鋼壩技術與應用研究

徐運海，從 容，張保祥

(山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013)

鋼壩是十九世紀末、二十世紀初出現(xiàn)的，顧名思義，鋼壩是一種由鋼材材料做成的壩型，也是一種攔蓄水的結構，不是由一般的磚石、土方工程、混凝土或木建筑材料建設的攔蓄水結構[1]。

目前未見規(guī)范對鋼壩的定義，根據(jù)水工建筑物的定義，意為用鋼材建造的、不可轉動或移動的具有擋水功能的建筑物。廣義上說，以鋼材結構為受力主體或傳力的固定式擋水建筑物，可稱鋼壩。目前在水利工程建設中，通常也有把底軸驅動翻板鋼閘門叫做鋼壩的。特別需要說明的是，本文介紹的鋼壩一定是采用鋼材建造不可轉動或移動的擋水建筑物。

1 結構型式

根據(jù)鋼材的受力特性，參考一般壩工的特點，鋼壩壩型可分為桁架(梁)斜面鋼壩、直立面鋼壩、拱型鋼壩等幾種類型。

1.1 桁架(梁)斜面鋼壩

(1)斜面鋼壩：擋水面板為斜面鋼板，面板固定在桁架(梁)上，桁架錨固在基巖面上，面板成連續(xù)型布置；可采用連續(xù)式或分離式與岸邊連接，桁架間距(中心距)一般在3～5 m左右。面板厚度隨高度變化。圖1為斜面鋼壩示意圖。壩面上游坡度為1∶1～1∶3。

(2)斜面波紋鋼壩：擋水面板為曲面形鋼板，其他與斜面鋼壩同。圖2為該壩型的斜面波紋鋼壩示意圖。

圖1 斜面鋼壩示意圖

圖2 斜面波紋鋼壩示意圖

1.2 直立面鋼壩

(1)桁架(梁)直立面鋼壩：擋水面板為直立面鋼板，面板固定在桁架(梁)上，桁架底部錨固在基巖面上，面板成連續(xù)型布置；面板厚度可隨高度變化。該壩型的桁架(梁)直立面鋼壩示意圖如圖3所示。

(2)斜拉直立面鋼壩：在庫水位較高時，該壩型為在直立面鋼壩上游增加一拉桿，以有效抵抗水壓力。該壩型的斜拉直立面鋼壩示意圖如圖4所示。

這種型式板塊是垂直的，就像鋼圍堰一樣，所有的力都是水平的，需要更大的拉桿和錨，以抵消水平力和彎矩。

圖3 桁架(梁)直立面鋼壩示意圖

圖4 斜拉直立面鋼壩示意圖

1.3 拱型鋼壩

(1)拱型鋼壩：擋水面板為鋼板，面板固定在桁架(梁)上，桁架做成拱圈結構，支撐在兩端基巖上，面板成連續(xù)型布置；面板厚度可隨高度變化。該拱型鋼壩示意圖如圖5所示。

圖5 拱型鋼壩示意圖

(2)柔性反拱鋼壩：擋水面板為鋼板，面板可連續(xù)型布置；固定在桁架(或兩岸)上，面板厚度可隨高度變化。該壩型的柔性反拱鋼壩示意圖如圖6所示。

圖6 柔性反拱鋼壩示意圖

2 實 例

2.1 早期美國的鋼壩工程

自1897年10月世界上第一座鋼壩建成以來，鋼壩建設的實例較少。美國在1897—1908年分別建設了三座鋼壩[3-4]，目前還剩兩座。建于1897年亞利桑那州沙漠的阿什?？?Ashfork)鋼壩，為艾奇遜機車、托皮卡和圣菲達鐵路提供用水；建成于1901年的赤脊山(Redridge)鋼壩，在密歇根半島上向郵政廠提供用水；第三座蒙大拿豪澤湖(Hauser Lake)大壩，于1907年建成但在1908年損壞。早期美國三座鋼壩特性參數(shù)見表1[3]。

表1 早期美國的三座鋼壩特性參數(shù)

2.2 現(xiàn)代國內鋼壩工程2.2.1 山東萊蕪鋼壩工程

鋼壩工程位于萊蕪市棲龍灣小流域內，是棲龍灣流域水土保持治理工程的一部分；壩址以上流域面積0.06 km2；大壩為下弧形溢流鋼壩，基礎為堅硬完整巖石；大壩最大直線長12.60 m。下弧采用圓弧線反拱式，壩頂高程105.60 m；壩體底部設混凝土底座。為保證壩體穩(wěn)定，在底座底部及兩側壩坡設錨桿。壩基最低高程100.33 m，最大壩高5.27 m。

大壩采用厚12 mm的Q345鋼板，呈下弧形。兩側錨固于岸邊；在底部和兩側基鋼板底部設混凝土支座，同時兩側設錨桿。鋼壩銹蝕防護采用油漆防護體系。

水下部位：表面處理，噴砂至Sa2.5，表面粗糙度25～75 μm；施工環(huán)境，環(huán)境溫度5～40 ℃，環(huán)境濕度<85%，基層溫度應高于露點溫度3 ℃以上；油漆配套，LP147多用途環(huán)氧底漆，60～75 μm；LT140高固態(tài)環(huán)氧涂料，150～180 μm。

水上部位：由于暴露在紫外線下，除以上措施外，增加一層聚氨酯面漆，以增加抗紫外線性能。

2.2.2 山東濟南鋼壩工程

工程位于濟南市長清區(qū)南約6 km，屬于大汶河流域潘家峪河河道治理的一部分。河道內修建梯級攔蓄壩工程，鋼壩為梯級攔蓄壩工程之一。鋼板壩樁號0+024.79～0+045.29，軸線長20.50 m，呈5個下弧型，單跨4.00 m，采用壩頂溢流。連接段右岸段長6.09 m，左岸段長5.51 m；連接段頂高程93.20 m。壩體總長32.10 m。為滿足人行要求，在鋼壩溢流段下游設人行道，橋面寬1.00 m，橋面高程89.90 m，并鋪設踏步。

溢流鋼壩平面上采用5個下弧形，鋼壩底部設混凝土底板，單跨4 m，跨端設鋼立柱；最大壩高3.75 m，壩頂高程92.20 m；壩正常擋水位92.20 m，設計洪水位92.99 m，溢流段單跨長4.23 m，總長21.65 m。壩體材料上部為鋼板壩、底部為混凝土底板。

鋼板厚10.00 mm，鋼壩6個支撐柱采用40c普通工字鋼，置于鋼板下游側；為安全計，在鋼板上游側設D15鋼管拉向庫區(qū)，鋼管底部設d32錨桿，頂高程90.40 m。鋼板、工字鋼通過螺栓及預埋件與底板連接。鋼板下游設角鋼固定于預埋鋼板上，并在上游側設膠止水。底板順水流方向長2.50 m，頂高程89.90 m，厚0.45 m，上游設齒槽，C25鋼筋混凝土結構。

底板中間分縫，順水流方向頂、底層選配Φ16@200鋼筋，垂直水流方向頂、底層選配Φ14@200鋼筋；底板混凝土采用貝利特低熱水泥?；炷量?jié)B等級W4，抗凍等級F150。

混凝土底部每隔1.00 m設Φ22螺紋鋼錨桿，錨桿長2.50 m，外徑93.00 mm。

兩座鋼壩工程經歷了多次洪水考驗，目前結構穩(wěn)定，運行正常。

3 應用分析

3.1 優(yōu)缺點

鋼壩的優(yōu)缺點如下：

優(yōu)點：(1)即使是在19世紀初，鋼鐵制造技術也可以比磚石建筑更快、更便宜。(2)地基是成功的大壩的關鍵，壩體為靜定結構，受力條件明確，計算成果可靠。(3)鋼比混凝土更具靈活性，更能抵抗因地面沉降、位移、變形導致的事故。(4)霜凍的影響并不像混凝土或磚石那樣顯著。(5)非災難性泄漏可以通過焊接來解決。

缺點：(1)大壩的長期強度尚不清楚，美國早期的兩座鋼壩目前未見觀測資料；國內新建鋼壩時間短，缺乏詳實的觀測資料。(2)鋼材輕型結構，比其它類型的大壩更易磨損。(3)維修費用較高，存在銹蝕和腐蝕問題。(4)鋼材運行中可能產生應力集中，這可能導致應力開裂而損毀。(5)與其他水壩一樣，壩體破壞是一種可能的失敗模式，這被認為是Hauser湖大壩失敗的原因。由于存在上述不足，導致鋼壩技術沒有得到相應推廣、應用。

3.2 前 景

針對鋼壩沒有推廣應用的問題，今后需要從以下幾方面入手：(1)是對已建或新建鋼壩進行監(jiān)測、觀測和安全評定。(2)是根據(jù)鋼材的物理特性和鋼壩型式，繼續(xù)開展鋼壩結構特性研究，完善設計理論和設計方法。(3)是開展鋼壩防銹蝕研究，提出可行的防銹蝕方法。(4)是總結鋼壩施工技術和方法，創(chuàng)造推廣條件。(5)是盡快組織編制行業(yè)設計規(guī)程或規(guī)范，推廣應用鋼壩。(6)是參考現(xiàn)有大壩安全鑒定規(guī)范，提出鋼壩安全鑒定規(guī)程等。

鋼壩擋水結構充分利用鋼材抗拉能力，突破了傳統(tǒng)擋水構件的受力狀態(tài)。鋼壩可用“工廠化加工構件、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，可以實現(xiàn)快速施工。將鋼壩用于河道及景區(qū)工程并取得成功，表明該壩型具有一定優(yōu)越性。英國建于1779年的科爾布魯克德爾大橋，是世界上最早的鑄鐵橋，橋跨長約30.0 m、高度12.2 m；距今已有239年，但現(xiàn)在仍在使用，接待世界各地的游客。表明鋼材銹蝕今后可以得到有效控制，銹蝕不是影響鋼壩發(fā)展的制約因素。集成式啟閉臥倒式鋼壩閘在近幾年得到廣泛推廣應用，鋼壩與鋼壩閘具有受力特性相似的特點，對鋼壩閘的研究已成熟，為鋼壩應用提供了借鑒和可能。

目前，隨著我國生態(tài)文明建設的發(fā)展，如何保護好綠水青山，鋼壩可以作為一種水利工程建筑型式，也是生態(tài)建設發(fā)展的需要。因此，鋼壩預期具有廣闊的應用前景。

4 結 語

自世界上第一座鋼壩建成以來，至今已有近120年。隨著社會與科技的進步，新的壩型不斷出現(xiàn)，人們對河道治理、景區(qū)建設提出了更高的要求，要求壩不僅能蓄水，還要更具美觀；鋼壩技術正是在這一背景下提出的。利用鉤螺栓或焊接，將一塊塊鋼面板聯(lián)結在一起，形成不可分割且具有一定柔性的整體鋼壩壩面，將壩體固定在與岸邊基巖或連接件上，即為鋼壩。作為一種新壩型，它具有工廠化施工、施工工期短、運行可靠、美觀、符合環(huán)保要求、占地少等特點。