鞍山市南沙河橡膠壩改造為液壓壩優化設計

王守嶺,付 衛

(1.遼中區農業技術推廣與行政執法中心, 遼寧 沈陽 110206 ; 2.鞍山市水利局, 遼寧 鞍山 114000)

1 改造工程概況

南沙河發源于千山山脈，河長67 km，流域面積458 km2，是流經鞍山市城區的主要河流，經沈大高速路于遼陽縣入太子河。

工程位于鞍山市勝利路橋上游1110 m處，原橡膠壩設計壩長160.0 m，設計壩高3.4 m，中墩厚0.8 m，泄流凈寬158.4 m，由兩座中墩分成三跨，每跨52.8 m，底板高程23.5 m，為楔塊錨固堵頭式橡膠壩袋。上游鋪蓋、底板、下游消力池、海漫護坦及兩岸翼墻均為C20F200鋼筋混凝土結構。工程建于2006年，由于受當時技術條件及橡膠壩固有弱點所限，工程運行后，未到使用年限便經歷破損修復再破損又修復的過程，造成維修及維護費用過高，每年需維養費用10萬元。

2 改造分析

2.1 壩型方案比選

南沙河屬山區河流， 原有橡膠壩經多年運行，其堅固性較差，維護費用較高，使用年限較短等缺點己顯現，如采取更換壩袋更新充排水管路及機電設備，顯然己無法滿足河道對壩體的需求，沒有投資價值[1]。 對不同壩型性能對比分析(見表1)可知，鋼壩閘和液壓升降壩景觀效果都很好，但由于前者造價較高，不適合區域經濟情況，因此液壓壩成為本地區蓄水造景美化城區環境的首選。

表1 各壩型性能對比

2.2 改造工程的優勢

2.2.1 工程范圍小投資少

由于改造工程沿用原有橡膠壩工程基礎底板，只在原消力池斜坡段新建液壓壩底板基礎，且長度只有十余米，因此無需拆除底板及開挖回填土方，節省大量鋼筋混凝土等建筑材料，比較同等規模攔河工程，土建工程規模較小，節省大量人力物力財力[2]。避免了拆除重建造成的資源浪費及重復投資，改造工程在節省投資方面效果顯著。

2.2.2 施工簡便工期短

與新建工程相比，改造工程省去了較多耗工耗時的施工程序，只要做好新澆筑底板與原消力池底板的結合處理及壩體安裝調試等工序，即可達到工程使用要求，因此施工簡單易行，可最大程度地縮短工期，不會影響防洪度汛[3]。

2.2.3 運行管理方便

液壓壩只需2～3 min即可完成升降壩過程，啟閉速度快，故障率低，節約維護費用。設備利用集成液壓系統控制，自動化程度高，并可根據工程需要實現網絡遠程控制，更加便于安全運行及管理[4]。

3 液壓升降壩工程優化設計與技術措施

3.1 設計理念與原則

改造工程以提高城市防洪標準恢復自然生態環境為設計理念，在保障河道防洪安全的前提下，形成自然和諧的水環境，完善城市功能，提高城市品質。在具體實施上遵循防洪兼顧蓄水、經濟合理可行的原則，建成集蓄水綠化美化為一體的生態景觀帶，助力旅游及人文產業，帶動區域社會經濟發展[5]。

3.2 液壓升降壩總體布置

3.2.1 工程優化設計

(1)壩底板高程的確定。考慮南沙河多沙的河流特性，工程為最大限度地滿足泄洪要求并減少河道的淤積，以利于汛期行洪排沙，根據實際測量數據，河底平均高程為23.2 m，因此新建底板高程與其保持一致，低于原橡膠壩底板高程0.3 m，臥壩后壩體表面與原底板高度齊平，更利于泄洪時排沙清淤。

(2)單扇壩寬的確定。原壩址軸線長度為160.0 m，新建基礎總寬不變。液壓壩的單扇經濟壩寬在5.0～7.0 m，考慮到壩體過寬易變型影響止水效果，因此確定閘門單扇寬度為5.0 m，共32扇。

(3)壩頂高程的確定。 為解決原橡膠壩工程設計高度偏低，造成上游回水長度不足的問題，保證改造工程蓄水后水面高于左岸灘面形成淺水區，又不宜過高而對右岸耕地造成浸沒影響，根據壩址兩側地形條件，滿足主河槽形成穩定的回水面積及保證安全的下泄流量[1]最后確定閘頂高程為27.0 m，即閘門高度為3.8 m。

(4)閘底板設計。根據液壓壩的安全運行、檢修特點及廠家的設計要求，確定新建底板厚度為1.4 m，長度為12.9 m，其中包括水平段8.0 m，斜坡段4.9 m，坡比采用1∶ 3.5。

3.2.2 液壓壩操作間

原橡膠壩泵房利用原結構，經拆除機電設備后改造為液壓壩操作間，將64根(每扇閘門2根)液壓油管經底板預留油槽引至操作間內液壓泵，主控電腦及其他設備按要求布置，油槽內油管經防水處理后填筑二期混凝土封堵，以利于后期檢修。

3.3 改造施工技術措施

(1)原消力池底板結合面鑿毛處理后，按設計方案配筋間距鉆孔，孔內預埋錨筋，達到規定強度后，與新布設的鋼筋網焊接，預埋壩體液壓桿基座固定螺栓后澆筑混凝土，保證新澆底板整體結構更加穩定。

(2)混凝土的高程、斷面尺寸及預埋螺栓位置符合圖紙設計尺寸，各部位錨栓經調整后與支架焊牢，避免澆混凝土過程中發生位移。

(3)埋件安裝完成后，經檢查合格及時澆筑混凝土，拆模后根據土建移交的閘軸線復測，有問題及時調整并做好記錄，以免影響壩體安裝[1]。

(4) 底板采用分縫澆筑，單塊寬10.0 m，縫寬2 cm，采用木板瀝青填縫，縫間設置651型橡膠止水帶，滿足裂縫控制及防止不均勻沉降。

(5)兩岸翼墻與壩體側止水結合處采用白鋼板護面，用以減小磨擦及增強止水效果。

(6)原底板兩處中墩采取機械加人工的辦法拆除，避免對底板結構的破壞，基底清理后將裸露鋼筋對接補焊澆筑混凝土，凝固達到強度后清除接縫處混凝土，經磨光處理平緩過渡。

4 改造工程功能復核

4.1 閘室穩定計算

根據設計規范，閘室穩定計算宜取相鄰順水流方向永久縫之間的閘段寬度作為計算單元，故本工程選取10 m作受力單元計算[2]。

閘室基底應力采用式(1)～式(2)計算:

(1)

(2)

式中：σmax(min)為閘室基底應力的最大(小)值，kPa;∑G為作用于閘室上的全部豎向荷載, kN;∑M為作用于閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩， kN·m;A為閘室基底面的面積，m2;W為閘室基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3;η為閘室基底不均勻系數。

抗滑穩定安全系數采用式(3)計算

Kc=f(∑G)/(∑H)

(3)

式中:Kc為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(取值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。

計算結果見表2。

表2 穩定計算結果

由表2中數據可知，基底應力不均勻系數小于允許值，而抗滑穩定系數大于允許值，因此工程滿足穩定性要求。

4.2 消能工況尺寸復核

當壩頂溢流時泄水量較小，泄流能力有限，對防沖基本沒有影響。閘門臥壩后水流在河床行進時水頭差小，對下游防沖也基本沒有影響。其最不利工況是在液壓壩蓄水后降壩過程中，故可按壩面與立面呈20°、40°、60°三種工況復核，由表3可知，工程滿足消能防沖要求。

表3 消能成果計算對比 m

5 改造后工程運行情況

工程運行蓄水后，形成最大水深3.3 m、蓄水面積40 hm2、回水長度2300 m的人工湖面，增加了本地區水容量和空氣濕度，改善了本地區局地小氣候，促進了生態河道的建設，美化了城市環境，成為鋼城市民休閑娛樂健身的好去處，實現了良好的經濟效益和社會效益。工程運行后，閘門啟閉自如，升降迅速，經歷過多次泄洪考驗，運行狀況良好。

6 結 語

攔河閘壩是河道蓄水抬高水位所必需的水工建筑物，隨著城市河道治理對景觀性以及安全性的要求不斷提高，許多新型壩閘得到了廣泛應用。本次改造工程充分利用原工程建筑基礎，只作少量改進以適應新壩型，降低工程投資縮短工期的同時，節約了運行管理等費用，取得了較好的社會效益及生態效益，可為類似工程提供借鑒。