液壓升降壩在城南排水渠景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳美華

(江西省水投工程咨詢集團(tuán)有限公司，南昌 330096)

1 工程概況

城南排洪渠沿吉陽(yáng)路至贛江，長(zhǎng)約1.23km，兩岸頂為居民區(qū)，渠道兩邊現(xiàn)狀為漿砌塊石擋墻，擋墻高4-5m，平時(shí)渠內(nèi)水較少，擋墻硬化裸露，渠道景觀性較差，影響城市美觀。因此有必要在城南排洪渠內(nèi)新建一座攔河閘，以保證渠內(nèi)有一定深度的蓄水，形成景觀水面，減少硬化擋墻裸露。當(dāng)新建攔河閘泄水時(shí)，渠內(nèi)水流速較大，可對(duì)淤泥進(jìn)行沖刷，有利于改善渠道淤積問題。

2 攔河閘設(shè)計(jì)方案比選

2.1 工程選址

攔河閘建立主要是為了在渠道內(nèi)形成寬闊水面，改善渠道景觀效果，提升城市美感，因此閘址的選擇偏向渠道下游。根據(jù)地勘報(bào)告，渠道沿線地層變化不大，閘址將從渠道兩岸地形、行洪以及施工可行性等3個(gè)方面確定。城南排洪渠龍華北大道下游段兩岸防洪墻較高，高出現(xiàn)狀地面超過1.5m，閘址選擇在此段行人不易看到，達(dá)不到預(yù)期效果，且該段兩岸為吉陽(yáng)大橋引橋與公路，缺乏有利用地帶開展施工，開工成本很大；龍華北大道上游，渠道頂與道路齊平，道路與渠之間有較寬綠化帶，有利于施工布置及施工作業(yè)開展，因此本次設(shè)計(jì)攔河閘位于龍華北大道上游，考慮新建攔河閘對(duì)龍華北大道橋梁的影響，新建攔河閘選址于橋上游45m，即龍華北大道上游45m處位置。

圖1 攔河閘閘址位置圖

2.3 閘型比選

城南排洪渠的功能是排洪，從防洪考慮，攔河閘應(yīng)具有足夠的泄水能力，新建攔河閘不能影響渠道排洪；從生態(tài)水環(huán)境考慮，攔河閘應(yīng)具有較強(qiáng)的水面污物漂排能力。目前適用于該工程的閘型有平板鋼板閘、液壓翻板閘、液壓升降壩、氣動(dòng)盾形閘門可供選擇。平板鋼閘門跨度偏小，需設(shè)中墩，影響行洪，且平面鋼板閘需要設(shè)置啟閉平臺(tái)，影響城市美觀，不適用于本工程；城南排洪渠上游為山區(qū)河流，上游有大量農(nóng)田，河道內(nèi)樹枝、雜草、雜物等較多，翻板閘門容易卡掛雜物，清污量大，同時(shí)影響城市景觀和運(yùn)行安全，也不適用于該工程。因此，該工程擬對(duì)液壓升降壩、氣動(dòng)盾形閘門兩種壩型進(jìn)行比較。

2.3.1 液壓升降壩

液壓升降壩是近幾年出現(xiàn)的一種新活動(dòng)壩型，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠；壩面放倒后，活動(dòng)壩面緊貼河床，過流能力強(qiáng)；上游有漂浮物時(shí)，只要操控一下液壓系統(tǒng)，即可輕松地沖掉，漂排能力強(qiáng)；上游水量較大時(shí)形成瀑布景觀和水簾長(zhǎng)廊景觀。液壓升降壩具有象橡膠壩一樣緊貼河床而不阻水；像翻板閘一樣自動(dòng)放壩行洪，任意保持水位高度；像水閘一樣堅(jiān)固耐用[1-3]。

2.3.2 氣動(dòng)盾形閘門

氣動(dòng)盾形閘門是結(jié)合傳統(tǒng)鋼閘門及橡膠壩的特點(diǎn)研發(fā)出來的新產(chǎn)品。氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)主要有鋼閘門、氣袋、埋件、空氣壓縮系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。是利用空氣的壓縮原理，通過對(duì)氣袋的充氣和排氣，使閘門升起和倒伏。維持特定的水位高度，可在設(shè)計(jì)水位內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意水位高度的調(diào)節(jié)。氣動(dòng)閘維持河道凈寬，過流能力強(qiáng)；氣動(dòng)閘安全性能高完全倒伏不影響泄洪，在斷電時(shí)仍可通過手動(dòng)緊急排放氣袋內(nèi)空氣實(shí)現(xiàn)安全泄洪；氣動(dòng)閘模塊化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模塊重量輕，使制造方便、安裝省時(shí)；氣動(dòng)閘維修方便，整體安裝和維修費(fèi)用低；氣動(dòng)閘運(yùn)行簡(jiǎn)單方便，既可自動(dòng)控制，又可手動(dòng)操作[4-5]。

從投資上來看液壓升降壩、氣動(dòng)盾形閘門兩種方案布置的主要建筑工程投資相差不大，主要為設(shè)備投資，經(jīng)廠家提供報(bào)價(jià)，液壓升降壩設(shè)備投資為77 萬(wàn)，氣動(dòng)盾形閘門設(shè)備投資為88 萬(wàn)，氣動(dòng)盾形閘門比液壓升降壩投資多11 萬(wàn)。

從施工上來看，兩種壩型土建施工相差不大，設(shè)備安裝由廠家專門派技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，兩種壩均較容易施工。

從后期運(yùn)行管理上看，液壓升降壩與氣盾壩兩種方案安裝與后期維修均較簡(jiǎn)單，但氣盾壩閘門關(guān)閉時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)鋼板后的氣囊壓力不一致時(shí)，可引起鋼板之間的密封止水受拉，運(yùn)行多年后易發(fā)生漏水現(xiàn)象。

經(jīng)綜合比較兩種閘壩形式的優(yōu)劣，為了便于后期的運(yùn)行管理，本工程攔河閘型式擬采用液壓升降壩方案。

3 液壓升降壩布置

新建攔河閘盡量增加蓄水面積，減少擋墻裸露，回水位置能夠到達(dá)城南排洪渠北渠，攔河閘壩址處擋墻頂高程為49.3m，設(shè)計(jì)攔河閘頂高程低于擋墻頂0.8m，故本次設(shè)計(jì)攔河閘頂高程為48.5m。

液壓升降壩呈“一”字形布置，由溢流堰、左右岸邊墻、管理房等組成。混凝土溢流堰的溢流寬度按渠寬度確定為10m。混凝土溢流堰下游設(shè)消力池，兩岸與邊墻相接，右岸岸頂設(shè)管理房。溢流堰采用寬頂堰，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)7.4m，堰頂高程45.00m，長(zhǎng)10m，擋水高度3.5m，液壓升降壩壩頂高程48.5m，閘底板結(jié)構(gòu)形式為C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，溢流堰上擬布置2 扇閘門，凈寬10m。

該工程運(yùn)行調(diào)度方式為：當(dāng)液壓升降壩壩頂水頭為0.3m 時(shí)，即壩上游水位高于48.80m，下泄流量>2.55m3/s 時(shí)，閘門開啟泄洪，此時(shí)水閘下泄流量瞬間變大，溢流壩采用底流式消能，消能防沖設(shè)施為消力池。消力池底板高程為44.5m，底板厚0.5m，池長(zhǎng)10m，池深0.5m，消力池采用C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

根據(jù)廠家圖紙布置設(shè)備控制檢修要求，在攔河閘右側(cè)布置啟閉管理房，管理房尺寸為5×3.5m。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 液壓升降壩過流能力計(jì)算

城南排洪渠設(shè)計(jì)20a一遇洪水流量為78.3 m3/s，水閘下游水深為5.1m。本次設(shè)計(jì)水閘為液壓升降壩，當(dāng)水閘打開時(shí)為開敞式平底閘，水閘過流能力按寬頂堰計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)水閘過水流量為78.3 m3/s 時(shí)，水閘上游水深為5.11m，水位為50.11m，渠頂高程為50.66m，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 液壓升降壩消能計(jì)算

液壓升降壩運(yùn)行調(diào)度方式為：當(dāng)液壓升降壩上游水位高于壩頂0.3m，即水位為48.80m 時(shí)，開啟閘門，宣泄洪水，因此考慮兩種工況對(duì)閘壩進(jìn)行消能防沖計(jì)算。

圖2 液壓升降壩縱剖面圖

工況一：水閘未開啟，壩頂水位為48.80m 時(shí)，即壩頂水頭為0.3m 時(shí)，下泄流量為2.55m3/s。液壓升降壩消能計(jì)算采用單級(jí)跌水消力池計(jì)算公式計(jì)算，計(jì)算成果見表1。

表1 工況一消力池計(jì)算成果表

工況二：當(dāng)壩頂水頭剛剛超過0.3m時(shí)，水閘開啟泄洪，液壓升降壩消能計(jì)算采用底流消能公式計(jì)算。

表2 工況二消力池計(jì)算成果表

根據(jù)表1、表2 計(jì)算結(jié)果，本次設(shè)計(jì)消力池底板厚0.5m，池長(zhǎng)10m，池深0.5m，消力池采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4.3 液壓升降壩滲流計(jì)算

滲徑長(zhǎng)度計(jì)算以正常蓄水位為控制條件，即水位為48.50m 時(shí)，壩地基為強(qiáng)風(fēng)化巖基，如下：

L=C·ΔH

(1)

式中：L為壩基防滲長(zhǎng)度，m；C為滲徑系數(shù)，取C=4；ΔH為上下游水位差，m；L=4×3.5=14.0m。

本次設(shè)計(jì)布置滲徑長(zhǎng)度18.3m，防滲范圍內(nèi)的伸縮縫均設(shè)止水，滲流計(jì)算按直線法計(jì)算滲透壓力和滲透坡降。

滲透坡降：J=H/L=3.5/18.3=0.19<[J]=0.50，滿足要求。

4.4 液壓升降壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算

4.4.1 液壓升降壩抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算

1)荷載計(jì)算：

①基本荷載：

a.壩體結(jié)構(gòu)自重；b.土壓力：作用于邊墩背后的填土壓力，按主動(dòng)土壓力計(jì)算。本工程堰壩縱向壩體穩(wěn)定計(jì)算可不考慮土壓力影響；c.靜水壓力：計(jì)算設(shè)計(jì)運(yùn)行工況時(shí)的靜水壓力；d.揚(yáng)壓力；計(jì)算設(shè)計(jì)運(yùn)行工況時(shí)包括滲透壓力和浮托力的揚(yáng)壓力；e.水重力：計(jì)算設(shè)計(jì)運(yùn)行工況時(shí)的水重力。

②荷載組合

a.完建工況：液壓升降壩初建成尚未擋水時(shí)。計(jì)算各部分荷載及其對(duì)壩底面中點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩；b.設(shè)計(jì)運(yùn)行工況：液壓升降壩建成擋水后，當(dāng)水位高于水閘頂高程30cm，即水位為48.80m 時(shí)，計(jì)算各部分荷載及其對(duì)壩底面中點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩。

4.4.2 壩體穩(wěn)定計(jì)算

1)確定計(jì)算單元

取壩體總長(zhǎng)10m 整體計(jì)算。

2)穩(wěn)定計(jì)算

穩(wěn)定計(jì)算包括壩體沿基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定計(jì)算、壩體基底應(yīng)力、基底應(yīng)力不均勻系數(shù)的計(jì)算。本次設(shè)計(jì)液壓升降壩基礎(chǔ)為強(qiáng)風(fēng)化巖，采用閘室沿基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果見表3。

表3 液壓升降壩穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果表

從表3計(jì)算成果可以得出，液壓升降壩在完建工況和運(yùn)行工況下，穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果均滿足。

5 結(jié) 語(yǔ)

為改善城南排洪渠水景觀較差的現(xiàn)狀，通過方案比選，最終確定采用液壓升降壩。液壓升降壩施工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用低；液壓升降壩不怕泥砂淤積，放壩迅速，無阻水性，對(duì)防洪安全無影響；液壓升降壩可做為城市小河道景觀抬水首推壩型。