及景觀建設工程中得到推廣和運用[2-4],但目前鋼壩的結構設計缺乏統一的設計規范和標準,還需要在工程實踐中進一步的研究和探討。

1 工程概況

天河城區水景建筑物工程位于鄖西縣城關鎮天河流域,其主要設計內容為工業園區河段修建擋水建筑物,營造人工景觀水面。擋水建筑物等級為 4級,工程選址處河寬142.50 m,河底平均高程236.50 m,河岸高程 241.00 m。正常擋水位239.80 m,設計洪水標準采用 20 a一遇,設計流量1661 m3/s。

2 工程地質

工程區地勢平坦開闊,河道中的主要地層為卵石混合土和強、中、弱風化粘土巖,擋水建筑物基礎持力層為卵石混合土,允許承載力為 350 k P a,基底摩擦系數0.5。工程區地下水主要為潛水,局部略具承壓性,主要富存于卵石混合土中,水量豐富。天河主河道的河水及地下水對混凝土結構無腐蝕性,對鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕性,對鋼結構有弱腐蝕性。地震基本烈度為Ⅵ度。

3 方案比選

由于天河是山區性河流,水位陡漲陡落,洪水期來水量大,河流中石塊較多,考慮到運行管理和擋水建筑物結構安全等因素,選擇翻板壩和鋼壩兩種型式進行方案比較。

(1)翻板壩方案。水力自控翻板閘門高2.5 m,閘頂高程239.80 m。翻板閘門分 7段布置,每段長19.0 m,兩段間設置 1.0 m隔墩,順水流長度為10.0 m。考慮河道來沙量大,為防止壩底板淤積,壩底板頂面高程設為237.30 m,并于左岸設置單孔沖砂閘。沖砂閘孔凈寬4.9 m,閘底板頂面高程236.50 m,順水流向長度10.0 m,沖砂閘與翻板壩間設1.0 m厚隔墩。

(2)鋼壩方案。閘門高3.0 m,擋水水位(景觀水位)239.80 m,共 4跨,每跨長 31.0 m,中墩及兩岸邊墩內設啟閉設備室,壩底板頂面高程236.80 m。

下面從功能、泄洪能力、運行、造價等方面對這兩種方案進行了比較。

(1)景觀要求。二者均能形成景觀需要水面,但鋼壩形成的水面效果更加美觀。

(2)泄洪能力。泄洪時,翻板壩方案的閘門及其支撐結構會對斷面過水能力產生較大的影響。經計算,在設計流量為 1661 m3/s的情況下,翻板壩和鋼壩方案上游設計水位分別為241.80 m和240.80 m。可見翻板壩方案泄洪能力較差,通過設計流量時相對鋼壩方案使上游水位壅高1.0 m,需加高上游的堤防,增加了工程總投資。

(3)運行管理。兩種方案均能通過控制液壓設備實現啟閉,自動化程度高,運行簡單可靠,管理方便。但翻板壩容易受到泥沙淤積或漂浮物的影響,導致翻板閘門無法正常啟閉運行,國內目前已有多起由于翻板閘門無法正常運行而將其拆除的案例。

(4)造價。鋼壩方案總投資約 1400萬元,較翻板壩方案高 300多萬元。但從使用年限、運行管理等方面對兩個方案綜合比較分析,鋼壩方案更占優勢。

以上幾個方面的比較結果表明,鋼壩方案在景觀、泄洪能力和運行管理方面表現更勝一籌,盡管其建設期造價較高,但更適合于天河的工程實際情況,最終確定鋼壩作為攔河閘壩型式。

4 工程布置

鋼壩主體工程由上游鋪蓋段、鋼壩(含閘門、啟閉設備室)段、下游護坦段組成,如圖 1所示。

圖 1 鋼壩平面布置

4.1 上游鋪蓋段

上游鋪蓋頂面高程236.50 m,順水流向長度8.0 m,寬142.5 m。采用0.5 m厚鋼筋混凝土結構,下設 10 cm素混凝土墊層,兩岸翼墻采用重力式混凝土擋土墻。

4.2 鋼壩(含閘門、啟閉設備室)段

鋼壩段底板及啟閉設備室均采用鋼筋混凝土結構,垂直水流方向總寬度149.6 m。鋼閘門高3.0 m,頂高程(景觀水位)239.8 m,共 4跨,每跨長31.0 m。中墩及兩岸邊墩內設啟閉設備室,中墩啟閉室寬6.0 m,兩岸啟閉室寬3.8 m。

壩底板順水流方向長度為12.0 m,距上游端2.0 m處設0.95 m深垂直陡坎,基礎頂面及底面高程分別為236.80 m和235.85 m。距下游端2.5 m處設 1∶2.0反向斜坡連接(兼作消力池),其高程分別為236.50 m和235.85 m,厚度為1.2 m。在上、下游設齒墻,上游端齒墻深度為0.8 m,齒墻下部設防滲墻,深入相對不透水層下0.5 m,下游段齒墻深度為0.5 m。根據鋼閘門安裝需要,每跨底板設 5個尺寸為1.35 m×1.0 m×0.5 m的鋼閘門底軸支座預留孔,6個結構尺寸為0.5 m×0.5 m×0.4 m的支墩,壩底板靠下右側預埋 2根 Φ 100mm鍍鋅設備控制電纜。

中墩啟閉室墻頂高程240.30 m,兩岸啟閉室墻頂高程同上游堤防高程,頂板設2.0 m×2.0 m檢修孔,其中中墩啟閉室檢修孔采用鋼質密封蓋。啟閉室內設0.5 m×0.5 m×0.5 m集水井及通風照明設施。底板厚度同壩底板基礎。與鋼閘門側止水接觸的邊墻采用拋光大理石貼面。

4.3 下游護坦段

下游護坦采用鋼筋混凝土海漫加漿砌石防沖槽方案,海漫底板順水流方向長10.0 m,厚0.5 m,設排水孔,梅花型布置,孔距排距2.0 m,下設反濾層。下游防沖槽采用漿砌石結構,深2.0 m。兩岸翼墻采用重力式混凝土擋墻。

5 結構設計

5.1 鋼閘門設計

底鉸式鋼閘門是由門葉、固定門葉的底橫軸、底鉸支座、潤滑軸承、底止水、側止水、液壓啟閉設備及液壓鎖定裝置等組成,液壓設備通過底軸轉動來驅動門體的開啟和關閉。

5.1.1 運行條件

(1)90°立壩,閘門頂最大溢流水深 40 cm,形成瀑布景觀效果,超過 40 cm由液壓啟閉設備自動控制閘門臥門行洪;

(2)90°立壩,上游為景觀水位,下游為河道水位(正常運行工況);

(3)閘門最大轉角為 90°,且可設定角度使閘門處于鎖定狀態;

(4)突發洪水情況下,須在 2～5 m i n內臥門泄洪。

5.1.2 閘門體型設計

鄖西天河河道較寬,需多跨布置。由于單跨鋼閘門的寬度和高度過大會提高對底橫軸等構件的強度要求從而使投資增加,因此經方案比選并結合運行條件,確定閘門高為3.0 m,寬為31.0 m,底橫軸直徑 Φ 800mm,軸下設 5個支座,支座間距7.0 m,設有底止水和側止水。

5.2 鋼壩及啟閉設備室結構設計

5.2.1 壩底板結構設計

鋼壩的基礎底板承受自重、鋼閘門、水重及水產生的水平壓力、揚壓力等荷載。底板采用鋼筋混凝土結構,取底板厚度為1.2 m,順水流方向長度為12.0 m。設計計算以兩相鄰順水流向永久縫之間的底板段作為計算單元,主要包括抗滑穩定計算、滲透穩定計算、基底應力計算、不均勻系數計算及鋼筋混凝土結構配筋計算,計算工況選取完建工況、正常運行工況和校核工況,計算結果如表 1所示。

表1 壩底板穩定計算成果

計算結果表明,基底應力滿足地基承載力要求,抗滑穩定等安全系數滿足規范要求。

由于壩址處地層分布較均勻,卵石混合土及下覆基巖的厚度分布較均勻,順河向的地層分布比較穩定,地層物理力學指標性能良好,無軟弱夾層,因此不需對地基進行加固處理,且不需進行地基沉降計算。

5.2.2 啟閉室結構設計

根據鋼壩的體型要求,為增加過水斷面,改善過水流態,需要盡量減小啟閉室寬度,啟閉室上游側邊墻結構采用圓弧型。按照液壓設備安裝布置情況,確定中墩啟閉室寬度為6.0 m,上游側邊墻采用半徑3.0 m的半圓弧。

考慮景觀的要求,將啟閉室布置在上游側,最大程度利用水體遮蓋啟閉室,并將啟閉室頂板高程定為240.30 m,高于閘門頂0.50 m。

啟閉室邊墻主要承受水荷載,取設計洪水工況進行鋼筋混凝土結構計算,確定邊墻厚0.5 m,頂板厚0.3 m。啟閉室底板取完建工況和正常運行工況,對抗滑穩定系數、基底應力和鋼筋混凝土結構進行計算,結果表明,基底應力滿足地基承載力要求,抗滑穩定等安全系數滿足規范要求,確定底板厚度為1.2 m。

5.3 防滲設計

5.3.1 滲透穩定計算

鋼壩基礎位于卵石混合土基上,因此采用改進阻力系數法進行計算。鋪蓋段順水流方向長度取6.0 m。計算工況分別為正常運行工況和止水破壞工況,兩種工況上游為景觀水位,下游為河道水位,水頭差為3.3 m。地勘提供的水平段和出逸口的允許滲流坡降值如表 2所示。

表2 滲透穩定計算成果

計算結果表明底板順水流方向設計長度滿足滲透穩定的要求。

5.3.2 防滲和止水設計

鋼壩基底采用 300mm厚混凝土防滲墻,防滲墻深入相對不透水層(粘土巖)下0.5 m,并與上游堤防基底防滲墻相連。防滲范圍內的永久縫均設置一道止水,止水材料采用1.2mm厚紫銅片。

5.4 消能防沖設計

5.4.1 消力池設計

根據鋼閘門的安裝特點,對鋼壩底板結構進行設計,使之兼有防沖消能的功效,如圖 2所示。

圖 2 底板縱剖面

(1)鋼壩正常擋水時,消能防沖計算工況為壩頂溢流水深 40 cm工況,設計單寬流量11.86 m2/s,壩前水位240.30 m。采用跌水消力池計算公式[5],經計算,消力池長度4.32 m,池深0.20 m,設計消力池長度6.25 m,池深0.65 m,滿足規范要求。

(2)泄洪時消能設計應根據泄流條件進行水力計算。經過上下游不同水位組合計算,已設消力池尺寸滿足要求。

5.4.2 海漫及防沖槽設計

為減少沖刷,在鋼壩段下游設置海漫和防沖槽。

海漫的長度應根據可能出現的不利的水位、流量組合情況計算確定。經計算,確定海漫長度為15.0 m,順水流方向坡度為 1∶10。

海漫末端防沖槽的深度應根據河床土質、海漫末端單寬流量和下游水深等因素綜合確定,且不小于海漫末端的河床沖刷深度。經計算,確定防沖槽深度為2.0 m。

6 結 語

底鉸式鋼閘門作為新型的低水頭擋水建筑物,相對于傳統的橡膠壩和翻板壩優勢較多,運行管理方便,適應性強,運用年限長,防洪和景觀效果好,造價相對較高。

這種新的攔河壩型目前仍在推廣階段,合理的選擇方案和設計方法可以使鋼壩在河道整治中得到更廣泛的運用。本文以實際的工程為案例,研究結果可為以后河道綜合治理工程中攔河閘壩的選擇提供參考。

[1] 姚澤永.鋼壩閘在城市用水及景觀建設中的優勢[J].水利科技與經濟,2010,16(10):1195.

[2] 宋寶生,武愛玲.河道景觀橡膠壩和鋼壩的優選[J].水科學與工程技術,2010,(3):11.

[3] 郭 瑋,解秀麗,潘士勇.鋼壩閘與橡膠壩在陷泥河治理中的應用比較[J].水利建設與管理,2010,(2):67-68.

[4] 楊克昌.唐山環城水系陡河鋼壩設計簡介[J].水科學與工程技術,2010,(4):29-30.

[5] 劉韓生,花立峰.跌水與陡坎[M].北京:中國水利水電出版社,2004.