鞍山市南沙河橡膠壩改造為液壓壩優(yōu)化設(shè)計

王守嶺,付 衛(wèi)

(1.遼中區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與行政執(zhí)法中心, 遼寧 沈陽 110206 ; 2.鞍山市水利局, 遼寧 鞍山 114000)

1 改造工程概況

南沙河發(fā)源于千山山脈，河長67 km，流域面積458 km2，是流經(jīng)鞍山市城區(qū)的主要河流，經(jīng)沈大高速路于遼陽縣入太子河。

工程位于鞍山市勝利路橋上游1110 m處，原橡膠壩設(shè)計壩長160.0 m，設(shè)計壩高3.4 m，中墩厚0.8 m，泄流凈寬158.4 m，由兩座中墩分成三跨，每跨52.8 m，底板高程23.5 m，為楔塊錨固堵頭式橡膠壩袋。上游鋪蓋、底板、下游消力池、海漫護坦及兩岸翼墻均為C20F200鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。工程建于2006年，由于受當時技術(shù)條件及橡膠壩固有弱點所限，工程運行后，未到使用年限便經(jīng)歷破損修復再破損又修復的過程，造成維修及維護費用過高，每年需維養(yǎng)費用10萬元。

2 改造分析

2.1 壩型方案比選

南沙河屬山區(qū)河流， 原有橡膠壩經(jīng)多年運行，其堅固性較差，維護費用較高，使用年限較短等缺點己顯現(xiàn)，如采取更換壩袋更新充排水管路及機電設(shè)備，顯然己無法滿足河道對壩體的需求，沒有投資價值[1]。 對不同壩型性能對比分析(見表1)可知，鋼壩閘和液壓升降壩景觀效果都很好，但由于前者造價較高，不適合區(qū)域經(jīng)濟情況，因此液壓壩成為本地區(qū)蓄水造景美化城區(qū)環(huán)境的首選。

表1 各壩型性能對比

2.2 改造工程的優(yōu)勢

2.2.1 工程范圍小投資少

由于改造工程沿用原有橡膠壩工程基礎(chǔ)底板，只在原消力池斜坡段新建液壓壩底板基礎(chǔ)，且長度只有十余米，因此無需拆除底板及開挖回填土方，節(jié)省大量鋼筋混凝土等建筑材料，比較同等規(guī)模攔河工程，土建工程規(guī)模較小，節(jié)省大量人力物力財力[2]。避免了拆除重建造成的資源浪費及重復投資，改造工程在節(jié)省投資方面效果顯著。

2.2.2 施工簡便工期短

與新建工程相比，改造工程省去了較多耗工耗時的施工程序，只要做好新澆筑底板與原消力池底板的結(jié)合處理及壩體安裝調(diào)試等工序，即可達到工程使用要求，因此施工簡單易行，可最大程度地縮短工期，不會影響防洪度汛[3]。

2.2.3 運行管理方便

液壓壩只需2～3 min即可完成升降壩過程，啟閉速度快，故障率低，節(jié)約維護費用。設(shè)備利用集成液壓系統(tǒng)控制，自動化程度高，并可根據(jù)工程需要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠程控制，更加便于安全運行及管理[4]。

3 液壓升降壩工程優(yōu)化設(shè)計與技術(shù)措施

3.1 設(shè)計理念與原則

改造工程以提高城市防洪標準恢復自然生態(tài)環(huán)境為設(shè)計理念，在保障河道防洪安全的前提下，形成自然和諧的水環(huán)境，完善城市功能，提高城市品質(zhì)。在具體實施上遵循防洪兼顧蓄水、經(jīng)濟合理可行的原則，建成集蓄水綠化美化為一體的生態(tài)景觀帶，助力旅游及人文產(chǎn)業(yè)，帶動區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展[5]。

3.2 液壓升降壩總體布置

3.2.1 工程優(yōu)化設(shè)計

(1)壩底板高程的確定?？紤]南沙河多沙的河流特性，工程為最大限度地滿足泄洪要求并減少河道的淤積，以利于汛期行洪排沙，根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)，河底平均高程為23.2 m，因此新建底板高程與其保持一致，低于原橡膠壩底板高程0.3 m，臥壩后壩體表面與原底板高度齊平，更利于泄洪時排沙清淤。

(2)單扇壩寬的確定。原壩址軸線長度為160.0 m，新建基礎(chǔ)總寬不變。液壓壩的單扇經(jīng)濟壩寬在5.0～7.0 m，考慮到壩體過寬易變型影響止水效果，因此確定閘門單扇寬度為5.0 m，共32扇。

(3)壩頂高程的確定。 為解決原橡膠壩工程設(shè)計高度偏低，造成上游回水長度不足的問題，保證改造工程蓄水后水面高于左岸灘面形成淺水區(qū)，又不宜過高而對右岸耕地造成浸沒影響，根據(jù)壩址兩側(cè)地形條件，滿足主河槽形成穩(wěn)定的回水面積及保證安全的下泄流量[1]最后確定閘頂高程為27.0 m，即閘門高度為3.8 m。

(4)閘底板設(shè)計。根據(jù)液壓壩的安全運行、檢修特點及廠家的設(shè)計要求，確定新建底板厚度為1.4 m，長度為12.9 m，其中包括水平段8.0 m，斜坡段4.9 m，坡比采用1∶ 3.5。

3.2.2 液壓壩操作間

原橡膠壩泵房利用原結(jié)構(gòu)，經(jīng)拆除機電設(shè)備后改造為液壓壩操作間，將64根(每扇閘門2根)液壓油管經(jīng)底板預留油槽引至操作間內(nèi)液壓泵，主控電腦及其他設(shè)備按要求布置，油槽內(nèi)油管經(jīng)防水處理后填筑二期混凝土封堵，以利于后期檢修。

3.3 改造施工技術(shù)措施

(1)原消力池底板結(jié)合面鑿毛處理后，按設(shè)計方案配筋間距鉆孔，孔內(nèi)預埋錨筋，達到規(guī)定強度后，與新布設(shè)的鋼筋網(wǎng)焊接，預埋壩體液壓桿基座固定螺栓后澆筑混凝土，保證新澆底板整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

(2)混凝土的高程、斷面尺寸及預埋螺栓位置符合圖紙設(shè)計尺寸，各部位錨栓經(jīng)調(diào)整后與支架焊牢，避免澆混凝土過程中發(fā)生位移。

(3)埋件安裝完成后，經(jīng)檢查合格及時澆筑混凝土，拆模后根據(jù)土建移交的閘軸線復測，有問題及時調(diào)整并做好記錄，以免影響壩體安裝[1]。

(4) 底板采用分縫澆筑，單塊寬10.0 m，縫寬2 cm，采用木板瀝青填縫，縫間設(shè)置651型橡膠止水帶，滿足裂縫控制及防止不均勻沉降。

(5)兩岸翼墻與壩體側(cè)止水結(jié)合處采用白鋼板護面，用以減小磨擦及增強止水效果。

(6)原底板兩處中墩采取機械加人工的辦法拆除，避免對底板結(jié)構(gòu)的破壞，基底清理后將裸露鋼筋對接補焊澆筑混凝土，凝固達到強度后清除接縫處混凝土，經(jīng)磨光處理平緩過渡。

4 改造工程功能復核

4.1 閘室穩(wěn)定計算

根據(jù)設(shè)計規(guī)范，閘室穩(wěn)定計算宜取相鄰順水流方向永久縫之間的閘段寬度作為計算單元，故本工程選取10 m作受力單元計算[2]。

閘室基底應力采用式(1)～式(2)計算:

(1)

(2)

式中：σmax(min)為閘室基底應力的最大(小)值，kPa;∑G為作用于閘室上的全部豎向荷載, kN;∑M為作用于閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩， kN·m;A為閘室基底面的面積，m2;W為閘室基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3;η為閘室基底不均勻系數(shù)。

抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用式(3)計算

Kc=f(∑G)/(∑H)

(3)

式中:Kc為閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f為閘基底面與地基之間的摩擦系數(shù)(取值0.5);∑G為作用在閘基上的全部豎向荷載，kN;∑H為作用在閘基上的全部水平向荷載，kN。

計算結(jié)果見表2。

表2 穩(wěn)定計算結(jié)果

由表2中數(shù)據(jù)可知，基底應力不均勻系數(shù)小于允許值，而抗滑穩(wěn)定系數(shù)大于允許值，因此工程滿足穩(wěn)定性要求。

4.2 消能工況尺寸復核

當壩頂溢流時泄水量較小，泄流能力有限，對防沖基本沒有影響。閘門臥壩后水流在河床行進時水頭差小，對下游防沖也基本沒有影響。其最不利工況是在液壓壩蓄水后降壩過程中，故可按壩面與立面呈20°、40°、60°三種工況復核，由表3可知，工程滿足消能防沖要求。

表3 消能成果計算對比 m

5 改造后工程運行情況

工程運行蓄水后，形成最大水深3.3 m、蓄水面積40 hm2、回水長度2300 m的人工湖面，增加了本地區(qū)水容量和空氣濕度，改善了本地區(qū)局地小氣候，促進了生態(tài)河道的建設(shè)，美化了城市環(huán)境，成為鋼城市民休閑娛樂健身的好去處，實現(xiàn)了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。工程運行后，閘門啟閉自如，升降迅速，經(jīng)歷過多次泄洪考驗，運行狀況良好。

6 結(jié) 語

攔河閘壩是河道蓄水抬高水位所必需的水工建筑物，隨著城市河道治理對景觀性以及安全性的要求不斷提高，許多新型壩閘得到了廣泛應用。本次改造工程充分利用原工程建筑基礎(chǔ)，只作少量改進以適應新壩型，降低工程投資縮短工期的同時，節(jié)約了運行管理等費用，取得了較好的社會效益及生態(tài)效益，可為類似工程提供借鑒。