渭河楊凌段水景觀工程氣動(dòng)盾形閘壩設(shè)計(jì)

楊 珂,呂 琦,王 凡,張 博,高 珍

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概況

渭河楊凌示范區(qū)河道水面及灘面整治植綠工程(以下簡(jiǎn)稱渭河水面景觀工程)位于陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)渭河干流上，主要任務(wù)是在保障渭河防洪安全的前提下，對(duì)工程區(qū)河道進(jìn)行綜合整治，營(yíng)造城市生態(tài)蓄水景觀，改善城市區(qū)域水生態(tài)環(huán)境，提升城市生活品質(zhì)。工程主要包括5孔氣動(dòng)盾形閘工程、左岸護(hù)灘工程、右岸護(hù)灘工程、河道疏浚工程及泵站工程。

本工程屬于Ⅳ等小(1)型；主要建筑物4級(jí)，次要建筑物均為5級(jí)。主體工程為5孔氣動(dòng)盾形閘壩，單孔閘壩過(guò)流寬度90 m，5孔合計(jì)450 m寬，閘壩擋水高3 m，閘室段過(guò)流面高程為435.50 m，壩頂高程為439.50 m，壩頂長(zhǎng)度合計(jì)461.60 m。正常蓄水位(438.50 m)庫(kù)區(qū)回水長(zhǎng)度約3 750 m，水域面積168.3 hm2(2 524畝)。本工程壩址下游約4.152 km處已建有2號(hào)橡膠壩，回水與氣動(dòng)盾形閘壩相接，形成連續(xù)水面。工程于2017年9月8日蓄水成功。

已建成的楊凌渭河水面景觀工程氣動(dòng)盾形閘壩為目前國(guó)內(nèi)過(guò)流流量最大、跨度最長(zhǎng)及形成水域面積最大的跨河水利工程。

2 設(shè)計(jì)重難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)分析

渭河壩址區(qū)河床寬715.0～870.0 m，多年平均輸沙量總量10 363萬(wàn)t，多年平均推移質(zhì)輸沙量為207萬(wàn)t，是多泥沙河流,具有多泥沙特性和攔河壩大跨度、低水頭等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題主要包括：① 壩型、壩體材料的選擇；② 蓄水區(qū)泥沙淤積問(wèn)題；③ 壩址區(qū)河床左、右側(cè)不對(duì)稱問(wèn)題；④ 汛期泄洪消能問(wèn)題；⑤ 壩體過(guò)流中泥沙對(duì)壩身的影響；⑥ 壩基防滲問(wèn)題；⑦ 長(zhǎng)跨度壩體檢修問(wèn)題。

3 氣盾壩可達(dá)性研究

氣動(dòng)盾形閘壩的可達(dá)性主要是對(duì)渭河多泥沙、大流量等特性的適應(yīng)性，對(duì)作為城市河流水景觀工程與環(huán)境的協(xié)調(diào)性研究。氣動(dòng)盾形閘壩主要由固定在壩底的弧形鋼制壩板、橡膠氣袋、基礎(chǔ)錨固螺栓和一套氣動(dòng)充排氣系統(tǒng)組成，擋水的弧形鋼壩由6～8 m鋼板拼接而成，鋼板與鋼板之間采用P型止水。氣動(dòng)盾形閘壩采用弧形鋼制壩板擋水，氣囊隱藏在盾板之后支撐鋼板，避免了鋼壩閘和橡膠壩的缺點(diǎn)，兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。

氣動(dòng)盾形閘壩較鋼壩、液壓壩等在汛期斷電情況下，可自行排氣塌壩，且不存在液壓油泄露問(wèn)題，安全性及環(huán)保性能相對(duì)較高。在水景觀、使用壽命、快速塌壩拉沙等功能上強(qiáng)于傳統(tǒng)橡膠壩。對(duì)比國(guó)內(nèi)外氣盾壩技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，該工程選擇國(guó)產(chǎn)氣盾壩壩型，在保證工程質(zhì)量的基礎(chǔ)上，大大降低了工程造價(jià)，滿足工程可達(dá)性要求。

4 氣動(dòng)盾形閘壩設(shè)計(jì)

該工程氣動(dòng)盾形閘布置于渭河的主河床上，上下游由引渠段、閘室段、消力池段、海漫段組成，全長(zhǎng)約192 m左右。壩體布置見圖1、2。

圖1 壩體平面布置圖

圖2 壩體縱剖面圖 單位：cm

4.1 壩址的選擇、閘壩底板高程的確定

該工程在充分考慮了河段整體地形條件、壩址河床地形、地質(zhì)、上游壩址回水，水面景觀以及施工期土方量等因素，滿足上下游河道平順要求，將氣動(dòng)盾形閘壩布置在距已建成2號(hào)橡膠壩約4.152 km處。

根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》要求“壩底板高程應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)、水位、流量、泥沙、施工及檢修條件等確定，宜比上游河床地形平均高程適當(dāng)提高0.3～0.6 m”。由于2號(hào)橡膠壩已建，其過(guò)流面高程為432.70 m，正常蓄水位為436.00 m，立壩時(shí)溢流水位最高為436.50 m左右、塌壩時(shí)按小流量運(yùn)行時(shí)水位為433.50～434.00 m。設(shè)計(jì)過(guò)流面高程考慮到該工程在2號(hào)橡膠壩回水水位下進(jìn)行檢修的要求，綜合考慮以上因素確定渭河水面景觀工程閘壩閘室段底板過(guò)流面高程為435.50 m。

4.2 堰閘段設(shè)計(jì)

氣動(dòng)盾形閘閘室段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)12 m，分5孔，單孔孔口寬90 m，底板以上壩高3 m，泄流總寬為450 m。氣動(dòng)盾形閘中墩為縫敦，厚1.2 m，兩岸邊墻采用扶臂式擋墻結(jié)構(gòu)。閘室段底板厚度1.8～1.6 m，上下游設(shè)計(jì)1.2 m深齒槽、60 cm厚的混凝土防滲墻，左側(cè)深泓段、右側(cè)灘槽段防滲墻基礎(chǔ)深度分別為8.5 m和6 m，防滲墻插入閘室底板混凝土0.2 m(連接部位采用SR柔性填縫材料填充)，防滲墻向兩岸壩肩延長(zhǎng)20 m。堰閘段設(shè)計(jì)剖面見圖3。

考慮到氣動(dòng)盾形閘泄洪流態(tài)、枯期檢修以及導(dǎo)流問(wèn)題，各壩段之間下游布置有中隔墻，承擔(dān)枯水期導(dǎo)流以及后期深泓段、灘地段過(guò)流分割流態(tài)的任務(wù)，中隔墻高2.5 m，順消力池體型布置。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮到大跨度長(zhǎng)距離壩體檢修問(wèn)題，首次采用氣動(dòng)盾形閘門與充氣壩袋分離螺栓錨固體型，可保證分離檢修更換、后期維護(hù)和檢修。

圖3 堰閘段剖面圖 單位：cm

4.3 消能防沖設(shè)計(jì)

氣動(dòng)盾形閘壩立壩蓄水，下泄徑流流量，汛期塌壩泄洪，下泄設(shè)計(jì)洪水。壩體塌壩后，雖不影響泄洪，但在壩址處，由于河床斷面的束窄，已經(jīng)改變了河道天然流態(tài)，同時(shí)不同運(yùn)行工況下水流條件較復(fù)雜，不穩(wěn)定的水流會(huì)引起對(duì)下游河道的沖刷、淘刷，故消能防沖設(shè)計(jì)很有必要。

氣動(dòng)盾形閘采用底流消能，消力池形式為下挖式消力池，總長(zhǎng)43 m，總寬462.00 m。根據(jù)水力學(xué)計(jì)算初步確定坎高為1 m，消力池中部及下游設(shè)置1 m深的齒槽。消力池采用距形斷面，根據(jù)抗沖及抗浮計(jì)算，消力池底板左側(cè)深泓段、右側(cè)灘槽段厚度分別按1.0 m和0.8 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，消力池設(shè)有縱橫向結(jié)構(gòu)縫，縫面設(shè)銅片止水及BW-Ⅱ止水條。為減小消力池底板的厚度，同時(shí)降低消力池底板揚(yáng)壓力，滿足底板抗浮穩(wěn)定要求，消力池底板采用透水底板，設(shè)計(jì)?50 mm排水孔、間排距3.0 m。為了滿足下游消能抗沖要求，消力池末端設(shè)置60 cm厚度的防沖墻，根據(jù)計(jì)算防沖墻深度設(shè)計(jì)底高程為422.50 m(后期根據(jù)水工模型試驗(yàn)成果進(jìn)行局部修改)。防沖墻向兩岸壩肩延長(zhǎng)5 m。消力池后接4.2 m長(zhǎng)的混凝土護(hù)坦及39 m長(zhǎng)的格賓籠石海漫段，護(hù)坦及海漫段寬度與消力池一致均為462.00 m。海漫段后以1∶5的斜坡與下游河床相接。消力池縱剖面見圖4。

結(jié)合以上布置，分別對(duì)不同流量下整體塌壩、立壩，局部塌壩、立壩多種組合進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證。5孔氣動(dòng)盾形閘全部塌壩運(yùn)行時(shí)，壩底板、閘墩對(duì)河道過(guò)流影響較小，樞紐上下游水流流態(tài)及水位仍保持河道水流特性。樞紐上下游水流過(guò)渡平順，水面平穩(wěn)；樞紐上游沒有形成明顯壅水，過(guò)閘水流沒有形成急流和水躍。5孔閘壩部分立壩、部分塌壩運(yùn)行對(duì)壩體上下游水流流態(tài)及流速分布均產(chǎn)生較大影響。5孔閘壩立壩運(yùn)行對(duì)氣動(dòng)盾形閘上下游水流流態(tài)及流速分布影響最大。在各運(yùn)行工況下，護(hù)坦下游均形成不同程度擾動(dòng)沖刷坑，沖刷坑最深點(diǎn)高程430.50 m，最大深度4.50 m。

4.4 基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

在壩基及消力池基礎(chǔ)設(shè)厚度為1.0 m的碎石墊層，以緩解基礎(chǔ)砂礫石不均勻帶來(lái)的基礎(chǔ)變形不協(xié)調(diào)問(wèn)題。

由于砂礫石基礎(chǔ)的承載力相對(duì)較弱，閘室段、消力池段分別采用各3排(上下游方向均布)、深度6 m的?800碎石振沖樁(間距2 m，2～8 cm卵石)以及基礎(chǔ)填筑1 m厚的碎石換填(相對(duì)密度不小于0.75)解決基礎(chǔ)均一性并提高基礎(chǔ)承載能力。

4.5 防滲設(shè)計(jì)

砂礫石基礎(chǔ)相對(duì)透水率較高，為避免基礎(chǔ)滲透破壞，在閘壩混凝土基礎(chǔ)上布置混凝土防滲墻(防滲墻中心線壩下0+000.80 m)，防滲墻厚度為60 cm，左側(cè)深泓段、右側(cè)灘槽段防滲墻基礎(chǔ)深度分別為8.5 m和6 m，向兩岸延伸20 m,沿壩軸線方向總長(zhǎng)度為525.60 m。為保證防滲墻自身結(jié)構(gòu)安全，防滲墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

圖4 消力池縱剖面圖 單位：cm

4.6 充排氣管路布置

壩址區(qū)左岸布置空壓控制站，通過(guò)頂管施工，對(duì)氣動(dòng)盾形閘進(jìn)行充排氣控制。閘壩充排氣泵站設(shè)一套充排氣系統(tǒng)及管路系統(tǒng)，通過(guò)閥門切換來(lái)控制充排氣。閘壩分5個(gè)壩段，每孔壩段長(zhǎng)90 m，每6 m設(shè)計(jì)1個(gè)強(qiáng)化氣袋，每個(gè)強(qiáng)化氣袋采用1個(gè)(4.8 cm直徑的不銹鋼管)充排氣口，450 m長(zhǎng)合計(jì)75個(gè)強(qiáng)化氣袋，共設(shè)3臺(tái)微油螺桿空壓機(jī)(13.4 m3/min、0.7 MPa、75 kW)。

5 運(yùn)行方式

該工程屬城市河流蓄水工程，運(yùn)行時(shí)應(yīng)盡量減少泥沙淤積，并利用洪水過(guò)程有效地沖淤排沙。運(yùn)行原則為：① 工程管理充分利用渭河水情預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)；② 主汛期(7-9月)不蓄水，全河道過(guò)洪；③ 非汛期均立壩蓄水，根據(jù)各月份輸沙量統(tǒng)計(jì)，10月份，1、2號(hào)壩段氣動(dòng)盾形閘塌壩運(yùn)行排沙，3～5號(hào)壩段氣動(dòng)盾形閘立壩運(yùn)行，處于1/3立壩蓄水狀態(tài)，庫(kù)區(qū)景觀水位處于波動(dòng)狀態(tài)，11月-次年3月，泥沙較小，1～5號(hào)壩段氣動(dòng)盾形閘全部立壩運(yùn)行。④ 為確保氣盾壩安全運(yùn)行，壩頂溢流水深控制不超過(guò)0.5 m；⑤ 工程立壩蓄水安排在10月初泥沙減少時(shí)，運(yùn)行原則為10月及11月-次年3月方式。

6 結(jié) 語(yǔ)

該工程為解決防洪、泥沙、景觀及大跨度閘壩控制調(diào)度問(wèn)題，創(chuàng)新性地啟用了氣動(dòng)盾形閘壩，并改進(jìn)以往氣盾壩設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)首次采用氣動(dòng)盾形閘門與充氣壩袋分離螺栓錨固技術(shù)，大大提高后期檢修效率。結(jié)合工程區(qū)主河床左右側(cè)沖刷河道不對(duì)稱性，合理提出防滲及消能方案，同時(shí)提出創(chuàng)新性的塌壩、立壩運(yùn)行方案解決行洪及庫(kù)區(qū)泥沙淤積問(wèn)題。

已建成渭河水面景觀工程氣動(dòng)盾形閘壩為現(xiàn)今中國(guó)過(guò)流流量最大、跨度最長(zhǎng)及形成水域面積最大的跨河水利工程。

該項(xiàng)目要求水利工程建設(shè)在滿足常規(guī)功能的基礎(chǔ)上，還要與城市環(huán)境相協(xié)調(diào)，符合生態(tài)化、景觀化的要求，成為人文景觀。氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)水景觀效果好、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工期短、環(huán)保性強(qiáng)、易于維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠，各方面優(yōu)勢(shì)明顯，為中國(guó)水利工程建設(shè)提供了新的設(shè)計(jì)理念，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益顯著。