鋼壩閘在河道蓄水工程中的應(yīng)用

吳松寶

(上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）第六設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

改善河道生態(tài)環(huán)境，打造河道濱水景觀，展現(xiàn)濱水城市水文明，是目前諸多城市的建設(shè)重點。但由于河道的季節(jié)性特點，干流枯水期生態(tài)流量難以滿足要求，“河底朝天”的現(xiàn)象比比皆是。為改善河道生態(tài)環(huán)境，打造水綠岸美的河流景觀，需要通過蓄水工程抬高河道水位，擴(kuò)大景觀水面，營造出更佳的景觀效果。本文以宣城市水陽江生態(tài)蓄水工程為例，對蓄水閘選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行分析探討。

1 工程概況

為建設(shè)宣城市城區(qū)應(yīng)急供水水源、提高城市供水保證率，同時改善水陽江、雙橋河水環(huán)境，打造水陽江韻濱水休閑帶，營造敬亭山水景觀，拓展城市發(fā)展空間，宣城市擬實施水陽江城區(qū)段生態(tài)蓄水工程。工程建設(shè)主要內(nèi)容為海棠灣水利樞紐工程，樞紐工程位于水陽江海棠灣碼頭上游0.9 km，設(shè)置有蓄水閘壩、樞紐水電站、沖砂閘、分流島、船閘和右岸連接堤等。

海棠灣水利樞紐工程設(shè)計過閘流量為4750 m3/s，為大（2）水閘樞紐工程，等別為Ⅱ等，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇。

2 蓄水閘閘型比選

為保障城市供水、建設(shè)水陽江城區(qū)段濱水生態(tài)環(huán)境、打造水景觀，對蓄水閘閘型不僅有景觀要求，也要有洪水期泄洪的要求。本項目具有過流量大、閘前水位漲落頻繁的特點，閘身需要具有調(diào)節(jié)水位和溢流的作用。

蓄水閘的主要設(shè)計條件見表1。

表1 蓄水閘設(shè)計條件參數(shù)表

根據(jù)已建蓄水壩工程經(jīng)驗，由于蓄水較深，水壓力較大，固定壩又不宜建太高，常規(guī)壩型如傳統(tǒng)水閘、翻板壩都難以同時滿足蓄水、排洪、景觀等功能需求選擇以下三種閘型方案進(jìn)行比較。

方案一：橡膠壩方案

橡膠壩是通過充排管路用水（氣）將壩袋充脹形成的袋式擋水壩，壩頂可以溢流，并可根據(jù)需要沖放水調(diào)節(jié)壩高，控制上游水位。設(shè)計橡膠壩壩長220.0 m，底板高程5.2 m，設(shè)計壩袋高4.8 m，內(nèi)壓比1.3。

方案二：鋼壩閘方案

采用大跨徑底軸驅(qū)動鋼壩閘型式，均配液壓集成式啟閉機(jī)，布置于閘墩側(cè)壁內(nèi)。設(shè)計閘底板高程5.2 m，共布置5 孔，閘孔尺寸4.8 m×43 m（高×寬），凈擋水高度4.8 m，中墩寬8.1 m，邊墩寬6.2 m，總壩寬259.8 m。

方案三：氣盾壩方案

氣盾壩又名橡膠壩鋼閘門，由橡膠氣囊和鋼護(hù)板組成，在自動控制系統(tǒng)控制下，利用橡膠氣囊支撐鋼護(hù)板擋水。設(shè)計閘底板高程5.2 m，共布置3 孔，閘孔尺寸4.8 m×71 m（高×寬），凈擋水高度4.8 m，中墩寬6.0 m，邊墩寬4.0 m，總壩寬233.0 m。

各方案優(yōu)缺點分析見表2。

綜上，從行洪影響、施工難易、景觀效果、運行管理、使用壽命等方面進(jìn)行比較，鋼壩閘方案運行、管理、維護(hù)性能較優(yōu)，景觀效果好。鋼壩閘方案工程投資方面略大于橡膠壩，但較氣盾壩投資小。綜合比選，設(shè)計壩型推薦方案二，即鋼壩閘方案。蓄水工程實施后效果見圖1。

表2 三種壩型優(yōu)缺點分析比較表

圖1 海棠灣水利樞紐工程效果圖

3 鋼壩閘布置方案

3.1 鋼壩閘布置

鋼壩閘為底軸驅(qū)動翻轉(zhuǎn)門，屬于水利工程中的翻板式閘門。目前應(yīng)用擋水高度一般在5 m左右，超過5 m，其在啟閉動力、結(jié)構(gòu)要求均有更高要求且造價高，因而本設(shè)計擬控制鋼壩閘擋水高度不大于5 m，其下采用固定壩擋水。本工程正常蓄水位10.0 m，選定鋼壩擋水高度4.8 m，即固定壩頂高程為5.2 m。

鋼壩閘能適應(yīng)10 m～100 m 的閘孔寬度。閘孔寬度較小時，墩墻及閘孔數(shù)量較多，影響整體蓄水景觀效果；閘孔寬度較大時，液壓啟閉機(jī)及鋼閘門技術(shù)要求高，造價高，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，目前國內(nèi)的鋼壩閘閘孔寬度以40 m 左右為宜，本工程鋼壩閘采用5 m×43 m 孔口布置型式，鋼壩閘閘孔凈寬為215 m。閘邊墩厚6.2 m，中墩厚8.1 m，閘室總寬度為259.8 m。

3.2 結(jié)構(gòu)計算

3.2.1 閘孔凈寬計算

根據(jù)鋼壩閘的工作特性，其過流是隨著鋼閘門翻轉(zhuǎn)開度的變化而變化的動態(tài)循環(huán)過程。目前，鋼板門翻轉(zhuǎn)開啟過程的過流能力計算尚無成熟的公式，鋼壩閘門最大開度時的水力計算，參照堰流公式。泄洪過閘落差為0.15 m，由于下游水深與閘上水頭的比值hs/H0＞0.9，且堰坎厚度與堰上水頭的比值δ/H＞2.5，為寬頂堰流，按照《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265-2016），其閘孔總凈寬可按高淹沒度堰流公式計算，計算公式如下：

經(jīng)計算，在50 年一遇設(shè)計水位14.20 m，過閘落差0.15 m，過閘流量為4750 m3/s，閘孔凈寬為215 m。過閘流量計算考慮閘了4 個中墩，頂部過洪。

3.2.2 鋼壩閘結(jié)構(gòu)計算

在校核洪水位時，廊道頂板承擔(dān)最大垂直水頭為10.9 m。采用midas Soilwork 有限元程序進(jìn)行計算，廊道頂板頂最大壓應(yīng)力0.997 kPa，頂板底最大拉應(yīng)力0.575 MPa。C25 混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1.27 MPa，按抗拉安全系數(shù)2 計算，C25混凝土的容許抗拉設(shè)計強(qiáng)度為0.635 MPa，大于頂板的最大拉應(yīng)力，因此，頂板按結(jié)構(gòu)構(gòu)造配筋即可滿足強(qiáng)度要求。計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖見圖2。

圖2 固定壩結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

4 水工模型試驗

對樞紐工程進(jìn)行整體水工模型試驗（水工模型試驗現(xiàn)場照片見圖3），結(jié)果顯示：

1）各敞泄工況下，鋼壩閘主流均位于右岸，左岸灘地基本為靜水，水流攜帶的泥沙容易沉積，應(yīng)常開沖砂閘沖砂。鋼壩閘上游右岸灘地為回流區(qū)，易產(chǎn)生淤積。

2）因下游河道地形較高，且下游河道水流下泄不暢，當(dāng)流量為500 m3/s，閘門傾角為30°，下游敞泄時，消力池中的水位較高，0+200 處水位達(dá)6.05 m，水流從鋼壩閘跌落后，在消力池中形成不穩(wěn)定水躍，建議對防沖槽后河槽加強(qiáng)防沖措施。

3）為使下泄水流更順暢下泄，建議先開啟中孔。開啟中孔后為使水流沿河道分布更為均勻，建議開啟左右邊孔，最后全部開啟。為避免頻繁開啟鋼壩閘，當(dāng)水陽江來流量較小時，建議通過鋼壩閘堰頂溢流、沖砂閘放水及電站用水來調(diào)節(jié)水位。

圖3 水工模型試驗照片

針對水工模型實驗成果，設(shè)計加強(qiáng)了閘門的剛度，使其門頂溢流達(dá)到了0.5 m；優(yōu)化了鋼閘門的控制運用，確定了更合理的閘門調(diào)度原則；優(yōu)化了消能防沖設(shè)計，加設(shè)防沖齒墻，并加大了防沖槽的拋石防護(hù)厚度、范圍。

5 結(jié)語

1）采用鋼壩閘作為海棠灣樞紐工程的蓄水閘閘型，既能滿足行洪安全、管理便捷、經(jīng)久耐用，又有很好的景觀效果，做到了一閘一景。

2）目前海棠灣水利樞紐工程即將實施，建成后有效加強(qiáng)宣城市城區(qū)供水保障，改善水陽江、雙橋河河道水環(huán)境，提升水陽江城區(qū)段景觀效果，拓展城市發(fā)展空間，為宣城市推進(jìn)東擴(kuò)戰(zhàn)略奠定良好基礎(chǔ)，對一江兩岸的城市開發(fā)起到支撐作用。

3）目前鋼壩閘在國內(nèi)尚無設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，各廠家的相關(guān)參數(shù)也各不相同，對此閘型的發(fā)展有瓶頸影響。目前安徽省已完成鋼壩閘地方標(biāo)準(zhǔn)（送審稿）的制定，正在進(jìn)行地標(biāo)的審查工作，待標(biāo)準(zhǔn)實施后，對鋼壩閘在安徽的發(fā)展起到一定的推動作用。