不同地形條件的大型水閘橋頭堡設(shè)計(jì)研究

張文欽,莊才寶

(1.山東省水利勘測設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013;2.沂水縣跋山水庫管理處,山東 沂水 276400)

水閘是調(diào)節(jié)水位、控制流量的低水頭水工建筑物，是水資源合理調(diào)配的有效手段，在防洪、治澇、灌溉、供水、航運(yùn)、發(fā)電等方面應(yīng)用十分廣泛。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，各地對水閘建設(shè)如何融入環(huán)境提出了更高的要求，新頒布的SL265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》也提出了環(huán)境協(xié)調(diào)要求的條款。目前國內(nèi)外有關(guān)水閘的研究大都停留在對水閘基礎(chǔ)布置以及機(jī)電設(shè)備的革新和應(yīng)用上，這些設(shè)施大都處在地下、半地下或隱蔽的內(nèi)部位置，而對如何協(xié)調(diào)橋頭堡建筑與環(huán)境的問題的研究還處于起步階段。對于不同地形地理?xiàng)l件的水閘橋頭堡的型式尚無系統(tǒng)研究。為此，研究不同地形地理?xiàng)l件下的各種水閘橋頭堡的型式和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可為大型水閘的型式設(shè)計(jì)研究開創(chuàng)新的思路，為相關(guān)部門提供工程的可行性研究、水閘工程的選址、方案比選等方面提供決策參考，提升大型水閘設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)大型水閘與生態(tài)環(huán)境的融合。

1 橋頭堡的作用

本文所指的大型水閘橋頭堡是指位于交通橋或水閘一端(或兩端)，具有房屋屬性、能夠放置水工機(jī)電設(shè)備、控制該水閘水工機(jī)械的功能，具備大型水閘工作或觀光人員出入且兼有一定審美功能的水工建筑物、構(gòu)筑物。

各類水閘的工程規(guī)模應(yīng)嚴(yán)格按現(xiàn)行SL265—2016的規(guī)定劃定水閘工程等級。大型水閘按閘門啟閉機(jī)形式劃分可分為固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)、液壓式啟閉機(jī)和螺桿式啟閉機(jī)等多種形式，其中液壓式啟閉機(jī)水閘可不設(shè)機(jī)房，只設(shè)橋頭堡和電氣設(shè)備間。近年來，由于新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，大跨度閘門的技術(shù)形式不斷推陳出新，但現(xiàn)在大型水閘最常用的還是固定式啟閉機(jī)。這種形式的水閘設(shè)有機(jī)房，可方便工作人員操作、運(yùn)行、檢修，且運(yùn)行故障較少，維護(hù)費(fèi)用低，使用壽命較長，雖略顯傳統(tǒng)，但在當(dāng)前和今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍將更多地使用這種橋頭堡和機(jī)房相連的形式。

橋頭堡依附于大型水閘，相互作用，缺一不可。大型水閘橋頭堡(以下簡稱橋頭堡)一般具有四種功能：實(shí)用、警示、疏散和審美功能。這四種功能相互依存，缺一不可。實(shí)用功能：安放機(jī)電、配電設(shè)備、布置線路；是連接閘室和地面的紐帶，便于操控人員集中控制，保證大型水閘正常的調(diào)度運(yùn)行。警示功能:由于橋頭堡常建于道路與河流的交界處，往往可以成為道路與河流的分界點(diǎn)，車輛、行人在道路上距離橋很遠(yuǎn)的地方就可以看見橋頭堡，警示和提醒車輛、行人通過交通橋注意安全。疏散功能：一般情況下，橋頭堡人流的主要出入口和應(yīng)急消防疏散通道位于機(jī)房兩側(cè)，發(fā)揮著重要的人員疏散作用。審美功能：在當(dāng)前生態(tài)景觀水利的大背景下，橋頭堡的美觀越來越受到人們的重視。結(jié)合水利風(fēng)景區(qū)建設(shè)，橋頭堡常常成為一個(gè)景區(qū)的焦點(diǎn)、亮點(diǎn)。很多大型水利樞紐在不影響正常調(diào)度運(yùn)行的前提下開發(fā)旅游，收到了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2 不同地形地理?xiàng)l件下橋頭堡設(shè)計(jì)

按照不同的地形地理?xiàng)l件把橋頭堡設(shè)計(jì)分成五類進(jìn)行論述。①平原地區(qū)橋頭堡；②丘陵地區(qū)橋頭堡；③高山地區(qū)橋頭堡；④地震設(shè)防級別較高區(qū)域的水閘暗堡；⑤水網(wǎng)交錯(cuò)的立交式橋頭堡。

設(shè)計(jì)原則：橋頭堡的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循實(shí)用、節(jié)能、美觀、協(xié)調(diào)的原則。實(shí)用是各類工程設(shè)計(jì)的根本目的。節(jié)能、美觀、協(xié)調(diào)是在實(shí)用功能基礎(chǔ)上的更高要求。

各類帶有吊裝式閘門的橋頭堡主要應(yīng)考慮以下設(shè)計(jì)要素：①橋頭堡控制室的標(biāo)高，是由啟閉機(jī)房的高度決定的。一般應(yīng)將控制室布置在緊靠啟閉機(jī)房，這樣布線較短，便于直接操控。②較重的柴油發(fā)電機(jī)等重型設(shè)備一般應(yīng)放在一層，以減輕橋頭堡的設(shè)備重力對梁板柱的荷載和震動(dòng)。③橋頭堡一層的室外地坪應(yīng)具有通往交通橋和橋頭堡各層的樓梯或電梯疏散通道。④為便于機(jī)房頂部維修，觀景層一般應(yīng)有通往機(jī)房頂?shù)耐ǖ?。⑤對稱式橋頭堡是大型水閘常用的形式，當(dāng)不完全對稱時(shí)水閘的另一端應(yīng)具有機(jī)房通往交通橋或地面的樓梯或電梯。

橋頭堡室外地坪的確定往往是橋頭堡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)，本文所指的基于不同地形地理?xiàng)l件，可以認(rèn)為是橋頭堡的室外地面標(biāo)高，而這個(gè)標(biāo)高的不同，決定著橋頭堡的造型的千差萬別。依據(jù)以上五種要素，無論橋頭堡處于何種地形地理?xiàng)l件，都可以布置出適應(yīng)該條件的橋頭堡。

2.1 平原地區(qū)橋頭堡設(shè)計(jì)

平原地區(qū)的大型水閘是目前水閘地形的基本形式。目前山東境內(nèi)80%的大型水閘是平原水閘。這種形式的橋頭堡設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循下列程序：①設(shè)定橋頭堡的室外標(biāo)高，一般與交通橋同高或略有高差，以方便人員、車輛出入和逗留。②橋頭堡軸網(wǎng)的設(shè)定，應(yīng)兼顧機(jī)房位置、寬度，同時(shí)依據(jù)電氣所提尺寸確定控制層控制室、低壓配電室的開間進(jìn)深。同時(shí)還應(yīng)兼顧一層發(fā)電機(jī)組和高壓配電室的外形尺寸來確定軸網(wǎng)。③確定主入口。一般情況下，因機(jī)架橋與交通橋的垂直距離較近，橋頭堡的主入口不宜正對交通橋，以防止人員和車輛的流動(dòng)交叉。當(dāng)必須向交通橋開門時(shí)，門前應(yīng)留有足夠的安全距離，一般應(yīng)距交通橋邊緣2m以上。④橋頭堡層數(shù)的設(shè)定。橋頭堡建筑設(shè)計(jì)思路常常需要采用倒推法，即依機(jī)架橋端部而建，由控制層向一層推進(jìn)。按照每層3.6m左右的原則，一般情況下，當(dāng)控制層標(biāo)高與橋頭堡室外地坪標(biāo)高超過6～9m則控制層以下可作兩層。9～12m則可以考慮做三層，以此類推。⑤依據(jù)控制層和發(fā)電機(jī)層布置輔助層(常在二層或觀景層)?？刂茖右韵碌妮o助層常是起到調(diào)節(jié)橋頭堡層高的樓層。而控制層以上的樓層多為觀景層，觀景層多數(shù)是為了觀光和審美上的需要，它是整個(gè)橋頭堡的視覺中心，它的立面、屋頂造型和色彩的美觀至關(guān)重要。⑥兼顧機(jī)房，和周圍環(huán)境設(shè)定橋頭堡的立面風(fēng)格。如圖1所示。

圖1 平原地區(qū)的水閘立面型式

2.2 丘陵地區(qū)橋頭堡設(shè)計(jì)

圖2 橋頭堡室外地坪標(biāo)與機(jī)架橋相當(dāng)?shù)乃l立面

圖3 橋頭堡高于交通橋而低于機(jī)架橋的水閘立面

這種地形又分為了3種。①橋頭堡室外地坪標(biāo)高大致與機(jī)架橋相當(dāng)，如圖2所示。這種情況下橋頭堡的室外應(yīng)具有足夠的空間，以保證布置柴油發(fā)電機(jī)組和備用機(jī)組，以及控制室、高低壓配電室，柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)布置在距離交通橋較遠(yuǎn)的相對隱蔽的地方，以減少噪聲對交通、控制室、配電室的噪聲污染，同時(shí)應(yīng)注意發(fā)電機(jī)室的通風(fēng)良好。②橋頭堡室外地坪雖然高于交通橋，但又低于機(jī)架橋。當(dāng)橋頭堡的室外地坪距機(jī)架橋3.6m以上，則可仍將發(fā)電機(jī)室布置在一層，將控制層布置在與機(jī)架橋?qū)?yīng)的層，如圖3所示。③室外地坪低于交通橋的橋頭堡的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下因素：第一，擋水墻的處理。當(dāng)橋頭堡室外地坪低于交通橋，且低于預(yù)期洪水位時(shí)，應(yīng)在隱蔽的位置設(shè)置集水坑和備用排水裝置，同時(shí)將周圍的墻壁做嚴(yán)密的防水處理?；?qū)蝾^堡低于預(yù)期水位的樓層建成封閉的地下室的形式，以保證雨水全部排出橋頭堡周圍區(qū)域。第二，首先基于電氣資料布置控制層平面，再由控制層推導(dǎo)出一層位置。在機(jī)房和橋頭堡之間留出變形縫，一般為100mm。再向外偏移120mm的位置上確定橋頭堡的近機(jī)房側(cè)軸線。各層相互兼顧，向外推進(jìn)布置軸網(wǎng)。第三，軸網(wǎng)布置好后，確定橋頭堡的主入口。主入口的位置應(yīng)當(dāng)既方便通往交通橋，又方便進(jìn)入橋頭堡各層。可以使用室內(nèi)主樓梯加室外輔助樓梯的方案，或者室內(nèi)電梯加室外輔助樓梯的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。第四，根據(jù)控制層和一層平面，結(jié)合立面造型推導(dǎo)出中間層的平面布置。在控制層以上的部分，雖然實(shí)用功能較小，卻是審美視覺中心，決定著整個(gè)水閘的美觀程度。這個(gè)部分常與屋面結(jié)合，還要綜合考慮外立面的整體格調(diào)，與整個(gè)水閘風(fēng)格相協(xié)調(diào)。使整個(gè)橋頭堡、機(jī)房渾然一體，如圖4所示。

圖4 室外地坪低于交通橋的水閘橋頭堡

2.3 高山地區(qū)橋頭堡設(shè)計(jì)

這種橋頭堡又分為以下三類。

(1)騎跨交通橋的橋頭堡。當(dāng)大型水閘位于險(xiǎn)要的山川之間，交通橋又位于類似關(guān)隘的交通要道上，橋頭堡常采用騎跨交通橋的形式。設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：①橋頭堡的軸網(wǎng)常以交通橋中心線為對稱軸將橋頭堡的一層分為兩部分。一般情況下將水流上游側(cè)的橋頭堡一層布置柴油發(fā)電機(jī)組、備用機(jī)組和控制室，另一部分可用于布置關(guān)隘稽查、檢查辦公室、通訊室、安全保衛(wèi)室等。②設(shè)置電梯和輔助樓梯進(jìn)入設(shè)備間、控制室、機(jī)房和堡頂。③橋頭堡的騎跨交通橋的門洞應(yīng)充分滿足規(guī)定的通行車輛或貨車的外形尺寸，以保證車輛正常通行。門洞內(nèi)可設(shè)電動(dòng)伸縮門，醒目的位置可設(shè)電子警示牌，及時(shí)通知交通信息。④涉密工程文件應(yīng)單獨(dú)編制，并注意登記分發(fā)信息。⑤為操控方便，可將控制層布置在距機(jī)房較近一側(cè)的二層，并有通道與機(jī)房相連。當(dāng)控制室與機(jī)房直接相連時(shí)，中間應(yīng)設(shè)置防火門。⑥當(dāng)騎跨式橋頭堡機(jī)房為仿古建筑時(shí)，橋頭堡的屋頂部分造型、選材、及顏色應(yīng)與機(jī)房屋頂協(xié)調(diào)一致，以突出該建筑物的整體感。如圖5所示。

圖5 關(guān)隘式橋頭堡騎跨交通橋的水閘鳥瞰圖

(2)山澗隧道跨河節(jié)制閘的橋頭堡。①當(dāng)大型水閘位于交通橋連通山澗隧道位置，而兩側(cè)的陡峭山崖無法設(shè)置橋頭堡時(shí)，可將橋頭堡建于河道中間水位較淺的位置上，兩側(cè)聯(lián)通機(jī)房。②在布置橋頭堡、機(jī)房軸網(wǎng)時(shí)，應(yīng)將橋頭堡機(jī)房與交通橋之間留出充足的緩沖空間，以保證工作人員出入橋頭堡而不影響交通。交通橋與機(jī)房之間的平行距離不應(yīng)小于3m。③橋頭堡的一層應(yīng)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組和備用機(jī)組，以及通往橋頭堡各層的電梯或輔助樓梯。當(dāng)面積需要增加時(shí)，應(yīng)盡量向河流的順?biāo)鞣较驍U(kuò)展面積，以減少對河道的水流阻力。當(dāng)橋頭堡基礎(chǔ)完全位于淹沒線以下的情況下，應(yīng)在橋頭堡的基礎(chǔ)部分設(shè)置分水墻或魚脊式分水塹，以減輕水流對橋頭堡基礎(chǔ)的沖刷，保證橋頭堡的安全性。④當(dāng)機(jī)房的總長度超過60m時(shí)，應(yīng)設(shè)置雙側(cè)橋頭堡、不完全對稱雙側(cè)橋頭堡，或在機(jī)房末端設(shè)置通往交通橋或室外的樓梯或鋼梯出入，以滿足消防疏散的需要。⑤當(dāng)確有需要，還可以建成橋頭堡同時(shí)騎跨交通橋的形式，這樣既擴(kuò)大了二層以上橋頭堡的面積，又有助于把控整個(gè)隧道間的交通橋。如圖6所示。

圖6 交通橋連接隧道的水中橋頭堡的布置(可騎跨交通橋)

(3)崖壁上的暗堡。這種水閘位于高山之澗，跨河兩端只有隧道相通，且水流湍急，不具備修建橋頭堡的條件，這種情況只能開鑿崖壁上的暗堡。暗堡應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①測定需要開鑿暗堡的山體巖層的相關(guān)參數(shù)，以確定開鑿方式。②放置設(shè)備的暗堡應(yīng)充分滿足機(jī)電設(shè)備需要的空間，并設(shè)置全天候的通風(fēng)措施。③操控室應(yīng)盡量靠近機(jī)房，以便于布線和操控，應(yīng)能夠直接(或間接通過高清設(shè)備)觀測到啟閉機(jī)和閘門的運(yùn)行情況。④開鑿空間一般應(yīng)為圓滑的拱形頂，并嚴(yán)格按照山體開鑿空間的相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)施工。⑤崖壁上的窗口不宜太大，也不宜太密集，以防削弱崖壁外側(cè)的巖體承載力。⑥應(yīng)設(shè)置通往安全地帶的應(yīng)急安全通道。⑦這種形式施工工期長，開鑿難度大，不經(jīng)濟(jì)。若非萬不得已不宜采用。如圖7所示。

圖7 開鑿于山體內(nèi)的暗堡

2.4 地震設(shè)防級別較高區(qū)域暗堡設(shè)計(jì)

在有些地區(qū)，地震的設(shè)防級別較高，而水流的垂直落差較大，這種情況下不宜建設(shè)較高的橋頭堡，可以設(shè)置與壩體、機(jī)房一體的交通橋下的暗堡。以保證設(shè)備的布置和工作人員的出入。所謂暗堡，也并不是說完全不能有高于交通橋的建筑物，可建成較為低矮、而又具有觀光效果的出入口，設(shè)置樓梯貨電梯，以便于出入交通橋下的設(shè)備暗堡。設(shè)計(jì)這種橋頭堡應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①出入口應(yīng)設(shè)在距設(shè)備間較近的位置；橋頭堡的室內(nèi)外高差應(yīng)不小于450mm，并且出入口周圍平臺應(yīng)設(shè)置排水暗溝以便于雨水迅速排走，嚴(yán)防雨水倒灌進(jìn)出入口。②進(jìn)入設(shè)備暗堡的走廊寬度不得低于2100mm，以保證設(shè)備應(yīng)急更新和維修。③可在出入口外的平臺上設(shè)置垂直吊裝井，吊裝井上口安裝可開啟、能防水的井蓋，以保證大型機(jī)械、電氣設(shè)備的吊裝更換。④設(shè)計(jì)前應(yīng)進(jìn)行充分的論證和嚴(yán)格的計(jì)算，確保暗堡設(shè)備間在可預(yù)見的洪水位線以上，以防被汛期洪水威脅。⑤在設(shè)計(jì)交通橋路面時(shí)，應(yīng)按照大型橋梁的施工工藝，除保證足夠的荷載外，還應(yīng)做好全面的橋面防水，防止雨水滲透至交通橋下帶有設(shè)備間的暗堡。如圖8所示。

圖8 抗震級別較高的區(qū)域可采用交通橋下的暗堡

2.5 水網(wǎng)交錯(cuò)的立交式橋頭堡設(shè)計(jì)

近年來由于跨流域調(diào)水的需要，出現(xiàn)了大型河流交織、并行的狀況。南水北調(diào)工程中就有多處出現(xiàn)交叉式立體水網(wǎng)的構(gòu)建形式。江蘇省淮安運(yùn)河水利樞紐工程，被認(rèn)為是亞洲規(guī)模最大的敞開式立交式水利樞紐工程。它的建成滿足了淮河入海水道泄洪和京杭大運(yùn)河通航的需要。其下部為15孔大型涵洞，上部為寬80m的京杭大運(yùn)河渡槽，位于涵洞和渡槽交叉的四個(gè)角設(shè)有兩大兩小4座橋頭堡，其中運(yùn)河渡槽兩側(cè)的對稱式大型橋頭堡高33m，采用密檐式古建筑與江南民居相融合的建筑形式，起到畫龍點(diǎn)睛的作用，成為該工程的亮點(diǎn)。

3 幾種后現(xiàn)代風(fēng)格大型水閘型式設(shè)計(jì)

大型水工建筑物的橋頭堡設(shè)計(jì)同樣會(huì)受到不同建筑理念、新材料、新技術(shù)的影響，設(shè)計(jì)風(fēng)格呈現(xiàn)出多元化的局面。設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)、美觀、適用的原則，同時(shí)又要大膽想象、勇于創(chuàng)新。這就給設(shè)計(jì)人員提出了更高要求。設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮以下幾個(gè)方面：①在確保功能需求的前提下注重外部造型，彰顯建筑個(gè)性。②橋頭堡控制室應(yīng)靠近機(jī)房，便于操控。③出入口應(yīng)明顯易找，出入方便。④無論外形如何變幻，不能違反建筑、水工、結(jié)構(gòu)、電氣金屬結(jié)構(gòu)等專業(yè)的相關(guān)規(guī)范。以下是幾種流派橋頭堡建筑的構(gòu)想圖。如圖9—12所示。

圖9 現(xiàn)代派對稱式倒椎體水閘橋頭堡

圖10 流線型未來派非對稱式水閘橋頭堡

圖11 后現(xiàn)代對稱式水閘橋頭堡

圖12 立體派對稱式水閘橋頭堡

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)研究了大型水閘橋頭堡建筑的功能和分類，重點(diǎn)研究了具有代表意義的幾種不同地形地理?xiàng)l件下橋頭堡的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，以作者彩繪示意圖的形式展現(xiàn)了不同地形地理?xiàng)l件下的橋頭堡的幾種形式和造型設(shè)計(jì)，以及鳥瞰圖的形式展現(xiàn)了現(xiàn)代派、未來派建筑等幾種造型，能夠?yàn)榇笮退l建設(shè)決策提供參考，為設(shè)計(jì)人員增強(qiáng)造型觀念、提高審美意識、創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路提供指導(dǎo)和借鑒，為大型水閘更好地融入生態(tài)環(huán)境，大幅降低工程成本提供新的范例。由于我國地形地理?xiàng)l件復(fù)雜多樣，還有很多沒能涵蓋的類型，文中不足之處敬請各位同仁指正。