鋼壩閘在水環境綜合整治工程上的應用

王麗萍

【摘要】本文結合招蘇臺河入遼河口水環境綜合整治工程提出鋼壩閘工程在水環境綜合整治工程上的應用，供參考。

【關健詞】鋼壩閘；水環境綜合整治；應用

1、工程概況

招蘇臺河是遼河干流左岸的一級支流，入河口距通江口大橋約1km。河口地區地勢平坦，河勢順直，河道平均寬度為40m，河道平均比降0.25‰。招蘇臺河口地區是遼河生態治理的重要節點，由于干旱缺水，維持河道內生物繁衍和灘地內植被生長的生態水面嚴重不足，河道內的生態環境得不到自身的修復和改善，水土流失、洪澇和土壤沙化等生態環境問題比較突出。植被退化嚴重，生態功能下降，目前的水質狀況為劣V類，污染程度較重。為了支流排入遼河達到Ⅲ類水質的目標，在河口建設人工濕地，消減支流來污、凈化來水的水質、改善河口區域水環境，為遼河摘掉重度污染的帽子給予強力支持。

工程的主要任務是在招蘇臺河入遼河口上游280m處修建一座攔河建筑物——鋼壩閘，雍高上游河道水位，并在河道左岸灘地上輔以修建生態堰、灘地平整等工程措施，從左側灘地引進河水，形成適合濕地植物生長的淺水區域。同時，對閘址上下游河岸陡坎進行防護，以保護河流岸線的穩定及壩的安全。通過工程措施使招蘇臺河口地區形成人工濕地，用濕地自身的凈化功能來減輕支流來污。本次工程使河口新增濕地面積744畝（49.6hm2），閘門上下游及左側灘地形成水面面積約46.21hm2，濕地植物栽植面積3.39 hm2。

2、防洪標準

根據《遼河保護區水環境綜合整治工程建設規劃報告》，確定鋼壩閘防洪標準為5年一遇。

根據《水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準》（SL252-2000）攔河水閘工程分等標準，招蘇臺河入遼河口鋼壩閘工程取規范最低等別即Ⅴ等，建筑物級別為5級。

3、水環境綜合治理方案

3.1攔河蓄水建筑物——鋼壩閘

鋼壩閘設計應根據地形條件和河道特性、因地制宜、力求安全、經濟、合理。閘長應遵循主河槽建閘的原則，參照兩側灘地高程及中水河槽寬度確定閘長為40米。

3.2水質凈化工程——河口人工濕地

在灘地表面種植具有性能好，成活率高，抗水性強，生長周期長，美觀及具有經濟價值的水生植物（如菖蒲，蒲草等）形成一個獨特的動植物生態體系，招蘇臺河口上游左岸灘地形成具有水質凈化作用的人工河口濕地，以凈化招蘇臺河上游來污，使此支流排入遼干的水質達到預期標準。

3.3岸坡防護

為鞏固岸線、穩定河勢、減少水土流失，對河道兩岸特別是閘上下游河段的陡坎進行有效的防護，是保證河道防洪安全的必要手段。本次鋼壩閘上下游設計護岸總長度1265m。

4、鋼壩閘設計

4.1壩型確定

鋼壩閘和橡膠壩優點和缺點都很突出，運行管理問題也比較多，從工程投資上看，鋼壩閘略大于橡膠壩。結合本工程的特點，招蘇臺河水質污染狀況比較嚴重，環境條件比較惡劣，鋼壩閘更適合使用在惡劣的環境下，且鋼壩閘門的控制系統埋于地下，不需在地上部分修建管理房，與周圍的環境搭配比較合適，所以本次設計采用鋼壩閘作為水質凈化工程中的攔河蓄水建筑物。

4.2工程布置

在距入遼河匯流口280米處建鋼壩閘，閘長40米，閘高2.5米。此處河道擺動較小，河勢較為穩定，岸線相對順直。壩址上、下游左側灘地寬闊，適宜修建人工濕地。壩址緊鄰昌圖縣通江口鄉后通江村，交通、電力等施工建設條件較好。

4.3鋼壩閘總體布置

4.3.1閘長

招蘇臺河鋼壩閘所在位置的現狀中水河槽寬度是40m，根據主槽地形，為滿足閉門時河道設計行洪要求，并且避免加大開挖或回填，確定鋼壩閘長為40.0m，單跨。

4.3.2閘底板高程

為最大限度地滿足泄洪要求，減少建閘后對河道的淤積影響，保證洪水安全下泄，根據《遼河保護區河道與水環境綜合整治工程建設規劃報告》規劃僅在主槽形成穩定的水面，考慮招蘇臺河多泥沙河流特性，維護河道自然比降不變，以利于行洪和排沙。

根據實際測量數據，河底平均高程在69.5m，因此閘底板高程確定為69.5m。

4.3.3閘頂高程

為保證鋼壩閘蓄水時水面高于現狀左岸灘面，利于形成濕地，且又不宜過高而對右岸耕地（高程72.3～73.2m）及上游的兩家子農場（平均高程73.7m）造成浸沒影響。根據閘址兩側地形條件，閘門過高則對右岸形成大的浸沒影響，閘門過低側左岸濕地灘地平整土方量過大。左側灘地高程在72.0～73.0m，為在左岸形成淺水區，壩頂高程比左岸灘面高0.3～0.5m。在綜合考慮灘地土方平整量、浸沒影響及閘門的運行管理因素，確定鋼壩閘壩頂高程為72.0m。

4.3.4閘基礎處理

閘底基礎開挖根據鋼壩閘設計底板高程按設計厚度下挖至建基面，即為底板設計高程。在混凝土澆筑前應將基礎壓實。如建基面為淤泥和粉砂等軟弱土層，應采用換基措施處理，以保證地基承載力滿足建壩要求，將軟土層全部挖除，用級配砂礫料回填，并壓實要求相對密度不小于0.65。

4.4閘底板設計

4.4.1底板長度

根據鋼壩閘的運行、檢修特點及廠家的設計要求，壩底板長度選定為8.32m。

4.4.2底板厚度 鋼壩閘底板厚度選定為1.0m。

4.5防滲設計

4.5.1上游鋪蓋布置

在底板上游布置鋪蓋，可以增加防滲長度，降低底板滲透壓力，而且能夠防止上游河底沖刷。根據《水閘設計規范》（SL256-2001）等有關規定，鋼壩閘上游鋪蓋長度一般采用上、下游最大水位差的3～5倍，結合閘址處的工程地質資料及正常運行上下游水位關系，綜合確定閘上游鋪蓋長度為8m。在壩上游設置長8m，厚0.5m的鋼筋混凝土鋪蓋。

4.5.2防滲長度校核

按照勃萊法計算閘基所需防滲長度。

擬建鋼壩閘建基于細砂層，根據地質勘察報告，細砂層允許滲透比降建議值為0.10。

計算公式如下： L=C×ΔH

式中：L—閘基所需防滲長度；

C—滲徑系數；

ΔH—上下游水位差。

細砂有濾層時允許滲徑系數值采用9，正常運行時鋼壩閘上下游水位差為2.50m時，閘基所需防滲長度為22.5m；坍壩行洪時上下游水位差均小于2.00m，閘基所需要防滲長度亦小于18.00m。因此，防滲控制長度為22.5m。

上游鋪蓋、閘底板、下游消力池結構分縫處采用橡膠止水帶連接，地下輪廓線總長度為27.3m，滿足防滲要求。鋼壩閘邊墻為鋼筋混凝土結構且有橡膠止水帶連接滿足側向防滲要求。

4.5.3反濾

為進一步加強下游出逸點滲透安全，在消力池海漫下設置反濾土工布，加強出逸點反濾安全，防止土料發生滲透變形。

4.6邊墻及左右護岸連接

閘上游鋼混鋪蓋、閘室、下游消力池兩側邊墻厚600mm，結構型式相同，一側邊墻全長33.55m，邊墻頂部高程左右岸皆為72.6m。邊墻采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻結構，邊墻上下游直角翼墻與兩岸護坡相連接。

4.7集成式控制室

鋼壩閘的啟閉控制設備放置在邊墻后、地面下的集成式控制室內。它是操縱鋼壩閘門啟閉的機電設備及附屬設施的控制及管理維護結構。為了節約投資和方便交通，控制室埋置在閘門兩側邊墻后，室頂高程為72.6m，頂部用200mm厚的鋼混蓋板封住并留進入孔以方便人員進入操控檢修。進入孔尺寸為1.5m×1.2m，上部凸出100mm高的井口，以防止雨水灌入?？刂剖颐娣e為2.6m×9m，控制室墻厚600mm?？刂剖翼敻叱膛c邊墻頂高程一致為72.6m。

4.8消能及防沖計算

4.8.1計算條件

招蘇臺河入遼河口水環境綜合整治工程中鋼壩閘工程的洪水標準為5年一遇。閘址處河底平均高程69.5m，河床主要為中砂。

閘底板高程69.5m，閘高2.5m，閘頂高程72m，設計擋水位為72.3m，允許最高擋水位為72.5m。鋼壩閘為單跨1扇，閘長40.0m。

4.8.2消能防沖計算

（1）泄流能力

閘門直立溢流及閘門放倒過程中溢流按矩形薄壁堰計算過流能力；閘門放下后，按寬頂堰計算過流能力。

式中： Q——堰上流量，m3/s；

m0——流量系數；

b——堰頂寬度，b=40m；

Н0——計入行近流速的堰頂水頭。

不同水位下鋼壩閘的閘頂泄流量見表1。

鋼壩閘落閘后泄流能力計算

落閘后按寬頂堰計算泄流能力，即：

式中：Q—下泄流量，m3/s；

—淹沒系數，=1.0；

—側收縮系數，=0.98；

B—溢流堰寬度，B=40m；

m—流量系數，取m=0.385；

H—計入行近流速的堰頂水頭。

落閘后不同水位下鋼壩閘下泄流量見表2。

（2）消能防沖計算

A.工況分析

當壩頂溢流時，由于泄流能力十分有限，單寬泄量較小，對下游防沖基本沒有影響。當放下閘門時，水流保持原河床行進，水頭差極小，對下游防沖也基本沒有影響。其最不利工況是在鋼壩閘落閘過程中，此時下游水位較小，假定上游水面基本維持不變，擋水水位最高，水頭差最大。

在落閘過程中，上游水位維持不變（最大允許水位為72.5m）時上下游水位差最大，消能防沖計算工況以（hc//-hs）為最大控制。

消能計算控制工況詳見表3。

下游水位按主河槽（平均寬約40.0m，糙率0.025，河道比降0.25‰）計算，當水位從灘地漫流時壩已經全部降下。

從上表4可以看出，落閘過程中，下游水位上升，躍后水深與下游水深之差逐漸減少，控制工況在單跨鋼壩閘坍壩過程中，當鋼壩閘塌至0.5m高時，躍后水深與下游水深之差最大，為控制工況。

C.消力池計算

消力池深度按下式計算

式中：——消力池深度，m；

——水躍淹沒系數，采用1.05；

——出池落差，m；

——出池河床水深，m。

消力池長度按下式計算

式中：——消力池長度，m；

——消力池斜坡段水平投影長度，m；

——水躍長度校正系數，采用0.8；

——水躍長度，m。

消能工長度采用遠驅水躍最大流量所對應的長度。

消力池計算成果詳見表5。

表5 消力池計算結果

水位

（m） 單寬泄量（m3/s.m） 收縮斷面水深

（m） 躍后水深（m） 出口斷面落差

（m） 消力池池深

（m） 消力池長度

（m）

72.5 3 0.494 1.697 0.2 0.5 8.5

根據上表及實際工程經驗，消力池深度設計取值0.5m，考慮與壩底板平順連接，消力池長度取值10.0m。

D.消力池結構

消力池底板厚度按下式計算：

抗沖：

抗浮：

式中：——消力池底板始端厚度，m；

——閘孔泄水時的上、下游水頭差，m；

——消力池底板計算系數，0.15；

——消力池底板安全系數，1.30；

——作用在消力池底板底面的揚壓力，kN；

——作用在消力池底板頂面的水重，kN；

——作用在消力池底板上的脈動壓力，kN；

——消力池底板的飽和重度，kN/m3。

經計算，消力池底板厚度為0.43m，消力池底板設計厚度取0.6m。

E.海漫

海漫長度按下式計算

式中：——海漫長度，m；

——閘上、下游水位差，m；

——海漫長度計算系數，根據河床土壤，K=13；

——消力池末端單寬流量，m3/s.m。

經計算，海漫計算長度為8.95m，設計取值11m。

4.9穩定及結構計算

4.9.1計算工況

以最不利工況：閘門直立擋水時，上游水位72.5m，下游無水（地下水和河底齊平）為計算情況。

4.9.2荷載計算

壩體荷載按1m寬板條計算。

4.9.3閘室抗滑穩定及基底應力計算

抗滑穩定計算公式：

式中：f — 閘基礎底面摩擦系數0.45；

ΣG — 作用于基礎底面上的全部豎向荷載；

ΣH — 作用于壩底板上的全部水平荷載。

閘基底應力計算公式：

式中：A——閘基礎底面面積（m2）；

e——基底應力偏心距（m）；

B——基礎寬度（m）。

正常擋水情況下抗滑穩定計算結果詳見表7，壩底板基底應力計算結果見表6。

上述計算結果表明：閘底板的抗滑穩定、閘底板基底應力不均勻系數小于規范允許值，基底應力小于地基容許承載力，因此閘室是安全的。

5、結語

招蘇臺河鋼壩閘己于2013年5月建成，運行正常。在10.0km河道上非汛期形成連續水面，同時調節和改善城區內的小氣候，將進一步恢復濕地，促進水體循環和凈化，使濕地生態系統及動植物資源得到有效的保護和恢復。對維持濕地生態系統的完整性、穩定性、自然性和多樣性等具有重要作用。

參考文獻：

[1]《防洪標準》（GB50201—94）

[2]《堤防工程設計規范》（GB50286—98）

[3]《鋼壩閘技術規范》（SL227-98）

[4]《水閘設計規范》（SL265-2001）

[5]《水工擋土墻設計規范》（SL379-2007）