鋼壩閘在長灘寺河生態(tài)建設(shè)工程中的應用

馮健南,趙 飛

(1.河海大學設(shè)計研究院有限公司,南京 210098;2.江蘇永輝水利工程設(shè)計有限公司,江蘇 揚州 225100)

1 背 景

長灘寺河是一條以行洪為主的條帶型山丘區(qū)河道,特點是汛期行洪流量大,河道流速超過2m/s,如采用生態(tài)浮床技術(shù)、挺水、沉水植物等原位治理措施,汛期易被沖毀;非汛期幾乎無水,流速僅有0.01m/s,水動力較弱,污染物易沉積;根據(jù)水環(huán)境治理水質(zhì)凈化方案選擇微生物濾池與鋼壩閘旁路水質(zhì)凈化技術(shù),即,采用鋼壩閘,抬高河道常水位,在鋼壩閘一側(cè)設(shè)置高效微生物濾池,鋼壩閘上游水體自流入微生物濾池,進行深度凈化,通過濾池凈化水體水質(zhì),降低水體中污染物含量,保證出水水質(zhì)達地表Ⅳ類水標準; 剩余水量直接通過鋼壩閘溢流至下游。

通過下游不間斷的水質(zhì)監(jiān)測,一旦發(fā)現(xiàn)水質(zhì)突然惡化等現(xiàn)象,啟動鋼壩閘至東湖下游設(shè)置的泵站,將水抽送至鋼壩閘上游,回流入濾池的凈化系統(tǒng),保障河道水質(zhì)穩(wěn)定[1]。

2 閘型選擇

本工程攔河閘主要作用是抬高水位,為水質(zhì)凈化設(shè)備提供凈化條件,水位抬高后提高水環(huán)境容量,同時考慮長灘寺河行洪要求,需做到結(jié)構(gòu)安全可靠,布置緊湊合理﹑功能齊全,使用靈活方便,并且兼顧景觀效果。

2.1 傳統(tǒng)攔河閘

傳統(tǒng)攔河閘閘型一般有開敞式水閘、涵洞式水閘和胸墻式水閘等三種型式。

開敞式水閘:開敞式,過閘水流呈自由水面,當閘門全部打開時,過閘斷面和過流量都隨著水位抬高而增加,過流不受阻擋,適用泄流較大的河道。

涵洞式水閘:修建在引排水流量不大的河渠上,靠涵洞洞身填土擋水,本工程河道較寬,流量較大,基本不適用。

胸墻式水閘:利用胸墻減少閘門高度,水流通過固定孔洞下泄,自由水面受閘室上部的胸墻所擋,該閘型可降低閘門的高度,從而降低啟閉機平臺高度,由于本工程長灘寺河屬山丘區(qū)河道,泄洪時往往上游會有樹木及雜物等漂浮在水面,基本也不適用。

本工程中適用的傳統(tǒng)閘型為開敞式水閘,但由于本工程位于城區(qū),開敞式水閘具有高排架和啟閉機房,景觀效果較差,不考慮使用[2-4]。

2.2 景觀效果較好的鋼壩閘、橡膠壩

鋼壩閘:鋼壩閘是一種底軸驅(qū)動翻板閘門,由固定底軸的閘門門體、液壓啟閉設(shè)備及配套的土建結(jié)構(gòu)組成[5]。閘室一側(cè)或兩側(cè)的液壓啟閉機驅(qū)動底軸,帶動鋼壩閘閘門轉(zhuǎn)動,用以蓄水或泄水。鋼壩閘整體由上游連接段、閘室控制段、下游連接段組成。閘室側(cè)設(shè)置空箱,內(nèi)置驅(qū)動啟閉機及電氣控制設(shè)備。

橡膠壩:橡膠壩的骨架為高強度合成纖維,內(nèi)外涂敷橡膠保護層,形成橡膠壩壩體,錨固于閘室底板上形成封閉空間。運行時,向壩體袋內(nèi)充水或排水,用以充滿立壩擋水,排空塌壩泄水。橡膠壩整體主要由上游連接段、壩袋主體工程及下游連接段組成。充排水系統(tǒng)布置于閘室兩側(cè)。

兩種壩型在汛期時均可完全臥倒,不影響長灘寺河河道的行洪,立壩時,河道上部無設(shè)施,景觀效果較傳統(tǒng)閘型好,同時也能形成漫水瀑布的效果,遠處看不到建筑物。

鋼壩閘土建結(jié)構(gòu)簡單,景觀效果較好,升壩蓄水、臥壩行洪的方式調(diào)控水流,對地基承載力要求不高;啟閉速度快,不影響河道行洪,能適應山丘區(qū)峰高、量 小、歷時短的洪水特性;隨著國產(chǎn)設(shè)備費用的逐步降低,運行維護成本也相應下降。設(shè)計使用壽命可達50～60a,產(chǎn)品采用集成式啟閉機啟動,啟閉速度可達1～2m/min,3min內(nèi)即可完成升壩或臥壩,突發(fā)洪水時能保證及時泄洪。同時鋼壩閘可根據(jù)業(yè)主對水位的不同需求,可實現(xiàn)0°～90°內(nèi)任意角度調(diào)節(jié)。

橡膠壩每次擋水、排水啟閉時間較長,不利于排澇、行洪時,同時由于本工程河道屬山丘區(qū)河道,塊石易割破氣囊,同時橡膠氣囊長期暴露在外,實際壽命往往小于實驗數(shù)值,橡膠壩壽命一般10～15a。

經(jīng)比選,綜合考慮耐久性,山丘區(qū)河道的洪水特性,使用年限等因素,本工程采用鋼壩閘閘型。

3 鋼壩閘設(shè)計

3.1 水位組合

根據(jù)水文計算,長灘寺河10a一遇設(shè)計流量135m3/s,20a一遇設(shè)計流量177m3/s,鋼壩閘上游保水水位376m,下游水位374m。

表1 鋼壩閘1水位組合表

3.2 總體布置

鋼壩閘位于長灘寺河自生橋上游約250m位置處,布置于長灘寺河上,軸線與長灘寺河順接,控制室布置于工程東側(cè),工程西側(cè)布置凈化系統(tǒng)配套的微生物濾池。鋼壩閘由閘主體、上游鋪蓋、上游海漫、下游消力池、下游海漫、下游防沖槽及上下游翼墻組成。

鋼壩閘底板為C25鋼筋混凝土,上游底板高程374m,閘孔凈寬25m,閘門擋水高度2m;閘底板順水流方向16m,地面高程378m;上游側(cè)布置C25鋼筋混凝土護底,底板高程374m,長10m;護底后接25m長海漫;下游側(cè)布置長12m長消力池,消力池深度1.0m;消力池后接25m長海漫,海漫末端接拋石防沖槽;上下游翼墻均為C25鋼筋混凝土懸臂或扶壁擋墻。上下游海漫均采用200厚C20素混凝土+100厚碎石+100厚黃砂+250g/m2土工布的結(jié)構(gòu)形式。閘室兩側(cè)布置空箱設(shè)備間,內(nèi)布置液壓啟閉機控制。

3.3 工程設(shè)計

1)孔徑核算:當上游水位376.53m,下游水位376.43m時,取設(shè)計流量Q=135m3/s,按實用堰淹沒出流公式計算:

(1)

式中:Q為過閘流量,m3/s;B0為閘孔總凈寬,m;H0為計入行近流速水頭的堰上水深,對于閘前水面較寬的水閘,不應計入行近流速,m;m為晏流流量系數(shù),可近似采用m=0.385;ε為側(cè)收縮系數(shù);H0為包括行近流速水頭在內(nèi)的進口水深,m;g為重力加速度;σ為淹沒系數(shù)。

經(jīng)計算,B0=16.91

當上游水位376.82m,下游水位376.72m時,取校核流量Q=177m3/s,按實用堰淹沒出流公式計算,B0=19.62

2)消能防沖計算:消能水位組合:上游376.82m,下游376.52m;按按《水閘設(shè)計規(guī)范》附錄公式經(jīng)計算:消力池需要的深度為0.15m,消力池長度7.96m,實際采用的池深、池長分別為1.0m、12.0m,滿足要求。消力池厚度根據(jù)抗沖、抗浮要求,經(jīng)計算,消力池底板始端厚度t為0.37m,實際厚度取0.7m,滿足要求。

3)海漫長度計算:海漫長度根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》附錄B.2.1公式:

(2)

式中:KS為海漫長度計算系數(shù),取11;qs為消力池末端單寬流量;△H′為閘孔泄水時的上下游水頭差。

所需海漫長度為23.17m,實際采用25m,滿足要求。

4)防滲計算:上下游最大水位差2.0m,閘基防滲段土質(zhì)為粉質(zhì)黏土,查《水閘設(shè)計規(guī)范》,取滲徑系數(shù)C=9,所需滲徑長度L=18m,實際防滲總長度34m,滿足防滲要求;經(jīng)計算,側(cè)向防滲也滿足要求。

5)閘室穩(wěn)定計算:閘室穩(wěn)定計算公式如下:

(3)

式中:pminmax為閘室基底應力的最大值或最小值,kPa;∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載,kN;∑M為作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩,kN·m;b為計算閘室段的寬度,m;L為底板長度,m;Kc為沿泵室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f為泵室基底面與地基之間的摩擦系數(shù),取0.30;∑H為作用在泵室上的全部水平向荷載,kN。

閘站地基為地基承載能力160kPa,地基綜合摩擦系數(shù)取0.30。閘室穩(wěn)定計算見表2。

表2 鋼壩閘閘室穩(wěn)定計算成果表

由表2可知,鋼壩閘閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、不均勻系數(shù)及地基承載能力均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

鋼壩閘是一種新的閘型,主要優(yōu)點有新穎、美觀和實用,隨著社會經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展,大跨度、低水頭的攔河閘壩發(fā)展迅速,鋼壩閘在城市景觀河道治理中的應用越來越廣泛,文章通過對岳池縣長灘寺河生態(tài)建設(shè)工程的攔河閘的閘型比選及鋼壩閘的設(shè)計應用的介紹,鋼壩閘不僅具有生態(tài)景觀功能,同時也為山丘區(qū)河道的旁路水質(zhì)凈化提供條件,可為類似工程提供借鑒。