洛河東湖攔河壩工程選型及設計

霍香麗 田金鋼 王家會

摘要：圍繞洛河東湖建設目標，結合洛河東湖段河道條件，通過研究、論證，從防洪、景觀、運行、使用維護等方面進行綜合權衡，確定了氣動盾形閘壩方案。結合工程的水文、地質情況，進行了洛河東湖攔河壩防滲、防沖、壩體、圍堰、金屬結構、電氣自動化及觀測等設計。所選用的氣盾壩兼具了鋼壩閘與橡膠壩的特點，具有安全、可靠、環保、使用維護方便等優點。

關鍵詞：氣盾壩；工程設計；電氣自動化；安全觀測；洛河東湖

中圖分類號：TV644 文獻標志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.019

1 工程概況

洛河洛陽市區段已經建成9級水面工程，目前洛陽市洛浦公園已經形成“一藍兩綠”的景觀帶。隨著洛陽城市區向東進一步發展，白馬寺經濟帶已初步形成，為把洛陽建成最佳人居城市，配合洛陽水生態文明示范區建設，開發建設東湖，修建東湖攔河壩工程是必要的。該工程主要任務是增加洛河河道攔蓄水量，抬高水位，在可持續補充地下水、保持水生態的同時形成水面景觀，改善兩岸環境，為進行旅游資源開發提供基本條件。其屬中型工程，工程等別為Ⅲ等，其主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。攔河壩工程設計防洪標準采用50a一遇，對應洪峰流量為7880m3/s；校核洪水標準為100a一遇，對應洪峰流量為9770m3/s。壩址位于白馬寺下游（洛河樁號283+415處），工程總長508.0m。

2 攔河壩壩型的選擇

攔河壩工程可供選擇的水工建筑物型式一般有壩和閘。根據河道現狀分析，從防洪的角度出發，在洛河上建固定壩方案無法滿足要求，固定壩方案首先被否定，考慮建活動壩或閘，對翻板門閘壩、平板鋼門閘壩、氣動盾形閘壩3個壩型進行了比較。

2.1 翻板門閘壩

傳統的水力自控翻板閘運行邊界條件要求相當苛刻，尤其在多泥沙河流其運行條件限制因素很多，臨界水位下的拍打損壞、漂浮物導致支鉸破壞等情況將使得其運行保證率低，運行情況不理想，維護也很困難[1]。該工程防洪等級高，對安全運行的可靠性要求極高，故水力自控翻板閘不符合要求。

液壓控制翻板閘是水力自動控制翻板閘門技術改造的升級產品，在一定程度上解決了混凝土材料在翻轉、拍打、受到水流中雜物撞擊時容易損壞的問題。但其需要在閘門后設置數量較多的支承墩結構，閘門開啟泄洪時門體橫臥于水中，門頂與門底處于同時過水狀態，門體等結構會受到復雜的門頂和門底同時通過高速水流的影響，對河道泄洪及河道景觀會有一定程度的影響和破壞，安全性及可靠性也較低。

2.2 平板鋼門閘壩

閘門門體采用鋼結構，利用液壓啟閉機進行操作，控制閘門的開啟泄水和關閉擋水，可分為前傾式、后傾式及上翻式等型式。

前傾式閘門開啟時采用液壓啟閉機控制閘門門體向上游前傾至幾乎完全平臥于河道底面，不會影響河道景觀，閘門底部參與泄洪，形成沖沙閘孔，沖淤效果較為明顯，但閘門前堆積體積較大的雜物時易造成卡阻，檢修條件不好。

后傾式閘門開啟時采用液壓啟閉機控制閘門門體向下游方向后傾至幾乎完全平臥于河道底面，其受閘前泥沙及雜物等的影響較小，不會影響河道景觀。閘門在關閉擋水狀態時，上游水壓力所產生的向下游傾倒的力只能夠完全依靠液壓啟閉機的活塞桿產生的向上的推力來克服，使得啟閉機設備長期處于帶負荷工作狀態，長久運行對液壓桿及啟閉設備的其他相關機構較為不利[2]。當上游水壓力較大時，鎖定裝置可能會出現打不開的情況，存在一定的安全隱患，鎖定裝置加裝后必須依賴電力進行解鎖，當控制系統完全失電時手動進行解鎖比較困難和復雜，閘門檢修條件不好。

上翻式閘門開啟時采用液壓啟閉機控制閘門門體上翻至一定高度以打開閘門孔口泄放水流，其支承結構為閘門鋼結構支臂及設置于閘墩側墻上的支承鉸。受工程建設條件的限制，該工程采用低堰高閘方案，要求閘門高度大才能滿足防洪要求，而這種閘門型式的運行方式則要求布置很大功率的啟閉設備，不便于閘門的同步運行，閘門舉起時影響河道景觀。

2.3 氣動盾形閘壩

氣動盾形閘壩為引自美國的新型產品，其各個部件均為預制部件，安裝工期短；盾板及氣囊模塊化，便于修復[3]。目前國內已投入運行的氣動盾形閘壩閘門高度為2.5～3.0m。東湖攔河壩工程設計壩高6.0m，其規模在國內是最大的，可為以后相似工程設計提供借鑒。

氣動盾形閘壩由鋼結構的盾形門板、充氣壩袋、空壓系統和閘門控制系統等組成。利用空氣壓縮的原理，通過氣袋的充氣與排氣，使閘門升起和倒伏，維持特定的水位，并可在設計水位內實現任意水位高度的調節。擋水時的支承結構主要為充氣壩袋，整套氣動閘系統可由若干模塊化的鋼盾板及氣袋組合而成，攔河寬度不受限制，且中間不需要設置閘墩及支墩結構，泄水面幾乎與河道寬度一致，對河道泄水幾乎不產生影響，可實現大面積高效率泄水，且不影響河道景觀效果，不影響河道的通航過船。氣動閘盾形門體和閘底鉸鏈的設計亦使得泥沙、樹枝、冰塊、浮木及其他雜物容易流過，不易造成阻塞[4]。氣動閘的門體加筋板兼導流功能，可平順水流并減少沖刷。使用的氣袋以壓縮干凈空氣作為驅動，沒有任何機械用油，不會造成水體和周圍環境的污染，環保性能較好。氣動閘完全倒伏時不影響泄洪，可通過手動緊急排放氣袋內的空氣實現安全泄洪。氣動閘采用組合式設計，模塊單元各自獨立，結構簡單，質量輕，不需要大中型起重設備，安裝較為省時省力。氣動閘故障率較低，且維修方便，不需要整體系統更換。氣動閘門不需要啟閉機械等設備，對土建基礎要求不高，只需簡單地基，不需設置中間閘墩或設少量中墩，對河道泄洪有利。

從景觀、運行、維護等方面綜合考慮，推薦采用氣動盾形閘壩（見圖1）。

3 攔河壩工程設計

3.1 工程設計

攔河壩工程總長度為508.0m，由氣盾壩段和固定堰段兩部分組成，其中氣盾壩段長度為278.0m，兩側固定堰總長230.0m（其中左側固定堰長80.0m，右側固定堰長150.0m）。工程主要包括上游防滲段、氣盾壩段、下游消能段、海漫段和控制室5部分。

（1）上游防滲段。壩底板上游防滲采用水平黏土防滲鋪蓋（黏土加土工膜）、高噴灌漿防滲墻以及水平混凝土鋪蓋[5]。

水平黏土防滲鋪蓋厚80cm，上下游鋪設長度為80m，垂直水流方向寬度為274.0m，頂面高程109.0m，末端以及兩側以1：5坡比過渡到110.8m高程。采用黏土分層壓實，壓實度為0.920

高噴灌漿防滲墻位于水平黏土防滲鋪蓋下游端，深度15.0m，垂直水流方向寬度為398.0m，單排孔，孔距1.0m。高噴灌漿采用旋擺搭接方式，分為兩序孔施工：先灌注一序孔，孔中心距為2.0m，采用旋噴施工；再灌注二序孔，采用擺噴施工，終孔中心距為1.0m。

水平混凝土鋪蓋位于閘室底板上游，順水流方向長18.0m，垂直水流方向寬度為274.0m，厚度為60cm。采用C25鋼筋混凝土，每10.0m設一道伸縮縫，縫內設橡膠止水帶，采用閉孔低發聚乙烯板填縫。

鋪蓋段兩岸邊坡坡比為1：3，與親水平臺（高程119.0m）相連，高程117.0m以下采用現澆C20混凝土板護砌，板塊3m×2m（水平長×斜坡長），混凝土板厚度為15cm。混凝土板接縫寬8cm，其間填充無砂混凝土，縱橫縫底部鋪設40cm寬的反濾布（300g/m2），下設10cm厚粗砂墊層；高程117.0m至119.0m采用生態種植池駁岸，種植池采用C25鋼筋混凝土，壁厚20cm，種植池內設天然置石與種植土；坡腳設C20混凝土齒墻，齒墻深2.5m，齒墻均采用仰斜式，坡比1：0.5，厚度50.0cm。上游與護坡連接部分采用圓弧式翼墻布置，圓弧段長38.64m，圓弧內半徑為24.6m，圓心角為900，翼墻高度為8.2m，采用C25鋼筋混凝土扶壁式擋土墻。

（2）氣盾壩段布置。氣盾壩分為3跨，每跨凈長90m，兩邊墩及兩中墩厚均為2.0m，氣盾壩高度為6m，壩頂最大溢流深度0.5m。壩底板厚度為4.5～2.8m，采用C25鋼筋混凝土，每10.0m設一道伸縮縫，縫寬2cm，縫內設橡膠止水帶和低發閉孔聚乙烯板。閘墩厚2.0m，閘墩高7.0～8.7m，采用C25鋼筋混凝土結構，邊墩頂設青石欄桿，欄桿高1.0m。

（3）下游消能防沖布置。氣盾壩下游布置消能防沖設施，包括消力池段、海漫段，順水流方向長87.5m，垂直水流方向寬274.0m。

消力池段總長47.5m，包含陡坡段和水平段兩部分，其中陡坡段水平投影長16.0m，底板高程110.8m到106.8m，坡比1：4，底板厚1.0m，陡坡末端設齒墻，墻深2.8m，厚1.5m；水平段長度30m，池深2.0m，底板厚1.0m，底板下游設齒坎，坎高2.0m，坎厚1.5m，深1.3m。陡坡和水平段材料均采用C25現澆鋼筋混凝土，下鋪設10cm厚C15混凝土墊層、針刺無紡布一層、10cm厚粗砂墊層。

消力池陡坡段和水平段邊墻頂高程118.0～116.0m，墻高7.2～9.2m，采用扶壁式擋土墻。

消力池后海漫段垂直水流方向長274.0m，順水流方向長40.0m，包含15m長漿砌石段、15m長干砌石海漫段、10m長拋石防沖槽段。漿砌石和干砌石厚度均為60cm，防沖槽深2.5m。

在海漫段采用圓弧翼墻與邊灘連接，翼墻后邊灘與主槽采用1：3邊坡連接。兩岸翼墻采用圓弧布置，下游與護坡連接，翼墻高7.2m，采用C25鋼筋混凝土擋土墻；下段采用邊坡坡比為1：3的混凝土護坡，與親水平臺連接，護砌高度7.2m、厚度15cmo

（4）固定堰。固定堰總長230.0m，左側固定堰長80.0m（其中預留船閘段長20m，采用黏土回填），右側固定堰長150.0m，堰頂高程為120.5～119.0m。固定堰采用兩種型式：一種為高固定堰，左岸布置長60m，右岸布置長40m，堰高7.2m，固定堰頂寬1.0m，上下游寬10.0m；另一種為低固定堰，右岸布置長110m，堰高3.0m，固定堰頂寬1.0m，上下游寬5.0m。兩岸采用扶壁式擋土墻和護坡與灘地連接，在翼墻范圍內固定堰上下游采用鉸接連鎖混凝土塊護面。

（5）控制室。根據東湖攔河壩的控制與管理要求，在攔河氣盾壩工程位置左岸設控制室一座，其建筑面積為500m2。

3.2 金屬結構及電氣自動化設計[6]

（1）金屬結構。氣盾閘門規格尺寸為270m×6m（寬×高），分為3跨，每跨凈長90m，設計水頭為6.5m。閘門及埋件外露金屬材料部分均采用不銹鋼材料，支承結構采用雙氣袋支承，考慮制造、安裝及運輸等因素，門體分節制造安裝及運輸，單節門體寬度為10m，門體共分為27節，運行條件為動水啟閉。

（2）機電。該工程用電負荷為二級負荷，設應急備用柴油發電機組一套。工程用電負荷包括3臺75kW氣盾壩用空壓機及500m2管理房照明等用電設施，設一箱式變電站ZBW-500/ 10，電源引自附近10kV高壓電纜。

（3）自動化控制系統。工程以“無人值班，少人值守”為原則進行設計，建立一套遠程工業電視圖像監控系統，實現運行的可視化監控，并通過通信網絡對所屬的氣盾壩及管理所等重要建筑物和主要運行設備實現遠程實時圖像監控、遠程故障和意外情況告警接收處理。

監控系統采用符合國際標準的、開放的、分層分布式的系統結構，分為2個監視層次。第一級監視站層，在左右岸管理所各設置1個工業電視圖像監控服務器及2臺監視主機，全天候實時采集現場圖像信息，包括氣盾壩工況、機電設備運行狀況、庫區圖像信息等，將圖像信息切換給所轄監視終端，并可對圖像切OAR序和周期進行編程控制。第二級現地控制單元層，根據建筑物的布置及數量，該工程工業電視圖像系統共設置20個現地圖像監控單元，包含氣盾壩及管理所等重要位置。

3.3 觀測設計

該工程安全觀測內容主要包括水位觀測、位移觀測和滲流觀測三方面，均采用自動化監測。根據需要工程自動觀測的水位、位移及滲流觀測點共16個，由于觀測點不多，因此無須采用單獨的計算機數據采集系統，利用水位計和滲壓計的智能儀表輸出4～20mA模擬信號至啟閉室的計算機監控系統，并在計算機監控系統中編程，對水工建筑物進行安全分析。

4 結語

綜合考慮城市的防洪、景觀、環境保護等要求，結合工程的水文、地質情況進行了洛河東湖攔河壩防滲、防沖、壩體、圍堰、金屬結構、電氣自動化及觀測等設計。所選用的氣盾壩兼具了鋼閘壩與橡膠壩的特點，具有安全、可靠、環保、使用維護方便等優點，壩體工程規模較大，可作為類似工程的參考。

參考文獻：

[1]華東水利學院.水工設計手冊[M].北京：水利電力出版社，1983：50-53.

[2]王明才.下臥式閘門水力特性研究[D].南京：河海大學，2006：56-57.

[3]高本虎.橡膠壩工程技術指南[M].北京：中國水利水電出版社，2006：116-117.

[4]于雪梅，常俊德，于雪楓.齒型堰水力學問題的試驗研究與應用[J].中國農村水利水電，2010（4），40-41.

[5]霍香麗，張世強.引黃入洛隧洞工程設計淺析[J].人民黃河，2011，33（1）：17-22.

[6]王博文，韓昌海.橡膠壩技術及應用[M].北京：中國水利水電出版社，2008：165-172.