碧灣攔河閘除險加固工程鋼壩設(shè)計與施工

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院 江西省水工結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

河道治理工程不僅要恢復(fù)河道防洪、排澇、灌溉、供水等正常功能，也要使整治后的河道能夠達到河暢、水清、岸綠、景美的整體效果。閘壩作為一種重要的水工攔水設(shè)施，對其安全性能的要求也越來越高。作為一種新型可控開度溢流壩，鋼壩主要由帶固定轉(zhuǎn)軸的金屬結(jié)構(gòu)閘門門體、液壓驅(qū)動啟閉設(shè)備及鎖定裝置、混凝土基礎(chǔ)等組成。鋼壩結(jié)構(gòu)相對較簡單，維護管理方便，適用于閘孔較寬(10～100m)而上下游水頭差不大(1～7m)的閘壩[1]。鋼壩立閘蓄水，臥閘排洪，啟閉迅速，閘門頂過流，可產(chǎn)生人造瀑布景觀效果，在河道治理工程中得到了越來越多的應(yīng)用。在碧灣攔河閘除險加固工程中，考慮河道上游水位不能抬高、溢流壩段過流寬度不能減少、左岸施工場地狹小、右下游有重要的安防設(shè)施(電站)等限制條件，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，選用鋼壩設(shè)計方案，該方案在除險改造后實際運行中起到了良好的效果。

1 工程概況

碧灣攔河閘位于景德鎮(zhèn)樂平市眾埠鎮(zhèn)烏龜塘村境內(nèi)，坐落于樂安河建節(jié)水上。工程主要由溢流壩、右岸泄水閘、左右岸灌溉進水閘等建筑物組成。設(shè)計灌溉面積2.495萬畝；是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電等綜合效益的大(2)型水閘工程。

工程始建于1958年，溢流堰頂設(shè)1.3m高木質(zhì)翻板閘門，1985年，翻板閘門改建成橡膠壩控制。自1985年由木質(zhì)翻板閘門改建成橡膠壩起，至今已運行20多年，先后更換橡膠壩袋4 次，目前橡膠壩袋老化，有多處鼓包；右壩頭局部拉裂，存在多處射水點；攔河閘下游沖刷嚴重，現(xiàn)狀右側(cè)已沖刷成深坑，影響到閘壩的穩(wěn)定；泄洪閘(伐道)混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在較嚴重的老化現(xiàn)象，2008年12月景德鎮(zhèn)市水務(wù)局組織專家對碧灣攔河閘進行了安全鑒定，認定該工程為三類閘，急需進行改造。

2 自然條件

2.1 當?shù)貧夂蚣敖涤曩Y料

工程區(qū)所在建節(jié)水流域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)性氣候區(qū)，多年平均降雨量為1843.5mm，降雨多集中在4～6月，占多年平均降雨量的40～60%，多年平均氣溫為18.4℃，多年平均蒸發(fā)量1270.9mm，多年平均年最大風(fēng)速11.0 m/s。

2.2 工程地質(zhì)

工程區(qū)地處揚子準地臺、江南臺隆、萍鄉(xiāng)—樂平臺陷之豐城—樂平凹斷束構(gòu)造單元中。地震動峰值加速度小于0.05g，相應(yīng)地震基本烈度小于Ⅵ度。地貌形態(tài)為以河流沖積階地、丘陵低崗為主，地勢南高北低。

溢流堰體壩基建基面位于基巖上，巖體較破碎，局部呈全風(fēng)化外，大都呈強風(fēng)化狀，其物理力學(xué)性質(zhì)一般較好，巖石完整性較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，但未見斷層發(fā)育，裂隙多呈閉合狀，傾角較陡，巖層傾角雖較緩，但傾向上游，基本不構(gòu)成不利滑動結(jié)構(gòu)面，閘壩巖體穩(wěn)定性較好?？蓾M足承載要求，基本不存在壩基巖體的抗滑穩(wěn)定問題。其余壩段壩基巖體呈強風(fēng)化狀，巖體較破碎，巖性為較軟巖。

3 設(shè)計方案

3.1 方案比選

本次設(shè)計標準按現(xiàn)行的規(guī)程規(guī)范要求，設(shè)計洪水位為39.63m(p=3.33%)，相應(yīng)流量2430m3/s，校核洪水位為40.99(p=1%)，相應(yīng)流量3190m3/s。碧灣攔河閘工程等級為Ⅱ級，大(2)型工程；本工程溢流壩等主要建筑物等級為2級，次要建筑物為3級；臨時建筑物為4級。

根據(jù)碧灣攔河閘現(xiàn)狀左岸山體陡峭，石方開挖工程量大，右岸下游有民營企業(yè)投資的發(fā)電廠房，上游水位雍高淹沒農(nóng)田易引起糾紛等工程特點，確定溢流壩段設(shè)計的指導(dǎo)原則是:閘頂水位維持原老橡膠壩正常蓄水位34.00m不變，溢流壩段長度78m保持不變，盡量減少左岸山體開挖。

常規(guī)鋼閘門攔河閘方案需做多個閘墩，縮小泄流寬度，會造成上游壅水，擴大淹沒，而左側(cè)為陡坡山體，挖山擴寬工程量大，不經(jīng)濟。

橡膠壩方案為現(xiàn)狀方案，已運行多年，技術(shù)上可行；但存在壩袋壽命期較短，可靠性差，一般只能使用10～15年，且容易被河道內(nèi)的樹枝雜物等刺破橡膠壩袋，冬季易遭受冰凍損壞，汛期塌壩時間在30min以上，給河道行洪造成安全隱患，運行管理困難。

現(xiàn)階段發(fā)展較快的翻板鋼壩，中間可不設(shè)閘墩，能確保泄洪寬度及本工程的水位控制運行要求。閘門開度可快速調(diào)節(jié)(啟閉閘門時間只需2～3min)、啟閉設(shè)備隱蔽，遇突發(fā)洪水時可及時有效泄洪。鋼壩的設(shè)計使用壽命可長達50～60年，具有操作運行簡單，維護費用低，結(jié)構(gòu)安全可靠，泥沙淤積少，河道景觀效果好等特點。

因此本次設(shè)計采用翻板鋼壩作為推薦方案。

3.2 翻板鋼壩布置

翻板鋼壩(鋼質(zhì)翻板閘/臥倒門)方案工程總體布置中，壩軸線位置上的攔洪泄水建筑物(從左至右)包括：左岸灌溉進水閘(2.7m)、泄水閘(5m)、左岸啟閉房(5m)、溢流壩(翻板鋼壩)(78m)、右岸啟閉房(5m)、防洪墻及防洪閘(38.1m)、擋墻段(13m)；建筑物布置軸線長度共計147.80m。具體布置見圖1 碧灣攔河閘翻板鋼壩平面布置圖。

圖1 碧灣攔河閘鋼壩平面布置

3.3 溢流壩段鋼壩設(shè)計

溢流壩段總長度為78m，加固方案為對現(xiàn)狀混凝土溢流壩表層混凝土鑿除，新澆貼面鋼筋混凝土C25，貼面后的混凝土溢流壩頂高程32.50m。在新老混凝土結(jié)合面布置φ20的插筋，間距1.5m×1.5m呈梅花狀布置。拆除重建下游消力池。加固后的溢流規(guī)?；静蛔儯妶D2溢流壩段加固設(shè)計斷面圖。

圖2 溢流壩段加固設(shè)計斷面

混凝土溢流壩上部建一孔鋼質(zhì)翻板閘，孔口寬78.0m，鋼質(zhì)翻板閘擋水高度1.5m，閘門頂高程34.0m，平時閘門關(guān)閉時擋正常水高34.00m，洪水來時閘門開啟泄洪，閘門門頂最大溢流水頭0.3m。鋼壩閘底軸中心高程為32.10m，閘門門葉由20扇3.9m×1.5m(寬×高)的小門葉通過螺栓拼接而成，整扇門葉

通過螺栓固定在底軸上，閘門門葉自重為130t/扇；底軸軸徑選φ800mm，底軸長約84m，自重為90t，閘門門葉及底軸主要材料為Q345B；底軸由鉸座固定在二期混凝土上，主要金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備見表1金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備表。

表1 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備

圖3 左右岸啟閉房設(shè)計

3.4 左右岸啟閉房設(shè)計

鋼壩左右側(cè)均設(shè)置有啟閉機房，左右側(cè)啟閉室位于溢流壩(鋼壩)兩端，凈寬3.0m，邊墩厚1.0m，總寬5.0m，順水流方向長14.45m。液壓鋼板閘門啟閉基礎(chǔ)高程為31.74m，上部閘墩頂高程42.10m。啟閉室內(nèi)設(shè)樓梯與閘墩頂工作橋連接。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

液壓啟閉機型號為GBQ-1-2×1600kN，揚程2.8m，共一臺，閘門的鎖定通過兩側(cè)的液壓推桿鎖定在側(cè)墻上，鎖定裝置驅(qū)動力100kN。鋼壩閘門動水啟閉時，通過液壓啟閉機驅(qū)動底軸旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)閘門的開啟和關(guān)閉。

3.5 其他部分設(shè)計

左岸灌溉進水閘：按原規(guī)模布置左岸灌溉進水閘；孔口尺寸1.0m×1.3m(b×h)，與右側(cè)泄水閘共邊墻。進口底高程32.80m。

泄水閘(筏道)：本閘的功能為泄洪兼做水運筏道。本次設(shè)計在溢流壩左端接左岸灌溉進水閘重建泄水閘(筏道)。重建規(guī)模不變，孔口泄流凈寬4.0m，進口底高程30.50m。

防洪墻：為形成閉合的防洪體系，在土壩上游側(cè)，泄洪閘(筏道)與攔河閘之間新建鋼筋混凝土防洪墻連接段。采用鋼筋混凝土空箱式擋土墻結(jié)構(gòu)。總寬度11.1m。

防洪閘：本次設(shè)計在引水渠內(nèi)的壩軸線位置新建防洪閘，替代上述三個結(jié)構(gòu)的攔洪功能。新建防洪閘為二孔，單孔過流凈寬11.0m，總寬度27m，進口底高程31.40m。

3.6 鋼壩的運行

碧灣攔河閘正常蓄水位34.00m，閘前水位達到34.30m時，門頂溢流0.3m，為避免淹沒上游德興市建節(jié)水河道兩岸農(nóng)田，必須逐步開啟閘門，以維持上游水深34.30m不變，直至閘門全部開啟；閘前水位降落34.30m時，應(yīng)逐步關(guān)閉閘門。閘門開啟時應(yīng)避免閘門開啟過快造成對下游造成沖刷。

4 溢流壩段泄流能力計算及壩基抗滑穩(wěn)定計算

4.1 泄流能力計算

碧灣攔河閘壩泄流設(shè)施分為兩個部分，即78m鋼壩溢流段及4m泄洪閘(筏道)段。其中加固鋼壩為現(xiàn)有的混凝土溢流壩改建，泄洪閘(筏道)為拆除重建。

溢流壩的泄流能力均采用《水力計算手冊》(第二版)中的公式計算。

溢流壩的過流能力計算公式如下。

m=0.36(P/H≥3.0)

式中σs——寬頂堰的淹沒系數(shù)；查《水力計算手冊》表3-2-8；

σc——堰流側(cè)收縮系數(shù)；

B0——閘孔總凈寬，m；

g——重力加速度，取9.81m/s2；

H0——計入行進流速水頭的堰上水深，m；

b——單孔凈寬，m；

ε邊——邊墩形狀影響系數(shù)，圓弧形取0.7；

ε中——閘墩形狀影響系數(shù)，半圓形取0.60；

n——孔數(shù)；

P——上游堰高，m；

H——堰前水頭，m。

計算結(jié)果見表2及表3。

表2 碧灣攔河閘壩洪水泄量分布

表3 碧灣攔河閘壩上游水位～泄流量關(guān)系

4.2 壩基抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計算

4.2.1 計算公式

抗滑穩(wěn)定：

式中K——按抗剪強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f——抗剪摩擦系數(shù)(f=0.50)；

∑W——作用于壩體上全部荷載對滑動平面的法向分值,kN；

∑P——作用于壩體上全部荷載對滑動平面的切向分值,kN。

壩基面垂直正應(yīng)力：

式中σy——壩基面垂直正應(yīng)力,kPa；

A——壩基面截面面積,m2；

∑m——作于壩體上全部荷載對壩基面截面形心軸的力矩總和(kN-m)；

J——壩基面截面積對形心軸的慣性矩,m4；

x——壩基面截面上計算點到形心軸的距離,m。

4.2.2 計算工況

根據(jù)本工程實際情況，壩基抗滑穩(wěn)定應(yīng)力計算工況如下：

正常運用： 正常擋水工況(H上=34.00m，下游無水)；

設(shè)計洪水工況(H上=39.63m，H下=39.26m)；

非常運用：校核洪水工況(H上=40.99m，H下=40.61m)。

4.2.3 計算結(jié)果

壩基抗滑穩(wěn)定應(yīng)力計算成果見表4。從表中可知壩體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及基底應(yīng)力均滿足設(shè)計要求。

表4 鋼壩穩(wěn)定應(yīng)力計算成果

5 工程施工

本工程施工項目比較多，工作面集中，多工種交叉作業(yè)，存在施工相互干擾；故水閘分兩期施工設(shè)計，分期導(dǎo)流，主體建筑物安排在兩個枯水期內(nèi)完成。施工期防洪標準采用10年一遇。經(jīng)計算，9月20日—次年2月10日洪峰流量為183m3/s。

施工臨時圍堰原考慮在河道中間修建縱向圍堰，利用縱向圍堰將溢流壩段及其他建筑物分為左右兩邊分兩期施工，從而保持河道較大的過流斷面，降低施工期圍堰過水風(fēng)險；然而也存在人為將溢流壩段分為兩期施工，這將對翻板鋼壩安裝和調(diào)試造成難題，且對河道防洪有兩年的影響時間。實施階段施工單位提出合理進行施工組織，將溢流壩段及其他左岸建筑物施工放在一個枯水期內(nèi)完成，提前一年恢復(fù)河道正常過流。根據(jù)現(xiàn)場情況，利用右側(cè)縱向土堤作為縱向圍堰，右岸發(fā)電站進水渠作為一期導(dǎo)流明渠，在發(fā)電站右側(cè)新開挖排洪渠道接下游河道。同時在溢流壩上下游各修建一條橫向圍堰，在第一個枯水期內(nèi)施工完成左岸進水閘、泄水閘以及溢流壩，二期圍堰主要保護右岸防洪閘和防洪墻施工，利用已完建的溢流壩和泄水閘過流。

在一個枯水期內(nèi)完成主要建筑物的施工對施工單位的現(xiàn)場組織協(xié)調(diào)能力是很大的考驗，最終經(jīng)過施工單位精心組織，2016年10月溢流壩段開始施工，次年三月完成一期工程的主要建筑物施工及鋼壩安裝。并拆除一期上下游圍堰，實現(xiàn)主河道過流，將工程施工對河道防洪的影響降到了最低。同時降低了施工臨時工程費用，創(chuàng)造了更好的工程效益。

6 結(jié) 語

碧灣攔河閘除險加固工程現(xiàn)已建設(shè)完成，鋼壩運轉(zhuǎn)良好，洪水期翻板鋼壩能夠自動快速及時啟閉，未造成一次上游農(nóng)田淹沒；與原橡膠壩相比，鋼壩每年僅需簡單維護，運行管理成本有效降低；農(nóng)田灌溉期水庫蓄水量得到保證，下游灌溉面積恢復(fù)到了原設(shè)計灌溉面積2.5萬畝；鋼壩頂部過流形成人造瀑布的景觀效果，工程完工后周邊環(huán)境得到了很大改善，壩址區(qū)逐漸成為周邊群眾休閑觀光的好去處，見圖4碧灣攔河閘鋼壩溢流。

碧灣攔河閘鋼壩設(shè)計擋水高度1.5m，鋼壩長度78m，經(jīng)咨詢相關(guān)廠家，為目前國內(nèi)已建工程中低水頭最大單跨度鋼壩，對其他低水頭大跨度水閘項目的設(shè)計有一定的參考意義，可推動鋼壩在低水頭水閘項目上的運用。

圖4 碧灣攔河閘鋼壩溢流