鋼壩閘在水環(huán)境綜合整治工程上的應(yīng)用

王麗萍

【摘要】本文結(jié)合招蘇臺河入遼河口水環(huán)境綜合整治工程提出鋼壩閘工程在水環(huán)境綜合整治工程上的應(yīng)用，供參考。

【關(guān)健詞】鋼壩閘；水環(huán)境綜合整治；應(yīng)用

1、工程概況

招蘇臺河是遼河干流左岸的一級支流，入河口距通江口大橋約1km。河口地區(qū)地勢平坦，河勢順直，河道平均寬度為40m，河道平均比降0.25‰。招蘇臺河口地區(qū)是遼河生態(tài)治理的重要節(jié)點(diǎn)，由于干旱缺水，維持河道內(nèi)生物繁衍和灘地內(nèi)植被生長的生態(tài)水面嚴(yán)重不足，河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境得不到自身的修復(fù)和改善，水土流失、洪澇和土壤沙化等生態(tài)環(huán)境問題比較突出。植被退化嚴(yán)重，生態(tài)功能下降，目前的水質(zhì)狀況為劣V類，污染程度較重。為了支流排入遼河達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)的目標(biāo)，在河口建設(shè)人工濕地，消減支流來污、凈化來水的水質(zhì)、改善河口區(qū)域水環(huán)境，為遼河摘掉重度污染的帽子給予強(qiáng)力支持。

工程的主要任務(wù)是在招蘇臺河入遼河口上游280m處修建一座攔河建筑物——鋼壩閘，雍高上游河道水位，并在河道左岸灘地上輔以修建生態(tài)堰、灘地平整等工程措施，從左側(cè)灘地引進(jìn)河水，形成適合濕地植物生長的淺水區(qū)域。同時，對閘址上下游河岸陡坎進(jìn)行防護(hù)，以保護(hù)河流岸線的穩(wěn)定及壩的安全。通過工程措施使招蘇臺河口地區(qū)形成人工濕地，用濕地自身的凈化功能來減輕支流來污。本次工程使河口新增濕地面積744畝（49.6hm2），閘門上下游及左側(cè)灘地形成水面面積約46.21hm2，濕地植物栽植面積3.39 hm2。

2、防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《遼河保護(hù)區(qū)水環(huán)境綜合整治工程建設(shè)規(guī)劃報告》，確定鋼壩閘防洪標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇。

根據(jù)《水利水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）攔河水閘工程分等標(biāo)準(zhǔn)，招蘇臺河入遼河口鋼壩閘工程取規(guī)范最低等別即Ⅴ等，建筑物級別為5級。

3、水環(huán)境綜合治理方案

3.1攔河蓄水建筑物——鋼壩閘

鋼壩閘設(shè)計應(yīng)根據(jù)地形條件和河道特性、因地制宜、力求安全、經(jīng)濟(jì)、合理。閘長應(yīng)遵循主河槽建閘的原則，參照兩側(cè)灘地高程及中水河槽寬度確定閘長為40米。

3.2水質(zhì)凈化工程——河口人工濕地

在灘地表面種植具有性能好，成活率高，抗水性強(qiáng)，生長周期長，美觀及具有經(jīng)濟(jì)價值的水生植物（如菖蒲，蒲草等）形成一個獨(dú)特的動植物生態(tài)體系，招蘇臺河口上游左岸灘地形成具有水質(zhì)凈化作用的人工河口濕地，以凈化招蘇臺河上游來污，使此支流排入遼干的水質(zhì)達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

3.3岸坡防護(hù)

為鞏固岸線、穩(wěn)定河勢、減少水土流失，對河道兩岸特別是閘上下游河段的陡坎進(jìn)行有效的防護(hù)，是保證河道防洪安全的必要手段。本次鋼壩閘上下游設(shè)計護(hù)岸總長度1265m。

4、鋼壩閘設(shè)計

4.1壩型確定

鋼壩閘和橡膠壩優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都很突出，運(yùn)行管理問題也比較多，從工程投資上看，鋼壩閘略大于橡膠壩。結(jié)合本工程的特點(diǎn)，招蘇臺河水質(zhì)污染狀況比較嚴(yán)重，環(huán)境條件比較惡劣，鋼壩閘更適合使用在惡劣的環(huán)境下，且鋼壩閘門的控制系統(tǒng)埋于地下，不需在地上部分修建管理房，與周圍的環(huán)境搭配比較合適，所以本次設(shè)計采用鋼壩閘作為水質(zhì)凈化工程中的攔河蓄水建筑物。

4.2工程布置

在距入遼河匯流口280米處建鋼壩閘，閘長40米，閘高2.5米。此處河道擺動較小，河勢較為穩(wěn)定，岸線相對順直。壩址上、下游左側(cè)灘地寬闊，適宜修建人工濕地。壩址緊鄰昌圖縣通江口鄉(xiāng)后通江村，交通、電力等施工建設(shè)條件較好。

4.3鋼壩閘總體布置

4.3.1閘長

招蘇臺河鋼壩閘所在位置的現(xiàn)狀中水河槽寬度是40m，根據(jù)主槽地形，為滿足閉門時河道設(shè)計行洪要求，并且避免加大開挖或回填，確定鋼壩閘長為40.0m，單跨。

4.3.2閘底板高程

為最大限度地滿足泄洪要求，減少建閘后對河道的淤積影響，保證洪水安全下泄，根據(jù)《遼河保護(hù)區(qū)河道與水環(huán)境綜合整治工程建設(shè)規(guī)劃報告》規(guī)劃僅在主槽形成穩(wěn)定的水面，考慮招蘇臺河多泥沙河流特性，維護(hù)河道自然比降不變，以利于行洪和排沙。

根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)，河底平均高程在69.5m，因此閘底板高程確定為69.5m。

4.3.3閘頂高程

為保證鋼壩閘蓄水時水面高于現(xiàn)狀左岸灘面，利于形成濕地，且又不宜過高而對右岸耕地（高程72.3～73.2m）及上游的兩家子農(nóng)場（平均高程73.7m）造成浸沒影響。根據(jù)閘址兩側(cè)地形條件，閘門過高則對右岸形成大的浸沒影響，閘門過低側(cè)左岸濕地灘地平整土方量過大。左側(cè)灘地高程在72.0～73.0m，為在左岸形成淺水區(qū)，壩頂高程比左岸灘面高0.3～0.5m。在綜合考慮灘地土方平整量、浸沒影響及閘門的運(yùn)行管理因素，確定鋼壩閘壩頂高程為72.0m。

4.3.4閘基礎(chǔ)處理

閘底基礎(chǔ)開挖根據(jù)鋼壩閘設(shè)計底板高程按設(shè)計厚度下挖至建基面，即為底板設(shè)計高程。在混凝土澆筑前應(yīng)將基礎(chǔ)壓實(shí)。如建基面為淤泥和粉砂等軟弱土層，應(yīng)采用換基措施處理，以保證地基承載力滿足建壩要求，將軟土層全部挖除，用級配砂礫料回填，并壓實(shí)要求相對密度不小于0.65。

4.4閘底板設(shè)計

4.4.1底板長度

根據(jù)鋼壩閘的運(yùn)行、檢修特點(diǎn)及廠家的設(shè)計要求，壩底板長度選定為8.32m。

4.4.2底板厚度 鋼壩閘底板厚度選定為1.0m。

4.5防滲設(shè)計

4.5.1上游鋪蓋布置

在底板上游布置鋪蓋，可以增加防滲長度，降低底板滲透壓力，而且能夠防止上游河底沖刷。根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL256-2001）等有關(guān)規(guī)定，鋼壩閘上游鋪蓋長度一般采用上、下游最大水位差的3～5倍，結(jié)合閘址處的工程地質(zhì)資料及正常運(yùn)行上下游水位關(guān)系，綜合確定閘上游鋪蓋長度為8m。在壩上游設(shè)置長8m，厚0.5m的鋼筋混凝土鋪蓋。

4.5.2防滲長度校核

按照勃萊法計算閘基所需防滲長度。

擬建鋼壩閘建基于細(xì)砂層，根據(jù)地質(zhì)勘察報告，細(xì)砂層允許滲透比降建議值為0.10。

計算公式如下： L=C×ΔH

式中：L—閘基所需防滲長度；

C—滲徑系數(shù)；

ΔH—上下游水位差。

細(xì)砂有濾層時允許滲徑系數(shù)值采用9，正常運(yùn)行時鋼壩閘上下游水位差為2.50m時，閘基所需防滲長度為22.5m；坍壩行洪時上下游水位差均小于2.00m，閘基所需要防滲長度亦小于18.00m。因此，防滲控制長度為22.5m。

上游鋪蓋、閘底板、下游消力池結(jié)構(gòu)分縫處采用橡膠止水帶連接，地下輪廓線總長度為27.3m，滿足防滲要求。鋼壩閘邊墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)且有橡膠止水帶連接滿足側(cè)向防滲要求。

4.5.3反濾

為進(jìn)一步加強(qiáng)下游出逸點(diǎn)滲透安全，在消力池海漫下設(shè)置反濾土工布，加強(qiáng)出逸點(diǎn)反濾安全，防止土料發(fā)生滲透變形。

4.6邊墻及左右護(hù)岸連接

閘上游鋼混鋪蓋、閘室、下游消力池兩側(cè)邊墻厚600mm，結(jié)構(gòu)型式相同，一側(cè)邊墻全長33.55m，邊墻頂部高程左右岸皆為72.6m。邊墻采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)，邊墻上下游直角翼墻與兩岸護(hù)坡相連接。

4.7集成式控制室

鋼壩閘的啟閉控制設(shè)備放置在邊墻后、地面下的集成式控制室內(nèi)。它是操縱鋼壩閘門啟閉的機(jī)電設(shè)備及附屬設(shè)施的控制及管理維護(hù)結(jié)構(gòu)。為了節(jié)約投資和方便交通，控制室埋置在閘門兩側(cè)邊墻后，室頂高程為72.6m，頂部用200mm厚的鋼混蓋板封住并留進(jìn)入孔以方便人員進(jìn)入操控檢修。進(jìn)入孔尺寸為1.5m×1.2m，上部凸出100mm高的井口，以防止雨水灌入?？刂剖颐娣e為2.6m×9m，控制室墻厚600mm?？刂剖翼敻叱膛c邊墻頂高程一致為72.6m。

4.8消能及防沖計算

4.8.1計算條件

招蘇臺河入遼河口水環(huán)境綜合整治工程中鋼壩閘工程的洪水標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇。閘址處河底平均高程69.5m，河床主要為中砂。

閘底板高程69.5m，閘高2.5m，閘頂高程72m，設(shè)計擋水位為72.3m，允許最高擋水位為72.5m。鋼壩閘為單跨1扇，閘長40.0m。

4.8.2消能防沖計算

（1）泄流能力

閘門直立溢流及閘門放倒過程中溢流按矩形薄壁堰計算過流能力；閘門放下后，按寬頂堰計算過流能力。

式中： Q——堰上流量，m3/s；

m0——流量系數(shù)；

b——堰頂寬度，b=40m；

Н0——計入行近流速的堰頂水頭。

不同水位下鋼壩閘的閘頂泄流量見表1。

鋼壩閘落閘后泄流能力計算

落閘后按寬頂堰計算泄流能力，即：

式中：Q—下泄流量，m3/s；

—淹沒系數(shù)，=1.0；

—側(cè)收縮系數(shù)，=0.98；

B—溢流堰寬度，B=40m；

m—流量系數(shù)，取m=0.385；

H—計入行近流速的堰頂水頭。

落閘后不同水位下鋼壩閘下泄流量見表2。

（2）消能防沖計算

A.工況分析

當(dāng)壩頂溢流時，由于泄流能力十分有限，單寬泄量較小，對下游防沖基本沒有影響。當(dāng)放下閘門時，水流保持原河床行進(jìn)，水頭差極小，對下游防沖也基本沒有影響。其最不利工況是在鋼壩閘落閘過程中，此時下游水位較小，假定上游水面基本維持不變，擋水水位最高，水頭差最大。

在落閘過程中，上游水位維持不變（最大允許水位為72.5m）時上下游水位差最大，消能防沖計算工況以（hc//-hs）為最大控制。

消能計算控制工況詳見表3。

下游水位按主河槽（平均寬約40.0m，糙率0.025，河道比降0.25‰）計算，當(dāng)水位從灘地漫流時壩已經(jīng)全部降下。

從上表4可以看出，落閘過程中，下游水位上升，躍后水深與下游水深之差逐漸減少，控制工況在單跨鋼壩閘坍壩過程中，當(dāng)鋼壩閘塌至0.5m高時，躍后水深與下游水深之差最大，為控制工況。

C.消力池計算

消力池深度按下式計算

式中：——消力池深度，m；

——水躍淹沒系數(shù)，采用1.05；

——出池落差，m；

——出池河床水深，m。

消力池長度按下式計算

式中：——消力池長度，m；

——消力池斜坡段水平投影長度，m；

——水躍長度校正系數(shù)，采用0.8；

——水躍長度，m。

消能工長度采用遠(yuǎn)驅(qū)水躍最大流量所對應(yīng)的長度。

消力池計算成果詳見表5。

表5 消力池計算結(jié)果

水位

（m） 單寬泄量（m3/s.m） 收縮斷面水深

（m） 躍后水深（m） 出口斷面落差

（m） 消力池池深

（m） 消力池長度

（m）

72.5 3 0.494 1.697 0.2 0.5 8.5

根據(jù)上表及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，消力池深度設(shè)計取值0.5m，考慮與壩底板平順連接，消力池長度取值10.0m。

D.消力池結(jié)構(gòu)

消力池底板厚度按下式計算：

抗沖：

抗?。?/p>

式中：——消力池底板始端厚度，m；

——閘孔泄水時的上、下游水頭差，m；

——消力池底板計算系數(shù)，0.15；

——消力池底板安全系數(shù)，1.30；

——作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力，kN；

——作用在消力池底板頂面的水重，kN；

——作用在消力池底板上的脈動壓力，kN；

——消力池底板的飽和重度，kN/m3。

經(jīng)計算，消力池底板厚度為0.43m，消力池底板設(shè)計厚度取0.6m。

E.海漫

海漫長度按下式計算

式中：——海漫長度，m；

——閘上、下游水位差，m；

——海漫長度計算系數(shù)，根據(jù)河床土壤，K=13；

——消力池末端單寬流量，m3/s.m。

經(jīng)計算，海漫計算長度為8.95m，設(shè)計取值11m。

4.9穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)計算

4.9.1計算工況

以最不利工況：閘門直立擋水時，上游水位72.5m，下游無水（地下水和河底齊平）為計算情況。

4.9.2荷載計算

壩體荷載按1m寬板條計算。

4.9.3閘室抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計算

抗滑穩(wěn)定計算公式：

式中：f — 閘基礎(chǔ)底面摩擦系數(shù)0.45；

ΣG — 作用于基礎(chǔ)底面上的全部豎向荷載；

ΣH — 作用于壩底板上的全部水平荷載。

閘基底應(yīng)力計算公式：

式中：A——閘基礎(chǔ)底面面積（m2）；

e——基底應(yīng)力偏心距（m）；

B——基礎(chǔ)寬度（m）。

正常擋水情況下抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果詳見表7，壩底板基底應(yīng)力計算結(jié)果見表6。

上述計算結(jié)果表明：閘底板的抗滑穩(wěn)定、閘底板基底應(yīng)力不均勻系數(shù)小于規(guī)范允許值，基底應(yīng)力小于地基容許承載力，因此閘室是安全的。

5、結(jié)語

招蘇臺河鋼壩閘己于2013年5月建成，運(yùn)行正常。在10.0km河道上非汛期形成連續(xù)水面，同時調(diào)節(jié)和改善城區(qū)內(nèi)的小氣候，將進(jìn)一步恢復(fù)濕地，促進(jìn)水體循環(huán)和凈化，使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)及動植物資源得到有效的保護(hù)和恢復(fù)。對維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的完整性、穩(wěn)定性、自然性和多樣性等具有重要作用。

參考文獻(xiàn)：

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[4]《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）

[5]《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》（SL379-2007）