鋼壩閘在長(zhǎng)灘寺河生態(tài)建設(shè)工程中的應(yīng)用

馮健南,趙 飛

(1.河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司,南京 210098;2.江蘇永輝水利工程設(shè)計(jì)有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225100)

1 背 景

長(zhǎng)灘寺河是一條以行洪為主的條帶型山丘區(qū)河道,特點(diǎn)是汛期行洪流量大,河道流速超過(guò)2m/s,如采用生態(tài)浮床技術(shù)、挺水、沉水植物等原位治理措施,汛期易被沖毀;非汛期幾乎無(wú)水,流速僅有0.01m/s,水動(dòng)力較弱,污染物易沉積;根據(jù)水環(huán)境治理水質(zhì)凈化方案選擇微生物濾池與鋼壩閘旁路水質(zhì)凈化技術(shù),即,采用鋼壩閘,抬高河道常水位,在鋼壩閘一側(cè)設(shè)置高效微生物濾池,鋼壩閘上游水體自流入微生物濾池,進(jìn)行深度凈化,通過(guò)濾池凈化水體水質(zhì),降低水體中污染物含量,保證出水水質(zhì)達(dá)地表Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn); 剩余水量直接通過(guò)鋼壩閘溢流至下游。

通過(guò)下游不間斷的水質(zhì)監(jiān)測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)水質(zhì)突然惡化等現(xiàn)象,啟動(dòng)鋼壩閘至東湖下游設(shè)置的泵站,將水抽送至鋼壩閘上游,回流入濾池的凈化系統(tǒng),保障河道水質(zhì)穩(wěn)定[1]。

2 閘型選擇

本工程攔河閘主要作用是抬高水位,為水質(zhì)凈化設(shè)備提供凈化條件,水位抬高后提高水環(huán)境容量,同時(shí)考慮長(zhǎng)灘寺河行洪要求,需做到結(jié)構(gòu)安全可靠,布置緊湊合理﹑功能齊全,使用靈活方便,并且兼顧景觀效果。

2.1 傳統(tǒng)攔河閘

傳統(tǒng)攔河閘閘型一般有開(kāi)敞式水閘、涵洞式水閘和胸墻式水閘等三種型式。

開(kāi)敞式水閘:開(kāi)敞式,過(guò)閘水流呈自由水面,當(dāng)閘門(mén)全部打開(kāi)時(shí),過(guò)閘斷面和過(guò)流量都隨著水位抬高而增加,過(guò)流不受阻擋,適用泄流較大的河道。

涵洞式水閘:修建在引排水流量不大的河渠上,靠涵洞洞身填土擋水,本工程河道較寬,流量較大,基本不適用。

胸墻式水閘:利用胸墻減少閘門(mén)高度,水流通過(guò)固定孔洞下泄,自由水面受閘室上部的胸墻所擋,該閘型可降低閘門(mén)的高度,從而降低啟閉機(jī)平臺(tái)高度,由于本工程長(zhǎng)灘寺河屬山丘區(qū)河道,泄洪時(shí)往往上游會(huì)有樹(shù)木及雜物等漂浮在水面,基本也不適用。

本工程中適用的傳統(tǒng)閘型為開(kāi)敞式水閘,但由于本工程位于城區(qū),開(kāi)敞式水閘具有高排架和啟閉機(jī)房,景觀效果較差,不考慮使用[2-4]。

2.2 景觀效果較好的鋼壩閘、橡膠壩

鋼壩閘:鋼壩閘是一種底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門(mén),由固定底軸的閘門(mén)門(mén)體、液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備及配套的土建結(jié)構(gòu)組成[5]。閘室一側(cè)或兩側(cè)的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)驅(qū)動(dòng)底軸,帶動(dòng)鋼壩閘閘門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng),用以蓄水或泄水。鋼壩閘整體由上游連接段、閘室控制段、下游連接段組成。閘室側(cè)設(shè)置空箱,內(nèi)置驅(qū)動(dòng)啟閉機(jī)及電氣控制設(shè)備。

橡膠壩:橡膠壩的骨架為高強(qiáng)度合成纖維,內(nèi)外涂敷橡膠保護(hù)層,形成橡膠壩壩體,錨固于閘室底板上形成封閉空間。運(yùn)行時(shí),向壩體袋內(nèi)充水或排水,用以充滿立壩擋水,排空塌壩泄水。橡膠壩整體主要由上游連接段、壩袋主體工程及下游連接段組成。充排水系統(tǒng)布置于閘室兩側(cè)。

兩種壩型在汛期時(shí)均可完全臥倒,不影響長(zhǎng)灘寺河河道的行洪,立壩時(shí),河道上部無(wú)設(shè)施,景觀效果較傳統(tǒng)閘型好,同時(shí)也能形成漫水瀑布的效果,遠(yuǎn)處看不到建筑物。

鋼壩閘土建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,景觀效果較好,升壩蓄水、臥壩行洪的方式調(diào)控水流,對(duì)地基承載力要求不高;啟閉速度快,不影響河道行洪,能適應(yīng)山丘區(qū)峰高、量 小、歷時(shí)短的洪水特性;隨著國(guó)產(chǎn)設(shè)備費(fèi)用的逐步降低,運(yùn)行維護(hù)成本也相應(yīng)下降。設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)50～60a,產(chǎn)品采用集成式啟閉機(jī)啟動(dòng),啟閉速度可達(dá)1～2m/min,3min內(nèi)即可完成升壩或臥壩,突發(fā)洪水時(shí)能保證及時(shí)泄洪。同時(shí)鋼壩閘可根據(jù)業(yè)主對(duì)水位的不同需求,可實(shí)現(xiàn)0°～90°內(nèi)任意角度調(diào)節(jié)。

橡膠壩每次擋水、排水啟閉時(shí)間較長(zhǎng),不利于排澇、行洪時(shí),同時(shí)由于本工程河道屬山丘區(qū)河道,塊石易割破氣囊,同時(shí)橡膠氣囊長(zhǎng)期暴露在外,實(shí)際壽命往往小于實(shí)驗(yàn)數(shù)值,橡膠壩壽命一般10～15a。

經(jīng)比選,綜合考慮耐久性,山丘區(qū)河道的洪水特性,使用年限等因素,本工程采用鋼壩閘閘型。

3 鋼壩閘設(shè)計(jì)

3.1 水位組合

根據(jù)水文計(jì)算,長(zhǎng)灘寺河10a一遇設(shè)計(jì)流量135m3/s,20a一遇設(shè)計(jì)流量177m3/s,鋼壩閘上游保水水位376m,下游水位374m。

表1 鋼壩閘1水位組合表

3.2 總體布置

鋼壩閘位于長(zhǎng)灘寺河自生橋上游約250m位置處,布置于長(zhǎng)灘寺河上,軸線與長(zhǎng)灘寺河順接,控制室布置于工程?hào)|側(cè),工程西側(cè)布置凈化系統(tǒng)配套的微生物濾池。鋼壩閘由閘主體、上游鋪蓋、上游海漫、下游消力池、下游海漫、下游防沖槽及上下游翼墻組成。

鋼壩閘底板為C25鋼筋混凝土,上游底板高程374m,閘孔凈寬25m,閘門(mén)擋水高度2m;閘底板順?biāo)鞣较?6m,地面高程378m;上游側(cè)布置C25鋼筋混凝土護(hù)底,底板高程374m,長(zhǎng)10m;護(hù)底后接25m長(zhǎng)海漫;下游側(cè)布置長(zhǎng)12m長(zhǎng)消力池,消力池深度1.0m;消力池后接25m長(zhǎng)海漫,海漫末端接拋石防沖槽;上下游翼墻均為C25鋼筋混凝土懸臂或扶壁擋墻。上下游海漫均采用200厚C20素混凝土+100厚碎石+100厚黃砂+250g/m2土工布的結(jié)構(gòu)形式。閘室兩側(cè)布置空箱設(shè)備間,內(nèi)布置液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制。

3.3 工程設(shè)計(jì)

1)孔徑核算:當(dāng)上游水位376.53m,下游水位376.43m時(shí),取設(shè)計(jì)流量Q=135m3/s,按實(shí)用堰淹沒(méi)出流公式計(jì)算:

(1)

式中:Q為過(guò)閘流量,m3/s;B0為閘孔總凈寬,m;H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深,對(duì)于閘前水面較寬的水閘,不應(yīng)計(jì)入行近流速,m;m為晏流流量系數(shù),可近似采用m=0.385;ε為側(cè)收縮系數(shù);H0為包括行近流速水頭在內(nèi)的進(jìn)口水深,m;g為重力加速度;σ為淹沒(méi)系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算,B0=16.91

當(dāng)上游水位376.82m,下游水位376.72m時(shí),取校核流量Q=177m3/s,按實(shí)用堰淹沒(méi)出流公式計(jì)算,B0=19.62

2)消能防沖計(jì)算:消能水位組合:上游376.82m,下游376.52m;按按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄公式經(jīng)計(jì)算:消力池需要的深度為0.15m,消力池長(zhǎng)度7.96m,實(shí)際采用的池深、池長(zhǎng)分別為1.0m、12.0m,滿足要求。消力池厚度根據(jù)抗沖、抗浮要求,經(jīng)計(jì)算,消力池底板始端厚度t為0.37m,實(shí)際厚度取0.7m,滿足要求。

3)海漫長(zhǎng)度計(jì)算:海漫長(zhǎng)度根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B.2.1公式:

(2)

式中:KS為海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù),取11;qs為消力池末端單寬流量;△H′為閘孔泄水時(shí)的上下游水頭差。

所需海漫長(zhǎng)度為23.17m,實(shí)際采用25m,滿足要求。

4)防滲計(jì)算:上下游最大水位差2.0m,閘基防滲段土質(zhì)為粉質(zhì)黏土,查《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》,取滲徑系數(shù)C=9,所需滲徑長(zhǎng)度L=18m,實(shí)際防滲總長(zhǎng)度34m,滿足防滲要求;經(jīng)計(jì)算,側(cè)向防滲也滿足要求。

5)閘室穩(wěn)定計(jì)算:閘室穩(wěn)定計(jì)算公式如下:

(3)

式中:pminmax為閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值,kPa;∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載,kN;∑M為作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩,kN·m;b為計(jì)算閘室段的寬度,m;L為底板長(zhǎng)度,m;Kc為沿泵室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f為泵室基底面與地基之間的摩擦系數(shù),取0.30;∑H為作用在泵室上的全部水平向荷載,kN。

閘站地基為地基承載能力160kPa,地基綜合摩擦系數(shù)取0.30。閘室穩(wěn)定計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 鋼壩閘閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表2可知,鋼壩閘閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、不均勻系數(shù)及地基承載能力均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

鋼壩閘是一種新的閘型,主要優(yōu)點(diǎn)有新穎、美觀和實(shí)用,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展,大跨度、低水頭的攔河閘壩發(fā)展迅速,鋼壩閘在城市景觀河道治理中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,文章通過(guò)對(duì)岳池縣長(zhǎng)灘寺河生態(tài)建設(shè)工程的攔河閘的閘型比選及鋼壩閘的設(shè)計(jì)應(yīng)用的介紹,鋼壩閘不僅具有生態(tài)景觀功能,同時(shí)也為山丘區(qū)河道的旁路水質(zhì)凈化提供條件,可為類(lèi)似工程提供借鑒。