唐山環(huán)城水系陡河鋼壩設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

楊克昌

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 工程概況

河北省唐山市環(huán)城水系由陡河、李各莊河、新開河、青龍河、東湖、西湖、南湖組成的河河相連及河湖相通的大小不一的水循環(huán)體系。水源包括陡河、城市中水及區(qū)域雨水。其中陡河是循環(huán)水系中最大河流，城區(qū)段15.28km，市區(qū)上游至陡河水庫(kù)段11km，總長(zhǎng)26.28km。陡河水庫(kù)以下至市區(qū)自然徑流流量少，已成一條季節(jié)性河流。為滿足環(huán)城水系景觀的需要，除了依靠陡河水庫(kù)調(diào)節(jié)向環(huán)城水系補(bǔ)水外，當(dāng)前重點(diǎn)是需對(duì)陡河進(jìn)行綜合整治，以使河道常年流水，確保河流的景觀價(jià)值。

整治陡河的主要任務(wù)不僅擴(kuò)挖河槽斷面、調(diào)整及加固兩岸堤防，還要保證在河道整體防洪標(biāo)準(zhǔn)不降低前提下在河道上修建蓄水工程，以利于河槽蓄水，改善河道水生態(tài)及兩岸生態(tài)環(huán)境。

本次確定在陡河上修建6座蓄水建筑物。為使整個(gè)河道蓄水建筑物多樣化，增加景觀效果，建筑物分別采用3座橡膠壩和3座鋼壩的結(jié)構(gòu)型式。橡膠壩分別為后屯橋橡膠壩、北外環(huán)橋橡膠壩和建華橋橡膠壩；鋼壩分別為河茵橋鋼壩、華新橋鋼壩和勝利橋鋼壩。河茵橋鋼壩壩長(zhǎng)45m，擋水高度2.8m；華新橋鋼壩壩長(zhǎng)55m，擋水高度3.2m；勝利橋鋼壩壩長(zhǎng)40m，擋水高度3.2m。

2 鋼壩的特點(diǎn)

鋼壩是一種新型的擋水建筑物，其結(jié)構(gòu)新穎，外形美觀，性能可靠，運(yùn)用靈活，較好地解決了河道蓄水與行洪的矛盾，有利保護(hù)河道自然環(huán)境，是城市景觀河道建設(shè)的一個(gè)亮點(diǎn)。鋼壩的結(jié)構(gòu)型式既不同于水閘，又不同于橡膠壩。鋼壩與橡膠壩相比，具有如下特點(diǎn)：

2.1 防洪安全

橡膠壩通過排氣或排水塌壩所用時(shí)間較長(zhǎng)，遇突發(fā)洪水時(shí)易帶來安全隱患；鋼壩通過啟閉機(jī)運(yùn)行速度快，幾分鐘內(nèi)就臥倒至閘底板以下，能及時(shí)泄洪。

2.2 景觀效果

橡膠壩直立擋水后，靠開度來調(diào)節(jié)蓄水量和溢流泄量，用時(shí)較長(zhǎng)，過程緩慢，水流景觀不好；鋼壩是一種新型的可調(diào)控溢流閘門，用門頂過水，能在任一傾斜角度根據(jù)流量確定開度形成理想的水舌，造出很好的瀑布景觀效果。

2.3 管理維護(hù)和密封

橡膠壩易受到人為破壞和泄洪過程中尖利或有尖角的物體的損壞，修復(fù)較困難；鋼壩則是一種特殊的水閘形式，沒有門槽，底止水壓在支鉸軸上，側(cè)止水壓在側(cè)墻上，當(dāng)門葉升起或臥倒時(shí)，始終處于密封止水狀態(tài)且鋼壩的底軸采用自潤(rùn)滑材料，管理維護(hù)方便。

2.4 自動(dòng)化控制

橡膠壩通過泵房和管路進(jìn)行充水，一般難以實(shí)現(xiàn)集中網(wǎng)絡(luò)控制；鋼壩采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，自動(dòng)化程度高，通過電氣控制柜的PLC系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制。

2.5 使用壽命

橡膠壩易老化，使用壽命相對(duì)較短；鋼壩主材為鋼，軸承采用工程塑料合金，防腐采用噴鋅加涂料的雙重防腐，使用壽命長(zhǎng)。

2.6 投資和施工

橡膠壩主要為橡膠壩袋和各種管路，對(duì)土建無特殊的要求，一般投資小且安裝方便；鋼壩制造、安裝要求精度較高，對(duì)基礎(chǔ)要求嚴(yán)格，投資大，對(duì)于基礎(chǔ)好的河道，鋼壩的投資一般為橡膠壩的4～5倍，對(duì)于軟基河道，鋼壩的投資一般為橡膠壩的8～15倍。

3 鋼壩設(shè)計(jì)工況

整治后的陡河不僅是景觀河道，而且仍要承擔(dān)泄洪任務(wù)，因此要求鋼壩平時(shí)擋水，汛期時(shí)臥倒行洪。為保持較好的景觀效果，設(shè)計(jì)鋼壩在全關(guān)擋水時(shí)與水平線成70°。經(jīng)綜合分析，本工程確定了鋼壩的4種設(shè)計(jì)工況。

工況1：鋼壩在立門70°擋水時(shí)，門前為上游景觀水位，門后（即下游）無水。

工況2：鋼壩在立門70°擋水時(shí)，門頂最大溢流水深為30cm，門后為下游景觀水位。

工況3：鋼壩在立門45°擋水時(shí)，門前為上游景觀水位，門后為下游景觀水位。

工況4：鋼壩在門前為上游景觀水位、門后為下游景觀水位條件下臥倒；在下游景觀水位條件下立門。

4 鋼壩總體布置

鋼壩總體布置主要特點(diǎn)是將整個(gè)閘室設(shè)為1孔，設(shè)置1扇閘門，門葉為通過螺栓固定在底軸上的懸臂結(jié)構(gòu)，底軸靠支鉸提供支撐，支鉸固定在閘底板下的凹槽內(nèi)；啟閉機(jī)采用液壓活塞式啟閉機(jī)，雙吊點(diǎn)布置，設(shè)置在閘門的上游側(cè)；啟閉機(jī)室布置在兩側(cè)的閘墩內(nèi)部，閘墩頂部預(yù)留進(jìn)人孔，與啟閉機(jī)室相通。啟閉機(jī)室內(nèi)設(shè)有液壓?jiǎn)㈤]機(jī)、液壓泵站及閥組、支鉸軸、拐臂及鎖定等結(jié)構(gòu)；由于啟閉機(jī)室頂可能過洪水，因此啟閉機(jī)室內(nèi)所有設(shè)備均應(yīng)滿足過水要求；啟閉機(jī)室內(nèi)最低處設(shè)置集水井和潛水泵，以排除積水；鋼壩閘門允許門頂溢流，為避免門后負(fù)壓，在閘門門頂設(shè)有破水器。具體布置如圖1所示。

圖1 鋼壩閘門布置圖

5 鋼壩底軸設(shè)計(jì)

鋼壩門葉、拐臂均與底軸剛性連接，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)與拐臂鉸接，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)通過底軸轉(zhuǎn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)門體的開啟和關(guān)閉。在閘門運(yùn)行過程中，底軸處于受扭狀態(tài)。除承受扭矩作用外，底軸自重、水體荷載和門體自重在底軸上還產(chǎn)生垂直彎矩，而拐臂與軸連接處產(chǎn)生水平力，從而產(chǎn)生水平彎矩。計(jì)算模式為不等跨連續(xù)梁在垂直和水平方向上受彎。另外，影響底軸彎矩的因素除水荷載和自重外，還有支座沉降的影響。

底軸是鋼壩設(shè)計(jì)中的重要部件，其受力情況復(fù)雜，不僅要滿足抗扭和抗彎要求，還要有較好的變形能力，以適應(yīng)地基的不均勻沉降和兩臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)不同步帶來的偏差。同時(shí)如何防止底軸在運(yùn)行過程中出現(xiàn)卡阻，是該閘門的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)中采取的主要措施：

5.1 嚴(yán)格控制閘底板不均勻沉降差

3座鋼壩的地基均為淤泥或淤泥質(zhì)土，屬于軟基，在底板設(shè)計(jì)中，閘底板不分縫，采用整體結(jié)構(gòu)，并在底軸下設(shè)一通長(zhǎng)混凝土大梁，梁下采用樁基礎(chǔ)，以確保閘底板和啟閉機(jī)室的整體性。

5.2 鉸座采用合理的結(jié)構(gòu)型式

底軸的軸承座與軸承間在鉛垂方向留有一定的間隙，以適應(yīng)閘底板的變形，即使閘底板產(chǎn)生小的不均勻變形，也不至于軸與軸承座間產(chǎn)生別勁而增大地基反力。

5.3 采用新型的軸承材料

底軸結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的變位適應(yīng)性，材料具有較高的物理、化學(xué)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有較低的吸水率和良好的自潤(rùn)滑能力，具有較強(qiáng)的抗泥沙特性，具有較長(zhǎng)的使用壽命。工程中采用了工程塑料合金自潤(rùn)滑軸承這一新型材料。該軸承是一種單體復(fù)合材料，不僅硬度小，而且耐磨性更為優(yōu)越，有一定的彈性變形能力，較好地適應(yīng)了大跨度變形的需要。雖然該軸承變形能力強(qiáng)，但其抗壓強(qiáng)度大，達(dá)到50MPa。同時(shí)該軸承具有自潤(rùn)滑性能，不需添加潤(rùn)滑劑，給管理維護(hù)帶來了方便，有利于閘門的安裝及安全運(yùn)用。除此之外，軸承與軸的摩擦系數(shù)小，無潤(rùn)滑時(shí)為0.16，水潤(rùn)滑時(shí)為0.05，油潤(rùn)滑時(shí)為0.02，降低了鋼壩的啟門力。

5.4 合理設(shè)置支座數(shù)量，嚴(yán)格控制安裝精度

綜合考慮底軸受扭、彎及傳給土建的作用力，并考慮制作、安裝及運(yùn)輸要求，孔口凈寬范圍內(nèi)華新橋鋼壩設(shè)置8個(gè)支鉸座，河茵橋鋼壩設(shè)置7個(gè)支鉸座，勝利橋鋼壩設(shè)置6個(gè)支鉸座。對(duì)底軸同軸度提出要求，在制造安裝過程中嚴(yán)格控制偏差。

5.5 控制底軸剛度，適應(yīng)啟閉機(jī)偏差

為適應(yīng)兩臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)不同步帶來的偏差，華新橋和勝利橋鋼壩在孔口中心處分為相對(duì)獨(dú)立的兩段，通過波紋管加滑動(dòng)止水套的柔性連接形式將左右兩段底軸連接起來。河茵橋鋼壩底軸為通過法蘭連接在一起的通軸，通過軸的變形協(xié)調(diào)來適應(yīng)兩啟閉機(jī)的偏差。

6 啟閉機(jī)布置選型與控制

6.1 布置選型

鋼壩啟閉機(jī)采用液壓式啟閉機(jī)，鋼壩放水時(shí)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作固定在啟閉機(jī)室底軸上的拐臂使鋼壩向下游側(cè)傾倒，臥倒后門葉面板低于閘室底板以下。蓄水時(shí)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作拐臂將鋼壩拉起至與水平方向成70°擋水。當(dāng)遇到突發(fā)洪水，事先沒有應(yīng)對(duì)而出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，打開油缸常閉球閥，鋼壩在水壓力的作用下自動(dòng)向下游側(cè)傾倒，達(dá)到泄洪要求。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)電氣控制柜布置在右岸堤頂?shù)目刂剖覂?nèi)，其余設(shè)備分別布置在左右岸閘墩啟閉機(jī)室內(nèi)。液壓缸活塞和活塞桿主密封均采用德國(guó)MERKEL公司進(jìn)口的優(yōu)質(zhì)多唇V型組合密封圈，靜密封采用美國(guó)PARKER公司進(jìn)口的O型密封圈，密封性好，使用壽命長(zhǎng)。油箱、油管全部采用不銹鋼材料制造。

6.2 控制方式

啟閉機(jī)控制采用現(xiàn)地手動(dòng)和現(xiàn)地自動(dòng)兩種方式，每種方式互為閉鎖，對(duì)兩臺(tái)油泵電機(jī)設(shè)置一個(gè)選擇開關(guān)，這樣可以方便實(shí)現(xiàn)油泵、閘門的單步手動(dòng)操作和閘門自動(dòng)操作控制；在設(shè)備調(diào)試、檢修階段，以及在自動(dòng)操作失靈的緊急情況下，將控制開關(guān)打在手動(dòng)方式，采用手動(dòng)操作，可實(shí)現(xiàn)閘門的單步啟閉控制。在設(shè)備調(diào)試正常后，將閘門控制開關(guān)打在自動(dòng)方式，采用PLC自動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉控制。

7 結(jié)語

（1）鋼壩在應(yīng)用時(shí)操作簡(jiǎn)便，啟閉速度快，特別是門頂溢流可以形成瀑布景觀，既有防洪功能，又有景觀效果。

（2）鋼壩底軸對(duì)地基要求嚴(yán)格，對(duì)于巖石基礎(chǔ)較宜采用，對(duì)于軟基和單跨跨度大時(shí)，地基處理費(fèi)用和設(shè)計(jì)難度會(huì)大幅增加，成為投資敏感項(xiàng)目時(shí)不宜采用。

（3）底軸軸承結(jié)構(gòu)要具有良好的變位適應(yīng)性，具有較高的物理、化學(xué)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有較低的吸水率和良好的自潤(rùn)滑能力至關(guān)重要，將直接影響到鋼壩運(yùn)用的可靠性。

（4）與側(cè)止水接觸的閘墩采用大理石鋪面可方便施工。

（5）盡可能選用優(yōu)質(zhì)原材料和優(yōu)質(zhì)先進(jìn)產(chǎn)品，以確保工程質(zhì)量和運(yùn)用安全。

［1］沈德民，李毓芬，莊文中，等.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)金屬結(jié)構(gòu)（一）［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［2］DL/T5167—2002，水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］DL/T5039—95，水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］SL 191—2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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