太子河姚家橡膠壩改造為水力自控翻板閘門設計

宋玉強

(本溪市觀音閣輸水工程建設管理局，遼寧本溪117022)

太子河姚家橡膠壩改造為水力自控翻板閘門設計

宋玉強

(本溪市觀音閣輸水工程建設管理局，遼寧本溪117022)

本溪市對城市河道景觀建設提出了新要求和新內容。“青山、碧水、藍天”工程是全市建設的主題。在加強堤防建設，滿足防洪要求的同時，加強了城市河道景觀建設，為人們提供休閑場所，對河道進行綜合開發利用。本溪市太子河城市段內修建了6座攔河壩，形成了河道綿延數公里的優美水上景觀。文章介紹了一座由橡膠壩改造成水力自控翻板閘門的設計。

橡膠壩;改造;設計;壩型選擇;水力自控翻板閘門;技術措施

0 前言

太子河自東向西橫貫本溪市區，全長26.85 km。2003—2006年，本溪市水務局完成了堤防建設24.17 km，改擴建4處濱河公園，新建6道攔河壩，分別為團山子、彩屯、溪湖、姚家、小堡、威寧攔河壩，其中姚家和小堡攔河壩為原橡膠壩改造為水力自控翻板閘門。

姚家橡膠壩始建于90年代初期，為充水式橡膠壩，隨著太子河綜合整治工程建設，姚家橡膠壩壩袋已嚴重老化，且年運行管理費用較高、回水區長度不能滿足綜合整治的要求，本溪市水務局將姚家橡膠壩進行改造，改造后壩型為水力自控翻板閘門［1］。

1 姚家橡膠壩簡介

1.1 姚家橡膠壩工程概況

原姚家橡膠壩工程等級為Ⅴ等，其主要建筑物級別為5級，次要建筑物及臨時建筑物級別為5級。設計洪水標準為10 a一遇，校核洪水位標準為20 a一遇。

原姚家橡膠壩為充水式橡膠壩，原設計壩長為184.7 m，設計壩高2.5 m，共分為3 跨，每跨60 m，共設兩個中墩，墩寬 0.8 m，左岸設有2.3 m ×1.5 m調節閘門。

左岸翼墻長59.8 m，右岸翼墻長63.4 m，設計河底高程105.90 m，壩底板高程106.20 m，左岸翼墻頂高程109.20 m，右岸翼墻頂高程112.43 m，底板、中墩及翼墻均為C25、F200鋼筋混凝土結構，右岸建有管理泵房［2］。

1.2 姚家橡膠壩存在的問題

改造前姚家橡膠壩主要存在以下4個方面的問題:

1)橡膠壩袋老化嚴重，充水、排水設施(水泵、控制閥門、管路等)，設備陳舊，太子河姚家段為本溪市城區段，下游戲水及垂釣魚者較多，一旦出現壩袋破裂造成后果嚴重。

2)橡膠壩袋管理維護比較困難，易老化，破損，冬季不能蓄水。

3)橡膠壩在使用中發生中部壩頂下凹的現象。

4)運行管理費用較高，約10萬元/a。

2 改造設計

2.1 壩型選擇

太子河綜合整治工程中，共建了6道攔河壩，壩型均為水力自控翻板閘門。翻板閘門的工作原理是杠桿平衡與轉動，具體來說，水力自控翻板閘門是利用水力和閘門重量相互制衡，通過增設阻尼反饋系統來達到調控水位的目的:當上游水位升高則閘門繞“橫軸”逐漸開啟泄流;反之，上游水位下降則閘門逐漸回關蓄水，使上游水位始終保持在設計要求的范圍內［3］。

這種壩型主要具有以下特點:

1)最顯著特點是洪水運行期間靈活、安全、而且節省人力、物力，管理方便，防洪、泄洪準確且及時。

2)運行過程不需要任何動力設施，節約了能源。

3)原理獨特、作用微妙，泄洪時閘門頂部、底部同時出水，能及時排出淤積的泥沙和大量飄浮物，保持河道的清潔。

4)門體為預制鋼筋混凝土結構，僅支承部分為金屬結構，生產過程不產生任何“三廢”污染，維修方便，費用低。

5)由于該閘門表面是預制混凝土，與橡膠壩易老化和鋼閘門的易腐蝕相比，水力自控翻板閘門對河道水質不產生任何污染。

6)由于能準確自動調控水位，自動起閉，運行時穩定性良好，就當前水資源短缺，對于合理使用和利用水資源有其獨到之處。

7)蓄水后景觀效果較好，起到了城市配套工程的協調作用。

2.2 設計原則

工程設計原則為:

1)工程等級與原姚家橡膠壩工程相同，工程等級為Ⅴ等，其主要建筑物級別為5級，次要建筑物及臨時建筑物級別為5級。

2)由于工程為改造工程，為減少工程投資，應盡可能利用原建筑結構及有建筑物。

3)滿足防洪要求。

4)與太子河綜合整治整體景觀相適應［4］。

2.3 工程布置

工程布置主要有6個方面內容:

1)保留原橡膠壩上游拋石防沖槽、混凝土鋪蓋、壩底板、下游消力池、海漫、下游拋石防沖槽。

2)保留原右岸翼墻，加高左岸翼墻。

3)保留原左岸調節閘門，對閘墩及胸墻進行加高處理。

4)新建右岸3.0 m×3.5 m調節閘門。

5)新建翻板閘門中墩0.8 m厚，長度同原閘墩。

6)考慮到翻板閘門單跨過長，過流后對門板的震動影響較大，將整個翻板閘共分3跨布置，閘門高3.0 m，單扇翻板閘門為3 m×7 m;共布置25扇翻板閘門，第1跨、第3跨均布置8扇翻板閘門，長度均為56.2 m(含側止水0.2 m)，第 2跨布置 9扇翻板閘門，長度為63.2 m(含側止水0.2 m)，左岸調節閘寬度3.1 m，右岸調節閘寬度4.4 m，改造后壩長184.7 m，與原壩長相同。改造后布置詳見圖1。

2.4 主要技術措施

主要的技術措施有以下6個方面:

1)對原壩底板加厚處理后，在底板處開鑿翻板閘門支墩、浪柴墩預留坑，閘門安裝后，澆筑二期混凝土。

2)為減少對原底板破壞，采用人工拆除原有中墩。

3)混凝土澆筑前，對原底板進行鑿毛處理。

4)加厚底板、新建中墩、新建調節閘，采用在原底板按設計配筋間距鉆孔，在孔內預埋錨筋，預埋錨筋達到強度后，與新架設的鋼筋焊接，澆筑混凝土后底板整體性更好，并使結構更加穩定。

圖1 姚家橡膠壩改造工程上游立面圖

5)過流計算中，設計流量選用《本溪市太子河威寧橋至姚家綜合整治工程》中流量成果。設計流量表見表1。

表1 工程區太子河設計流量表 m3/s

過流計算，采用的公式為:

式中:Q為泄流量，m3/s;n為閘孔數，25孔;σs為淹沒系數，當HS/H≤0.57，σs=1.0;當HS/H ＞ 0.57 ，;hs為下游水位高于門下固定壩頂的高差;H為壩上水頭，m;σc為側收縮系數;ψ為行近流態影響系數;W為行進流速折減系數。

按“湖南水電公司”提供經驗計算公式為:

式中:H0為包括行近流速水頭的壩上水頭;即:H0=H+V2/2g;Q單為廠家表中對應流量，m3/s;b為單扇閘門寬度，m;a為閘門全關時鉛垂高，m。

計算水位流量關系圖，翻板閘門斷面圖見圖2。

由水位流量關系曲線查得各設計標準下水位，見表2。

圖2 翻板閘門斷面圖

表2 翻板閘門設計洪水位計算表

由于設計左岸二階臺地高程113.76 m，右岸翼墻頂高程為112.43 m，且建有太子河防洪堤頂高程117.10 m，因此改造工程滿足防洪要求。

6)穩定計算

根據《水閘設計規范》(SL265—2001)規定，采用計算公式為:

式中:Kc為沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數;f為閘基底面與地基之間的摩擦系數，可按表7.3.10規定采用(0.5);∑G為作用在閘基上的全部豎向荷載，kN;∑H為作用在閘基上的全部水平向荷載，kN。

抗滑穩定安全系數應滿足規定，閘基底面抗滑穩定安全系數允許值見表3。

表3 閘基底面抗滑穩定安全系數允許值

閘基穩定計算結果見表4。

表4 閘基穩定計算

工程改造后，經計算，壩體抗滑穩定滿足要求。

3 橡膠壩改造為水力自控翻板閘的優點

由于改造工程在原有壩基上進行，與新建工程相比，主要存在以下優點:

3.1 節省工程投資

姚家橡膠壩改造為水力自控翻板閘工程總投資額為325萬元。新建太子河上同等規模水力自控翻板閘門投資約為610萬元，改造工程與新建相比，節省土石方開挖0.3萬m3，節省混凝土澆筑0.4萬m3，節省投資285萬元;從節省投資角度來看，改造工程節省投資效果明顯。

3.2 縮短建設工期

姚家橡膠壩改造為水力自控翻板閘總工期3個月，新建太子河上同等規模水力自控翻板閘門總工期為5個月，改造工程與新建相比可以縮短2個月工期。

3.3 資源得到充分利用

在姚家橡膠壩改造為水力自控翻板閘工程中，原橡膠壩部分結構，如:上游拋石防沖槽、混凝土鋪蓋、壩底板、下游消力池、海漫、下游拋石防沖槽等得到充分利用，避免了資源浪費及重復投資，原橡膠壩充水泵房改為太子河河道管理所，也得到了充分的利用［5］。

3.4 節省運行管理費用

翻板閘門的檢修只需每年汛前或洪水過后對閘門的金屬件(如螺栓)逐個檢查，如遇螺栓松動時應旋緊，保證運行安全，每2 a左右對閘門金屬件(除不要求或不見光時部分)進行防銹漆處理，每3～5 a更換閘門止水橡皮，以維護閘門長久運用。翻板閘門同橡膠壩相比較，每年可以節省管理費用10萬元左右。

4 工程運行情況

本溪市姚家橡膠壩改造工程，于2007年4月10日開始動工興建，同年7月10日結束。竣工后自動翻板閘門關閉蓄水，形成水深3 m，回水長度2 000 m，蓄水量為90萬 m3，回水面積60萬 m2的水面，經過7 a運行，經歷多次洪水考驗，運行情況良好。

工程運行后，蓄水后形成人工湖泊，在太子河河道內蓄起一片人工水面，增加當地的水容量和濕度指數，改善了當地的生態小氣候，美化環境，成為本溪市民娛樂、健身、觀光的好去處，為山城百姓營造良好的休閑場所。

同時，工程與兩岸濱河公園自然風貌相結合，使太子河城區段生太景觀得到延續和升華，帶動了姚家新區的建設和及房地產開發，取得了良好的社會效益，實現生態環境和社會經濟建設的協調統一。實景圖見圖4。

圖4 太子河人工湖泊實景圖

5 結語

以上介紹了姚家橡膠壩改造翻板閘工程，充分利用原橡膠壩部分結構，同新建同類工程相比，在滿足原有功能要求的基礎上，降低了投資，縮短了工期，節省運行及管理費用，取得了生態效益和社會效益，建議在今后類似改造工程中推廣使用。

［1］王霞，唐德善，趙洪武，等.太子河流域水資源供需分析［J］.水利科技與經濟，2005，11(09):542-545.

［2］劉亞鳳.橡膠壩在水利工程中的應用［J］.水利科技與應用，2005(01):57，59.

［3］劉健，許輝.橡膠壩自動化控制淺析與實施［J］.小水電，2007(02):40-42.

［4］邵強，吳永政.橡膠壩改造成平板閘閥的結構處理［J］.東北水利水電，2000，18(08):10-11.

［5］吳立新.溪口水電站擋水建筑物技術改造的實踐［J］.小水電，2009(06):43-44.

Hydraulic Automatic Flap Gate Design for Yao Jia Rubber Dam Renovation Project on Taizihe River

SONG Yu-qiang
(Benxi City Guanyinge Water Diversion Project Construction Management Bureau，Benxi 117022，China)

Benxi city puts forward new requirements and new content on the landscape construction of urban river.“The green mountains，clear water，blue sky”project is the theme of the construction in the city.To meet the requirements of flood control embankment construction，at the same time，the construction of city river landscape is strengthened，offering leisure place for people，the river comprehensive development and utilization.6 dams were built on city river section in Benxi Taizihe River，forming a beautiful water landscape stretching miles along the urban river bank.This paper introduces the design of a hydraulic automatic flap gate transformed from rubber dam.

rubber dam;renovation;design;selection of dam type;hydraulic automatic flap gate;technology measures

TV644

B

1007-7596(2014)05-0041-04

2013-11-26

宋玉強(1979-)，男，遼寧本溪人，工程師。