底鉸式鋼閘門在河道景觀工程中的運用

羅 希 雍 婷 劉 剛 譚 丹

(中工武大設(shè)計研究有限公司,湖北武漢 430072)

底鉸式鋼閘門俗稱鋼壩,作為一種新的壩型相對傳統(tǒng)壩型具有諸多優(yōu)點[1],近年來逐漸在城市用水及景觀建設(shè)工程中得到推廣和運用[2-4],但目前鋼壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范和標準,還需要在工程實踐中進一步的研究和探討。

1 工程概況

天河城區(qū)水景建筑物工程位于鄖西縣城關(guān)鎮(zhèn)天河流域,其主要設(shè)計內(nèi)容為工業(yè)園區(qū)河段修建擋水建筑物,營造人工景觀水面。擋水建筑物等級為 4級,工程選址處河寬142.50 m,河底平均高程236.50 m,河岸高程 241.00 m。正常擋水位239.80 m,設(shè)計洪水標準采用 20 a一遇,設(shè)計流量1661 m3/s。

2 工程地質(zhì)

工程區(qū)地勢平坦開闊,河道中的主要地層為卵石混合土和強、中、弱風化粘土巖,擋水建筑物基礎(chǔ)持力層為卵石混合土,允許承載力為 350 k P a,基底摩擦系數(shù)0.5。工程區(qū)地下水主要為潛水,局部略具承壓性,主要富存于卵石混合土中,水量豐富。天河主河道的河水及地下水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性,對鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕性,對鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。地震基本烈度為Ⅵ度。

3 方案比選

由于天河是山區(qū)性河流,水位陡漲陡落,洪水期來水量大,河流中石塊較多,考慮到運行管理和擋水建筑物結(jié)構(gòu)安全等因素,選擇翻板壩和鋼壩兩種型式進行方案比較。

(1)翻板壩方案。水力自控翻板閘門高2.5 m,閘頂高程239.80 m。翻板閘門分 7段布置,每段長19.0 m,兩段間設(shè)置 1.0 m隔墩,順水流長度為10.0 m。考慮河道來沙量大,為防止壩底板淤積,壩底板頂面高程設(shè)為237.30 m,并于左岸設(shè)置單孔沖砂閘。沖砂閘孔凈寬4.9 m,閘底板頂面高程236.50 m,順水流向長度10.0 m,沖砂閘與翻板壩間設(shè)1.0 m厚隔墩。

(2)鋼壩方案。閘門高3.0 m,擋水水位(景觀水位)239.80 m,共 4跨,每跨長 31.0 m,中墩及兩岸邊墩內(nèi)設(shè)啟閉設(shè)備室,壩底板頂面高程236.80 m。

下面從功能、泄洪能力、運行、造價等方面對這兩種方案進行了比較。

(1)景觀要求。二者均能形成景觀需要水面,但鋼壩形成的水面效果更加美觀。

(2)泄洪能力。泄洪時,翻板壩方案的閘門及其支撐結(jié)構(gòu)會對斷面過水能力產(chǎn)生較大的影響。經(jīng)計算,在設(shè)計流量為 1661 m3/s的情況下,翻板壩和鋼壩方案上游設(shè)計水位分別為241.80 m和240.80 m?？梢姺鍓畏桨感购槟芰^差,通過設(shè)計流量時相對鋼壩方案使上游水位壅高1.0 m,需加高上游的堤防,增加了工程總投資。

(3)運行管理。兩種方案均能通過控制液壓設(shè)備實現(xiàn)啟閉,自動化程度高,運行簡單可靠,管理方便。但翻板壩容易受到泥沙淤積或漂浮物的影響,導(dǎo)致翻板閘門無法正常啟閉運行,國內(nèi)目前已有多起由于翻板閘門無法正常運行而將其拆除的案例。

(4)造價。鋼壩方案總投資約 1400萬元,較翻板壩方案高 300多萬元。但從使用年限、運行管理等方面對兩個方案綜合比較分析,鋼壩方案更占優(yōu)勢。

以上幾個方面的比較結(jié)果表明,鋼壩方案在景觀、泄洪能力和運行管理方面表現(xiàn)更勝一籌,盡管其建設(shè)期造價較高,但更適合于天河的工程實際情況,最終確定鋼壩作為攔河閘壩型式。

4 工程布置

鋼壩主體工程由上游鋪蓋段、鋼壩(含閘門、啟閉設(shè)備室)段、下游護坦段組成,如圖 1所示。

圖 1 鋼壩平面布置

4.1 上游鋪蓋段

上游鋪蓋頂面高程236.50 m,順水流向長度8.0 m,寬142.5 m。采用0.5 m厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),下設(shè) 10 cm素混凝土墊層,兩岸翼墻采用重力式混凝土擋土墻。

4.2 鋼壩(含閘門、啟閉設(shè)備室)段

鋼壩段底板及啟閉設(shè)備室均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),垂直水流方向總寬度149.6 m。鋼閘門高3.0 m,頂高程(景觀水位)239.8 m,共 4跨,每跨長31.0 m。中墩及兩岸邊墩內(nèi)設(shè)啟閉設(shè)備室,中墩啟閉室寬6.0 m,兩岸啟閉室寬3.8 m。

壩底板順水流方向長度為12.0 m,距上游端2.0 m處設(shè)0.95 m深垂直陡坎,基礎(chǔ)頂面及底面高程分別為236.80 m和235.85 m。距下游端2.5 m處設(shè) 1∶2.0反向斜坡連接(兼作消力池),其高程分別為236.50 m和235.85 m,厚度為1.2 m。在上、下游設(shè)齒墻,上游端齒墻深度為0.8 m,齒墻下部設(shè)防滲墻,深入相對不透水層下0.5 m,下游段齒墻深度為0.5 m。根據(jù)鋼閘門安裝需要,每跨底板設(shè) 5個尺寸為1.35 m×1.0 m×0.5 m的鋼閘門底軸支座預(yù)留孔,6個結(jié)構(gòu)尺寸為0.5 m×0.5 m×0.4 m的支墩,壩底板靠下右側(cè)預(yù)埋 2根 Φ 100mm鍍鋅設(shè)備控制電纜。

中墩啟閉室墻頂高程240.30 m,兩岸啟閉室墻頂高程同上游堤防高程,頂板設(shè)2.0 m×2.0 m檢修孔,其中中墩啟閉室檢修孔采用鋼質(zhì)密封蓋。啟閉室內(nèi)設(shè)0.5 m×0.5 m×0.5 m集水井及通風照明設(shè)施。底板厚度同壩底板基礎(chǔ)。與鋼閘門側(cè)止水接觸的邊墻采用拋光大理石貼面。

4.3 下游護坦段

下游護坦采用鋼筋混凝土海漫加漿砌石防沖槽方案,海漫底板順水流方向長10.0 m,厚0.5 m,設(shè)排水孔,梅花型布置,孔距排距2.0 m,下設(shè)反濾層。下游防沖槽采用漿砌石結(jié)構(gòu),深2.0 m。兩岸翼墻采用重力式混凝土擋墻。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 鋼閘門設(shè)計

底鉸式鋼閘門是由門葉、固定門葉的底橫軸、底鉸支座、潤滑軸承、底止水、側(cè)止水、液壓啟閉設(shè)備及液壓鎖定裝置等組成,液壓設(shè)備通過底軸轉(zhuǎn)動來驅(qū)動門體的開啟和關(guān)閉。

5.1.1 運行條件

(1)90°立壩,閘門頂最大溢流水深 40 cm,形成瀑布景觀效果,超過 40 cm由液壓啟閉設(shè)備自動控制閘門臥門行洪;

(2)90°立壩,上游為景觀水位,下游為河道水位(正常運行工況);

(3)閘門最大轉(zhuǎn)角為 90°,且可設(shè)定角度使閘門處于鎖定狀態(tài);

(4)突發(fā)洪水情況下,須在 2～5 m i n內(nèi)臥門泄洪。

5.1.2 閘門體型設(shè)計

鄖西天河河道較寬,需多跨布置。由于單跨鋼閘門的寬度和高度過大會提高對底橫軸等構(gòu)件的強度要求從而使投資增加,因此經(jīng)方案比選并結(jié)合運行條件,確定閘門高為3.0 m,寬為31.0 m,底橫軸直徑 Φ 800mm,軸下設(shè) 5個支座,支座間距7.0 m,設(shè)有底止水和側(cè)止水。

5.2 鋼壩及啟閉設(shè)備室結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.2.1 壩底板結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼壩的基礎(chǔ)底板承受自重、鋼閘門、水重及水產(chǎn)生的水平壓力、揚壓力等荷載。底板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),取底板厚度為1.2 m,順水流方向長度為12.0 m。設(shè)計計算以兩相鄰順水流向永久縫之間的底板段作為計算單元,主要包括抗滑穩(wěn)定計算、滲透穩(wěn)定計算、基底應(yīng)力計算、不均勻系數(shù)計算及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)配筋計算,計算工況選取完建工況、正常運行工況和校核工況,計算結(jié)果如表 1所示。

表1 壩底板穩(wěn)定計算成果

計算結(jié)果表明,基底應(yīng)力滿足地基承載力要求,抗滑穩(wěn)定等安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

由于壩址處地層分布較均勻,卵石混合土及下覆基巖的厚度分布較均勻,順河向的地層分布比較穩(wěn)定,地層物理力學指標性能良好,無軟弱夾層,因此不需對地基進行加固處理,且不需進行地基沉降計算。

5.2.2 啟閉室結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)鋼壩的體型要求,為增加過水斷面,改善過水流態(tài),需要盡量減小啟閉室寬度,啟閉室上游側(cè)邊墻結(jié)構(gòu)采用圓弧型。按照液壓設(shè)備安裝布置情況,確定中墩啟閉室寬度為6.0 m,上游側(cè)邊墻采用半徑3.0 m的半圓弧。

考慮景觀的要求,將啟閉室布置在上游側(cè),最大程度利用水體遮蓋啟閉室,并將啟閉室頂板高程定為240.30 m,高于閘門頂0.50 m。

啟閉室邊墻主要承受水荷載,取設(shè)計洪水工況進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算,確定邊墻厚0.5 m,頂板厚0.3 m。啟閉室底板取完建工況和正常運行工況,對抗滑穩(wěn)定系數(shù)、基底應(yīng)力和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行計算,結(jié)果表明,基底應(yīng)力滿足地基承載力要求,抗滑穩(wěn)定等安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,確定底板厚度為1.2 m。

5.3 防滲設(shè)計

5.3.1 滲透穩(wěn)定計算

鋼壩基礎(chǔ)位于卵石混合土基上,因此采用改進阻力系數(shù)法進行計算。鋪蓋段順水流方向長度取6.0 m。計算工況分別為正常運行工況和止水破壞工況,兩種工況上游為景觀水位,下游為河道水位,水頭差為3.3 m。地勘提供的水平段和出逸口的允許滲流坡降值如表 2所示。

表2 滲透穩(wěn)定計算成果

計算結(jié)果表明底板順水流方向設(shè)計長度滿足滲透穩(wěn)定的要求。

5.3.2 防滲和止水設(shè)計

鋼壩基底采用 300mm厚混凝土防滲墻,防滲墻深入相對不透水層(粘土巖)下0.5 m,并與上游堤防基底防滲墻相連。防滲范圍內(nèi)的永久縫均設(shè)置一道止水,止水材料采用1.2mm厚紫銅片。

5.4 消能防沖設(shè)計

5.4.1 消力池設(shè)計

根據(jù)鋼閘門的安裝特點,對鋼壩底板結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,使之兼有防沖消能的功效,如圖 2所示。

圖 2 底板縱剖面

(1)鋼壩正常擋水時,消能防沖計算工況為壩頂溢流水深 40 cm工況,設(shè)計單寬流量11.86 m2/s,壩前水位240.30 m。采用跌水消力池計算公式[5],經(jīng)計算,消力池長度4.32 m,池深0.20 m,設(shè)計消力池長度6.25 m,池深0.65 m,滿足規(guī)范要求。

(2)泄洪時消能設(shè)計應(yīng)根據(jù)泄流條件進行水力計算。經(jīng)過上下游不同水位組合計算,已設(shè)消力池尺寸滿足要求。

5.4.2 海漫及防沖槽設(shè)計

為減少沖刷,在鋼壩段下游設(shè)置海漫和防沖槽。

海漫的長度應(yīng)根據(jù)可能出現(xiàn)的不利的水位、流量組合情況計算確定。經(jīng)計算,確定海漫長度為15.0 m,順水流方向坡度為 1∶10。

海漫末端防沖槽的深度應(yīng)根據(jù)河床土質(zhì)、海漫末端單寬流量和下游水深等因素綜合確定,且不小于海漫末端的河床沖刷深度。經(jīng)計算,確定防沖槽深度為2.0 m。

6 結(jié) 語

底鉸式鋼閘門作為新型的低水頭擋水建筑物,相對于傳統(tǒng)的橡膠壩和翻板壩優(yōu)勢較多,運行管理方便,適應(yīng)性強,運用年限長,防洪和景觀效果好,造價相對較高。

這種新的攔河壩型目前仍在推廣階段,合理的選擇方案和設(shè)計方法可以使鋼壩在河道整治中得到更廣泛的運用。本文以實際的工程為案例,研究結(jié)果可為以后河道綜合治理工程中攔河閘壩的選擇提供參考。

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[4] 楊克昌.唐山環(huán)城水系陡河鋼壩設(shè)計簡介[J].水科學與工程技術(shù),2010,(4):29-30.

[5] 劉韓生,花立峰.跌水與陡坎[M].北京:中國水利水電出版社,2004.