氣動(dòng)盾形閘門在河?xùn)|閘加固改造工程中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蔣文健

(江西省水投工程咨詢集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程概況

廣昌縣旴江鎮(zhèn)河堤整治工程位于撫河上游盱江流域，工程區(qū)域?yàn)閺V昌縣盱江回辛村李家上(自然村)至河?xùn)|閘段。

1.1 水閘存在主要問題

河?xùn)|閘位于盱江鎮(zhèn)河堤整治工程治理范圍尾端樁號(hào)K13+900處，堰跨長(zhǎng)234.0 m，共1孔，為自動(dòng)翻板閘，堰頂高程130.70 m，擋水高程為131.90 m，右岸設(shè)置了1孔沖砂閘，寬6.0 m，閘底板高程129.70 m，閘門頂高程為131.90 m。河?xùn)|水閘受興建時(shí)期經(jīng)濟(jì)條件、技術(shù)水平等制約，以及運(yùn)行年代久遠(yuǎn)，翻板閘門出現(xiàn)了較嚴(yán)重的老化，已無法正常翻板開啟。現(xiàn)狀下游無消力池，受水流淘刷，堰體下游部分坍塌，淘空。對(duì)河道行洪帶來很大影響。沖砂閘現(xiàn)狀閘門漏水嚴(yán)重，啟閉設(shè)備損壞無法啟閉，上游淤積嚴(yán)重。

1.2 閘基工程地質(zhì)

閘址上部覆蓋層為粗礫砂和圓礫，其中粗礫砂層厚2.1～7.0 m，層底高程122～124.36 m，具強(qiáng)透水性，粗礫砂下部為圓礫，揭露層厚1.4～3.9 m，層底高程120.46～121.09 m，具強(qiáng)透水性。下伏基巖為第三系紅砂巖，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度1.0～5.7 m，下限高程115.39～119.46 m，巖體完整性較差，具中等透水性。

閘壩基礎(chǔ)坐落于粗礫砂層之上，地基強(qiáng)度滿足上部結(jié)構(gòu)荷載要求，基本不存在沉降變形問題，現(xiàn)已運(yùn)行五十余年，沉降變形現(xiàn)象不明顯；粗礫砂層抗剪強(qiáng)度相對(duì)較高，經(jīng)五十余年運(yùn)行，未出現(xiàn)因抗滑穩(wěn)定引起的潰、垮壩現(xiàn)象，基本不存在抗滑穩(wěn)定問題；閘基下部分布較厚為粗礫砂及圓礫，具強(qiáng)透水性，防滲性差，存在滲漏問題，兩壩肩存在繞壩滲漏問題；閘壩下游河床為粗礫砂和砂卵礫石層，抗沖性差，現(xiàn)狀閘壩右側(cè)河床段護(hù)坦存在損毀、壩基掏空現(xiàn)象。粗礫砂承載力地質(zhì)建議值fk=180 kPa，基礎(chǔ)混凝土與地基的接觸面摩擦系數(shù)μ=0.42。允許不沖刷流速地質(zhì)建議值：強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖V允許=1.3～1.5 m/s，弱風(fēng)化紅砂巖V允許=3.0～3.5 m/s。

2 閘型選擇

河?xùn)|閘結(jié)構(gòu)為固定堰+活動(dòng)閘，固定堰為寬頂堰，活動(dòng)閘為自動(dòng)翻版門，固定堰頂高程為130.70，翻板門長(zhǎng)226 m，高1.2 m，頂高程為131.90 m。本次設(shè)計(jì)更換自動(dòng)翻板門，不改變?cè)l門規(guī)模，閘門高1.2 m。水閘改建后除應(yīng)具有抬水、泄洪能力外，還應(yīng)具備排除水表面漂浮的各種垃圾的能力。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，平面鋼閘門、液壓翻板閘、液壓升降壩以及氣動(dòng)盾型閘門均適合本工程。但是平面鋼閘門單孔寬度較小，本工程河道較寬，須設(shè)多孔閘門，所設(shè)閘墩過多，占用河道過流斷面，對(duì)行洪不利；本河道為山區(qū)性河道，兩岸樹木較多，河道中樹枝較多，選用翻板閘容易被樹枝卡住，不宜選用翻板閘，相比來說，液壓升降壩和氣動(dòng)盾型閘門更適合本工程，因此，設(shè)計(jì)擬對(duì)液壓升降壩和氣動(dòng)盾型閘門兩種閘型進(jìn)行比選[1-3]。

2.1 方案擬定

方案一：液壓升降壩

液壓升降壩系統(tǒng)主要由鋼閘門、液壓設(shè)備、埋件、液壓系統(tǒng)和閘門控制系統(tǒng)組成。攔河閘設(shè)置4孔液壓升降壩，每孔寬55.5 m，壩體中墩厚1.0 m，邊墩厚1.0 m，總長(zhǎng)227 m，呈“一”字形布置。液壓升降壩高1.2 m，為安裝液壓升降壩閘門，需要將原固定堰體表層拆除0.5 m，同時(shí)為安裝液壓升降壩的液壓缸等設(shè)備，局部需要挖深1.2 m。

方案二：氣動(dòng)盾形閘門

氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)主要由鋼閘門、氣袋、埋件、空壓系統(tǒng)和閘門控制系統(tǒng)組成。攔河閘設(shè)置4孔氣動(dòng)盾形閘門，每孔為55.5 m。壩體中墩厚1.0 m，邊墩厚1.0 m，呈“一”字形布置。氣動(dòng)盾形閘門高1.2 m，為安裝氣動(dòng)盾形閘門，需要將原固定堰體表層拆除0.5 m。

2.2 方案比較

方案比較主要從景觀、技術(shù)及經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行比較。

2.2.1 液壓升降壩

液壓升降壩屬新型活動(dòng)壩，利用液壓升降系統(tǒng)升降閘門，閘門后為液壓操縱桿，通過液壓系統(tǒng)帶動(dòng)操縱桿實(shí)現(xiàn)閘門的升降。閘門可平置于河床，無阻水影響。排泄上游漂浮垃圾能力強(qiáng)；閘頂可溢流，形成瀑布景觀和水簾長(zhǎng)廊特色。根據(jù)已建工程運(yùn)行情況來看，液壓升降壩還是存在諸多不足，閘門升起狀態(tài)下，液壓操縱桿暴露于外，景觀效果較差；液壓設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作存在漏油現(xiàn)象，造成后期運(yùn)行費(fèi)用增加及增加運(yùn)行管理難度；布置的閘門扇數(shù)較多，閘門單獨(dú)升降，無法多角度鎖定，易漏水，運(yùn)行管理應(yīng)嚴(yán)格按操作規(guī)程，要求管理人員素質(zhì)較高。

2.2.2 氣動(dòng)盾形閘門

氣動(dòng)盾型閘門兼具傳統(tǒng)鋼閘門與橡膠壩的優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)盾型閘門系統(tǒng)主要由鋼閘門、氣袋、埋件、空氣壓縮系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。和橡膠壩一樣，通過對(duì)壩袋進(jìn)行充氣和排氣，從而實(shí)現(xiàn)閘門升降。氣動(dòng)盾型閘門優(yōu)于橡膠壩的特點(diǎn)在于它可以使閘門保持在特定的高度，在調(diào)節(jié)水位上具有一定的靈活性。氣動(dòng)盾型閘門亦可像橡膠壩一樣在排氣的狀態(tài)下完全倒伏在河床上，對(duì)行洪無不利影響，即使在斷電的情況下也可手動(dòng)排氣，不影響河道過流能力。氣動(dòng)盾型閘門具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材質(zhì)輕，易制造，安裝方便的特點(diǎn)；后期運(yùn)維狀態(tài)下，操作簡(jiǎn)便，特殊情況下可手動(dòng)操作，檢修方便，運(yùn)維費(fèi)用低；根據(jù)已建工程運(yùn)行情況來看，運(yùn)行情況較好。

2.2.3 方案比較

造價(jià)方面：兩種方案造價(jià)相差不大，主要為閘門等主體設(shè)備造價(jià)，經(jīng)廠家提供報(bào)價(jià)，液壓升降壩主體設(shè)備造價(jià)約為660萬，氣動(dòng)盾形閘門主體設(shè)備造價(jià)約為610萬，氣動(dòng)盾形閘門較液壓升降壩比造價(jià)減少約50萬元。

施工方面：兩種方案土建施工相差不大，主要為閘底板等混凝土構(gòu)件澆筑，廠家派駐專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行閘門等設(shè)備的安裝，施工工藝、技術(shù)等相對(duì)較簡(jiǎn)單，但液壓升降壩為安裝液壓缸等設(shè)備，局部需要挖深1.2 m。

后期運(yùn)維管理：氣動(dòng)盾型閘門操作簡(jiǎn)便，特殊情況下可手動(dòng)操作，檢修方便，運(yùn)維費(fèi)用低，根據(jù)已建工程運(yùn)行情況來看，運(yùn)行情況較好；液壓升降壩液壓缸等管路埋在混凝土基礎(chǔ)下，無法檢修，且液壓升降壩每扇閘門單獨(dú)操作，汛期緊急情況下，降壩時(shí)間較氣動(dòng)盾型閘門長(zhǎng)，泄洪方面遜于氣動(dòng)盾型壩。

經(jīng)造價(jià)、施工、運(yùn)維等角度綜合比較，氣動(dòng)盾型閘門優(yōu)于液壓升降壩，故工程閘門型式擬采用氣動(dòng)盾形閘門方案(后面簡(jiǎn)稱為氣盾壩)。

沖砂閘現(xiàn)狀閘門為鑄鐵閘門，閘門尺寸6.0 m×2.2 m(寬×高)，采用雙電動(dòng)螺桿啟閉機(jī)雙吊點(diǎn)啟閉，沖砂閘閘門漏水嚴(yán)重，啟閉設(shè)備無法正常使用。考慮攔河閘采用的是氣動(dòng)盾形閘門，沖砂閘也可采用該閘門，可共用一套控制系統(tǒng)和空氣壓縮系統(tǒng)，同時(shí)無需對(duì)原閘門的啟閉平臺(tái)進(jìn)行維修加固。故本次設(shè)計(jì)沖沙閘更換采用氣動(dòng)盾形閘壩。

3 水閘布置

河?xùn)|閘位于旴江鎮(zhèn)大塘村，坐落于盱江K13+900處。水閘由攔河閘和沖沙閘組成，兩閘呈“一”字形布置，總長(zhǎng)234 m。本次僅對(duì)水閘進(jìn)行除險(xiǎn)加固，故水閘布置基本維持現(xiàn)狀布置。

(1)攔河閘。采用氣動(dòng)盾形閘門，共設(shè)置4孔，每孔寬55.5 m，擋板高1.2 m，中墩厚1.0 m，邊墩厚1.0 m，攔河閘與沖沙閘隔墩厚1 m，總寬227 m。閘門基礎(chǔ)為原固定堰，其高程為130.7 m，閘門頂高程131.9 m。設(shè)計(jì)拆除固定堰0.5 m便于安裝閘門，C30鋼筋混凝土修復(fù)。

(2)沖沙閘。沖沙閘位于河?xùn)|閘右側(cè)，設(shè)置1孔，孔寬6 m，高2.2 m，邊墩厚1.0 m，包含隔墩總寬8 m。閘門底板高程129.7 m，頂高程131.9 m，擋水高度2.2 m，堰前沖沙高程1.0 m。

(3)閘基礎(chǔ)防滲。堰體上游采用高噴灌漿設(shè)置垂直防滲墻底部與巖基相接，頂部與閘底板混凝土底板相接，防滲墻起于水閘左岸5 m處的管理房，止于沖沙閘右岸的公路，防滲墻長(zhǎng)243.5 m。

(4)消力池。水閘下游增設(shè)鋼筋混凝土消力池，消力池長(zhǎng)15 m，寬225 m，池深0.6 m，底板厚0.6 m。

(5)管理房。攔河閘左岸設(shè)置管理房，其尺寸為10.0 m×7.5 m。

4 水閘加固設(shè)計(jì)

(1)攔河閘混凝土堰體處理。原堰體規(guī)模保持不變，本次只對(duì)堰頂溢流面原混凝土基礎(chǔ)表層拆除修復(fù)，厚0.5 m，長(zhǎng)237 m。采用C30鋼筋混凝土修復(fù)。堰體掏空部分采用C25埋石混凝土修補(bǔ)，損壞修復(fù)部分寬150 m，長(zhǎng)6.3 m。

(2)消力池設(shè)計(jì)。氣盾壩運(yùn)行調(diào)度方式為：在洪水期，水位高于132.2 m時(shí)，開啟閘門，宣泄洪水。本輪洪水過后，關(guān)閉閘門蓄水。因此本工程按堰上防洪水位及氣盾壩閘門不同開度工況進(jìn)行消能防沖計(jì)算。消能計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 消力池計(jì)算成果表

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)消力池底板厚0.6 m，池長(zhǎng)15 m，池深0.6 m，消力池采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。底板梅花形布置排水孔，孔排距2.5 m×2.5 m。

(3)閘基礎(chǔ)防滲設(shè)計(jì)。根據(jù)地勘資料，閘基下部分布較厚為粗礫砂及圓礫，強(qiáng)透水性，防滲性差，存在滲漏問題，兩壩肩存在繞壩滲漏問題。

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265—2016)閘基的防滲長(zhǎng)度見式(1)：

L=CΔH

(1)

式中：L為閘基防滲長(zhǎng)度，即閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直長(zhǎng)度的綜合，m；C為允許滲徑系數(shù)值，根據(jù)進(jìn)水閘基礎(chǔ)巖性，取7；ΔH為上、下游水頭差，閘門關(guān)閉，常水位時(shí)取6.08 m。

由上述公式計(jì)算結(jié)果可得，閘基防滲長(zhǎng)度L≥42.56 m，若完全采用水平鋪蓋防滲，順?biāo)鞣较蜾伾w長(zhǎng)度較長(zhǎng)，施工質(zhì)量難以保證，不宜采用水平鋪蓋防滲，設(shè)計(jì)擬采用垂直防滲方案進(jìn)行閘基防滲處理，結(jié)合閘基礎(chǔ)地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)擬采用高噴灌漿防滲墻方案。

水閘基礎(chǔ)采用高噴灌漿防滲墻方案進(jìn)行防滲處理，擺噴，孔距1.2 m。防滲墻起于水閘左岸5 m 處的管理房，止于沖沙閘右岸的公路，防滲墻長(zhǎng)243.5 m。高噴防滲墻布置在溢流堰混凝土底板，與閘底板形成封閉的防滲體系。高噴灌漿防滲墻深入基巖1.0 m，墻體抗壓強(qiáng)度：R28≥5.0 MPa；墻體滲透系數(shù)：K≤1.0×10-6cm/s。

5 結(jié) 語

氣盾壩較液壓升降壩、橡膠壩等具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，地基承載力要求低，投資造價(jià)低，運(yùn)維方便等優(yōu)點(diǎn)，盱江鎮(zhèn)河?xùn)|閘加固改造后，不但恢復(fù)了水閘的防洪、抬水功能，而且形成了優(yōu)美的瀑布景觀，氣盾壩在汛期可迅速塌壩，不影響河道行洪，河?xùn)|閘加固改造設(shè)計(jì)方案合理。