淺談鋼壩的發(fā)展及實(shí)踐

徐運(yùn)海,董新美，荊代芝

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013；2.山東華圣瑞德市政工程有限公司，山東 濟(jì)寧 272100）

1 鋼壩的發(fā)展

鋼壩作為一種擋水建筑物，至今已有百余年歷史。鋼壩中的面板與構(gòu)件間采用焊接或螺栓連接，它充分利用鋼材強(qiáng)度高、柔性好的特點(diǎn)，使壩體具有非常好的整體性與柔韌性，可以更適應(yīng)水體的變形要求，是一種非常先進(jìn)的壩工新技術(shù)。美國曾于1897年10月7日建成了Ashforksteeldam，該壩總長91.4m，鋼壩部分高14m，長56m，鋼壩兩端設(shè)砌石重力壩，為世界上最早的鋼壩之一。1900年以后，在澳大利亞、英國等相繼建成幾座鋼壩，最大壩高在20m以上。上述所建鋼壩均為斜面壩，壩面后采用桁架支撐系統(tǒng)。

在我國，目前還沒有進(jìn)行鋼壩方面的研究，也未發(fā)現(xiàn)鋼壩設(shè)計(jì)計(jì)算方法的資料。但在水利工程中，與鋼壩類似的鋼閘門擋水建筑物已使用多年，鋼閘門的設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)50～60年。隨著當(dāng)前社會對城市水利建筑物景觀、防洪等方面的要求，上世紀(jì)90年代出現(xiàn)了集成液壓系統(tǒng)控制的鋼壩閘。鋼壩閘對原閘門的啟閉方式進(jìn)行了較大改進(jìn)，如南京秦淮河上的雙鏡鋼壩閘以及保定前衛(wèi)橋景觀河道的鋼壩閘工程，其景觀性較強(qiáng)。

2 鋼壩建設(shè)的必要性

近年來，鋼壩之所以發(fā)展較慢有幾方面原因：一是由于初期鋼壩大多采用斜面鋼壩壩型，鋼材用量多，投資較大；二是相近技術(shù)限制，如計(jì)算技術(shù)、錨固技術(shù)、防銹技術(shù)落后等；三是鋼材產(chǎn)量少，施工技術(shù)較為落后；四是鋼壩技術(shù)沒有設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程可以遵守，設(shè)計(jì)思想較為保守。

山東省擁有豐富的河流、湖泊、泉水等水利風(fēng)景資源，而且大量的水利工程建設(shè)在發(fā)揮其基本功能的同時(shí)，也形成了大量的水利風(fēng)景資源，為水利風(fēng)景區(qū)的發(fā)展和建設(shè)，奠定了一定的基礎(chǔ)條件。山東省已擁有32個(gè)國家水利風(fēng)景區(qū)，39個(gè)省級水利風(fēng)景區(qū)，目前仍有多個(gè)水利風(fēng)景區(qū)正在建設(shè)中。

因此，充分考慮小型河道、景區(qū)的工程特點(diǎn)，在新壩型方面進(jìn)行試驗(yàn)及探索，建設(shè)具有運(yùn)行可靠、美觀、符合環(huán)保要求等特點(diǎn)的新壩型，對于水利工程建設(shè)具有較大意義。上述未開發(fā)的河道大多適宜建設(shè)鋼壩工程，而且從生態(tài)、景觀、經(jīng)濟(jì)和社會效益以及觀賞性上看，很有必要實(shí)施鋼壩工程。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

棲龍灣小流域位于萊蕪市北部山區(qū)、黃河流域大汶河支流嬴汶河中上游，流域?qū)偕铰辞鹆甑孛差愋?，地形呈東高西低、南緩北陡狀，整體向西南傾斜。境內(nèi)干岔河主河道蜿蜒貫穿于流域中部形成溝壑網(wǎng)，河道總長度6.2km，河床平均比降1.3%，河底寬度由上游至下游為8～16m。4條支溝道長度在0.8～1.6km之間，河床平均比降在3.2%～8.7%之間，流域平均溝壑密度為2.2km/km2。

根據(jù) 《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL252－2000，該工程屬于小型塘壩。由于采用新型鋼壩技術(shù)，大壩等主要建筑物工程級別相應(yīng)提高，即建筑物級別采用五等5級，10年一遇洪水設(shè)計(jì)。

3.2 工程設(shè)計(jì)

鋼壩工程壩址以上流域面積0.06km2；總庫容2660m3。大壩溢流寬度14.46m，不考慮庫容調(diào)蓄作用，10年一遇時(shí)流量0.96m3/s。采用薄璧堰公式計(jì)算水位，最高水位為105.9m。

鋼壩采用反拱型溢流鋼壩，壩體采用厚10mm的鋼板，半徑8m，中心角98°，壩面長14.46m；壩頂高程105.6m，壩基最低高程100.33m，最大壩高5.27m，其中鋼壩部分高3.6m。壩基為堅(jiān)硬完整巖石，壩體底部及兩側(cè)設(shè)砼連接段及Φ20錨桿。

3.3 鋼壩應(yīng)力分析

鋼材的力學(xué)參數(shù)：比重7.8t/m3,彈性模量取2.06×106kg/cm2，泊松比 0.3，剪切模量 0.81×106kg/cm2，線脹系數(shù)1.2×10-5，理論容許應(yīng)力 3100kg/cm2。

砼力學(xué)參數(shù)：比重2.4t/m3,彈性模量2.8×104N/mm2，泊松比0.167，剪切模量1.12×104N/mm2，線脹系數(shù)1.0×10-5。

采用ALGOR有限元建立鋼板壩模型，模型計(jì)算中鋼板為三邊固端，頂部為自由邊。為簡便計(jì)算，該反拱壩是通過反方向施加水壓力實(shí)現(xiàn)的，故計(jì)算結(jié)果是可靠的。興利工況水位平壩頂，校核洪水工況水位高于壩頂0.2m，根據(jù)壩體應(yīng)力計(jì)算成果，興利及校核工況時(shí)鋼板壩面最大拉應(yīng)力分別為30.6MPa、34.39MPa，遠(yuǎn)小于鋼材的允許拉應(yīng)力，且發(fā)生在距底部約0.45m處，結(jié)構(gòu)是安全的。

3.4 鋼壩施工

本工程自2009年12月15日開工，至2010年3月20日完工。施工內(nèi)容包括基槽及庫區(qū)清理、鉆孔及錨桿施工、砼連接段、鋼面壩加工、預(yù)埋鋼板、鋼板安裝、防銹處理等。鋼壩采用“構(gòu)件工廠化加工、現(xiàn)場安裝”的施工模式，突破了傳統(tǒng)水工擋水建筑物現(xiàn)場施工的模式。經(jīng)汛期運(yùn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

在萊蕪棲龍灣小流域治理工程中，探索并建成了國內(nèi)首座柔性鋼壩，這是壩工建設(shè)的一次有益嘗試，對壩工發(fā)展具有較大意義。鋼壩作為一種新壩型，具有造價(jià)低、施工工期短、運(yùn)行可靠、美觀、符合環(huán)保要求、占地少等特點(diǎn)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

［1］朱詩鰲.壩工縱談.北京：中國水利水電出版社，2008.

［2］渡邊幫夫，大澤茂樹，內(nèi)藤龍夫，近角真一（日）.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

［3］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988.