洛河?xùn)|湖攔河壩工程選型及設(shè)計(jì)

霍香麗 田金鋼 王家會(huì)

摘要：圍繞洛河?xùn)|湖建設(shè)目標(biāo)，結(jié)合洛河?xùn)|湖段河道條件，通過研究、論證，從防洪、景觀、運(yùn)行、使用維護(hù)等方面進(jìn)行綜合權(quán)衡，確定了氣動(dòng)盾形閘壩方案。結(jié)合工程的水文、地質(zhì)情況，進(jìn)行了洛河?xùn)|湖攔河壩防滲、防沖、壩體、圍堰、金屬結(jié)構(gòu)、電氣自動(dòng)化及觀測(cè)等設(shè)計(jì)。所選用的氣盾壩兼具了鋼壩閘與橡膠壩的特點(diǎn)，具有安全、可靠、環(huán)保、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：氣盾壩；工程設(shè)計(jì)；電氣自動(dòng)化；安全觀測(cè)；洛河?xùn)|湖

中圖分類號(hào)：TV644 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.019

1 工程概況

洛河洛陽市區(qū)段已經(jīng)建成9級(jí)水面工程，目前洛陽市洛浦公園已經(jīng)形成“一藍(lán)兩綠”的景觀帶。隨著洛陽城市區(qū)向東進(jìn)一步發(fā)展，白馬寺經(jīng)濟(jì)帶已初步形成，為把洛陽建成最佳人居城市，配合洛陽水生態(tài)文明示范區(qū)建設(shè)，開發(fā)建設(shè)東湖，修建東湖攔河壩工程是必要的。該工程主要任務(wù)是增加洛河河道攔蓄水量，抬高水位，在可持續(xù)補(bǔ)充地下水、保持水生態(tài)的同時(shí)形成水面景觀，改善兩岸環(huán)境，為進(jìn)行旅游資源開發(fā)提供基本條件。其屬中型工程，工程等別為Ⅲ等，其主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。攔河壩工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50a一遇，對(duì)應(yīng)洪峰流量為7880m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇，對(duì)應(yīng)洪峰流量為9770m3/s。壩址位于白馬寺下游（洛河樁號(hào)283+415處），工程總長508.0m。

2 攔河壩壩型的選擇

攔河壩工程可供選擇的水工建筑物型式一般有壩和閘。根據(jù)河道現(xiàn)狀分析，從防洪的角度出發(fā)，在洛河上建固定壩方案無法滿足要求，固定壩方案首先被否定，考慮建活動(dòng)壩或閘，對(duì)翻板門閘壩、平板鋼門閘壩、氣動(dòng)盾形閘壩3個(gè)壩型進(jìn)行了比較。

2.1 翻板門閘壩

傳統(tǒng)的水力自控翻板閘運(yùn)行邊界條件要求相當(dāng)苛刻，尤其在多泥沙河流其運(yùn)行條件限制因素很多，臨界水位下的拍打損壞、漂浮物導(dǎo)致支鉸破壞等情況將使得其運(yùn)行保證率低，運(yùn)行情況不理想，維護(hù)也很困難[1]。該工程防洪等級(jí)高，對(duì)安全運(yùn)行的可靠性要求極高，故水力自控翻板閘不符合要求。

液壓控制翻板閘是水力自動(dòng)控制翻板閘門技術(shù)改造的升級(jí)產(chǎn)品，在一定程度上解決了混凝土材料在翻轉(zhuǎn)、拍打、受到水流中雜物撞擊時(shí)容易損壞的問題。但其需要在閘門后設(shè)置數(shù)量較多的支承墩結(jié)構(gòu)，閘門開啟泄洪時(shí)門體橫臥于水中，門頂與門底處于同時(shí)過水狀態(tài)，門體等結(jié)構(gòu)會(huì)受到復(fù)雜的門頂和門底同時(shí)通過高速水流的影響，對(duì)河道泄洪及河道景觀會(huì)有一定程度的影響和破壞，安全性及可靠性也較低。

2.2 平板鋼門閘壩

閘門門體采用鋼結(jié)構(gòu)，利用液壓啟閉機(jī)進(jìn)行操作，控制閘門的開啟泄水和關(guān)閉擋水，可分為前傾式、后傾式及上翻式等型式。

前傾式閘門開啟時(shí)采用液壓啟閉機(jī)控制閘門門體向上游前傾至幾乎完全平臥于河道底面，不會(huì)影響河道景觀，閘門底部參與泄洪，形成沖沙閘孔，沖淤效果較為明顯，但閘門前堆積體積較大的雜物時(shí)易造成卡阻，檢修條件不好。

后傾式閘門開啟時(shí)采用液壓啟閉機(jī)控制閘門門體向下游方向后傾至幾乎完全平臥于河道底面，其受閘前泥沙及雜物等的影響較小，不會(huì)影響河道景觀。閘門在關(guān)閉擋水狀態(tài)時(shí)，上游水壓力所產(chǎn)生的向下游傾倒的力只能夠完全依靠液壓啟閉機(jī)的活塞桿產(chǎn)生的向上的推力來克服，使得啟閉機(jī)設(shè)備長期處于帶負(fù)荷工作狀態(tài)，長久運(yùn)行對(duì)液壓桿及啟閉設(shè)備的其他相關(guān)機(jī)構(gòu)較為不利[2]。當(dāng)上游水壓力較大時(shí)，鎖定裝置可能會(huì)出現(xiàn)打不開的情況，存在一定的安全隱患，鎖定裝置加裝后必須依賴電力進(jìn)行解鎖，當(dāng)控制系統(tǒng)完全失電時(shí)手動(dòng)進(jìn)行解鎖比較困難和復(fù)雜，閘門檢修條件不好。

上翻式閘門開啟時(shí)采用液壓啟閉機(jī)控制閘門門體上翻至一定高度以打開閘門孔口泄放水流，其支承結(jié)構(gòu)為閘門鋼結(jié)構(gòu)支臂及設(shè)置于閘墩側(cè)墻上的支承鉸。受工程建設(shè)條件的限制，該工程采用低堰高閘方案，要求閘門高度大才能滿足防洪要求，而這種閘門型式的運(yùn)行方式則要求布置很大功率的啟閉設(shè)備，不便于閘門的同步運(yùn)行，閘門舉起時(shí)影響河道景觀。

2.3 氣動(dòng)盾形閘壩

氣動(dòng)盾形閘壩為引自美國的新型產(chǎn)品，其各個(gè)部件均為預(yù)制部件，安裝工期短；盾板及氣囊模塊化，便于修復(fù)[3]。目前國內(nèi)已投入運(yùn)行的氣動(dòng)盾形閘壩閘門高度為2.5～3.0m。東湖攔河壩工程設(shè)計(jì)壩高6.0m，其規(guī)模在國內(nèi)是最大的，可為以后相似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

氣動(dòng)盾形閘壩由鋼結(jié)構(gòu)的盾形門板、充氣壩袋、空壓系統(tǒng)和閘門控制系統(tǒng)等組成。利用空氣壓縮的原理，通過氣袋的充氣與排氣，使閘門升起和倒伏，維持特定的水位，并可在設(shè)計(jì)水位內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意水位高度的調(diào)節(jié)。擋水時(shí)的支承結(jié)構(gòu)主要為充氣壩袋，整套氣動(dòng)閘系統(tǒng)可由若干模塊化的鋼盾板及氣袋組合而成，攔河寬度不受限制，且中間不需要設(shè)置閘墩及支墩結(jié)構(gòu)，泄水面幾乎與河道寬度一致，對(duì)河道泄水幾乎不產(chǎn)生影響，可實(shí)現(xiàn)大面積高效率泄水，且不影響河道景觀效果，不影響河道的通航過船。氣動(dòng)閘盾形門體和閘底鉸鏈的設(shè)計(jì)亦使得泥沙、樹枝、冰塊、浮木及其他雜物容易流過，不易造成阻塞[4]。氣動(dòng)閘的門體加筋板兼導(dǎo)流功能，可平順?biāo)鞑p少?zèng)_刷。使用的氣袋以壓縮干凈空氣作為驅(qū)動(dòng)，沒有任何機(jī)械用油，不會(huì)造成水體和周圍環(huán)境的污染，環(huán)保性能較好。氣動(dòng)閘完全倒伏時(shí)不影響泄洪，可通過手動(dòng)緊急排放氣袋內(nèi)的空氣實(shí)現(xiàn)安全泄洪。氣動(dòng)閘采用組合式設(shè)計(jì)，模塊單元各自獨(dú)立，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，不需要大中型起重設(shè)備，安裝較為省時(shí)省力。氣動(dòng)閘故障率較低，且維修方便，不需要整體系統(tǒng)更換。氣動(dòng)閘門不需要啟閉機(jī)械等設(shè)備，對(duì)土建基礎(chǔ)要求不高，只需簡單地基，不需設(shè)置中間閘墩或設(shè)少量中墩，對(duì)河道泄洪有利。

從景觀、運(yùn)行、維護(hù)等方面綜合考慮，推薦采用氣動(dòng)盾形閘壩（見圖1）。

3 攔河壩工程設(shè)計(jì)

3.1 工程設(shè)計(jì)

攔河壩工程總長度為508.0m，由氣盾壩段和固定堰段兩部分組成，其中氣盾壩段長度為278.0m，兩側(cè)固定堰總長230.0m（其中左側(cè)固定堰長80.0m，右側(cè)固定堰長150.0m）。工程主要包括上游防滲段、氣盾壩段、下游消能段、海漫段和控制室5部分。

（1）上游防滲段。壩底板上游防滲采用水平黏土防滲鋪蓋（黏土加土工膜）、高噴灌漿防滲墻以及水平混凝土鋪蓋[5]。

水平黏土防滲鋪蓋厚80cm，上下游鋪設(shè)長度為80m，垂直水流方向?qū)挾葹?74.0m，頂面高程109.0m，末端以及兩側(cè)以1：5坡比過渡到110.8m高程。采用黏土分層壓實(shí)，壓實(shí)度為0.920

高噴灌漿防滲墻位于水平黏土防滲鋪蓋下游端，深度15.0m，垂直水流方向?qū)挾葹?98.0m，單排孔，孔距1.0m。高噴灌漿采用旋擺搭接方式，分為兩序孔施工：先灌注一序孔，孔中心距為2.0m，采用旋噴施工；再灌注二序孔，采用擺噴施工，終孔中心距為1.0m。

水平混凝土鋪蓋位于閘室底板上游，順?biāo)鞣较蜷L18.0m，垂直水流方向?qū)挾葹?74.0m，厚度為60cm。采用C25鋼筋混凝土，每10.0m設(shè)一道伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)橡膠止水帶，采用閉孔低發(fā)聚乙烯板填縫。

鋪蓋段兩岸邊坡坡比為1：3，與親水平臺(tái)（高程119.0m）相連，高程117.0m以下采用現(xiàn)澆C20混凝土板護(hù)砌，板塊3m×2m（水平長×斜坡長），混凝土板厚度為15cm。混凝土板接縫寬8cm，其間填充無砂混凝土，縱橫縫底部鋪設(shè)40cm寬的反濾布（300g/m2），下設(shè)10cm厚粗砂墊層；高程117.0m至119.0m采用生態(tài)種植池駁岸，種植池采用C25鋼筋混凝土，壁厚20cm，種植池內(nèi)設(shè)天然置石與種植土；坡腳設(shè)C20混凝土齒墻，齒墻深2.5m，齒墻均采用仰斜式，坡比1：0.5，厚度50.0cm。上游與護(hù)坡連接部分采用圓弧式翼墻布置，圓弧段長38.64m，圓弧內(nèi)半徑為24.6m，圓心角為900，翼墻高度為8.2m，采用C25鋼筋混凝土扶壁式擋土墻。

（2）氣盾壩段布置。氣盾壩分為3跨，每跨凈長90m，兩邊墩及兩中墩厚均為2.0m，氣盾壩高度為6m，壩頂最大溢流深度0.5m。壩底板厚度為4.5～2.8m，采用C25鋼筋混凝土，每10.0m設(shè)一道伸縮縫，縫寬2cm，縫內(nèi)設(shè)橡膠止水帶和低發(fā)閉孔聚乙烯板。閘墩厚2.0m，閘墩高7.0～8.7m，采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墩頂設(shè)青石欄桿，欄桿高1.0m。

（3）下游消能防沖布置。氣盾壩下游布置消能防沖設(shè)施，包括消力池段、海漫段，順?biāo)鞣较蜷L87.5m，垂直水流方向?qū)?74.0m。

消力池段總長47.5m，包含陡坡段和水平段兩部分，其中陡坡段水平投影長16.0m，底板高程110.8m到106.8m，坡比1：4，底板厚1.0m，陡坡末端設(shè)齒墻，墻深2.8m，厚1.5m；水平段長度30m，池深2.0m，底板厚1.0m，底板下游設(shè)齒坎，坎高2.0m，坎厚1.5m，深1.3m。陡坡和水平段材料均采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土，下鋪設(shè)10cm厚C15混凝土墊層、針刺無紡布一層、10cm厚粗砂墊層。

消力池陡坡段和水平段邊墻頂高程118.0～116.0m，墻高7.2～9.2m，采用扶壁式擋土墻。

消力池后海漫段垂直水流方向長274.0m，順?biāo)鞣较蜷L40.0m，包含15m長漿砌石段、15m長干砌石海漫段、10m長拋石防沖槽段。漿砌石和干砌石厚度均為60cm，防沖槽深2.5m。

在海漫段采用圓弧翼墻與邊灘連接，翼墻后邊灘與主槽采用1：3邊坡連接。兩岸翼墻采用圓弧布置，下游與護(hù)坡連接，翼墻高7.2m，采用C25鋼筋混凝土擋土墻；下段采用邊坡坡比為1：3的混凝土護(hù)坡，與親水平臺(tái)連接，護(hù)砌高度7.2m、厚度15cmo

（4）固定堰。固定堰總長230.0m，左側(cè)固定堰長80.0m（其中預(yù)留船閘段長20m，采用黏土回填），右側(cè)固定堰長150.0m，堰頂高程為120.5～119.0m。固定堰采用兩種型式：一種為高固定堰，左岸布置長60m，右岸布置長40m，堰高7.2m，固定堰頂寬1.0m，上下游寬10.0m；另一種為低固定堰，右岸布置長110m，堰高3.0m，固定堰頂寬1.0m，上下游寬5.0m。兩岸采用扶壁式擋土墻和護(hù)坡與灘地連接，在翼墻范圍內(nèi)固定堰上下游采用鉸接連鎖混凝土塊護(hù)面。

（5）控制室。根據(jù)東湖攔河壩的控制與管理要求，在攔河氣盾壩工程位置左岸設(shè)控制室一座，其建筑面積為500m2。

3.2 金屬結(jié)構(gòu)及電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)[6]

（1）金屬結(jié)構(gòu)。氣盾閘門規(guī)格尺寸為270m×6m（寬×高），分為3跨，每跨凈長90m，設(shè)計(jì)水頭為6.5m。閘門及埋件外露金屬材料部分均采用不銹鋼材料，支承結(jié)構(gòu)采用雙氣袋支承，考慮制造、安裝及運(yùn)輸?shù)纫蛩?，門體分節(jié)制造安裝及運(yùn)輸，單節(jié)門體寬度為10m，門體共分為27節(jié)，運(yùn)行條件為動(dòng)水啟閉。

（2）機(jī)電。該工程用電負(fù)荷為二級(jí)負(fù)荷，設(shè)應(yīng)急備用柴油發(fā)電機(jī)組一套。工程用電負(fù)荷包括3臺(tái)75kW氣盾壩用空壓機(jī)及500m2管理房照明等用電設(shè)施，設(shè)一箱式變電站ZBW-500/ 10，電源引自附近10kV高壓電纜。

（3）自動(dòng)化控制系統(tǒng)。工程以“無人值班，少人值守”為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立一套遠(yuǎn)程工業(yè)電視圖像監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的可視化監(jiān)控，并通過通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)所屬的氣盾壩及管理所等重要建筑物和主要運(yùn)行設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控、遠(yuǎn)程故障和意外情況告警接收處理。

監(jiān)控系統(tǒng)采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的、開放的、分層分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分為2個(gè)監(jiān)視層次。第一級(jí)監(jiān)視站層，在左右岸管理所各設(shè)置1個(gè)工業(yè)電視圖像監(jiān)控服務(wù)器及2臺(tái)監(jiān)視主機(jī)，全天候?qū)崟r(shí)采集現(xiàn)場圖像信息，包括氣盾壩工況、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況、庫區(qū)圖像信息等，將圖像信息切換給所轄監(jiān)視終端，并可對(duì)圖像切OAR序和周期進(jìn)行編程控制。第二級(jí)現(xiàn)地控制單元層，根據(jù)建筑物的布置及數(shù)量，該工程工業(yè)電視圖像系統(tǒng)共設(shè)置20個(gè)現(xiàn)地圖像監(jiān)控單元，包含氣盾壩及管理所等重要位置。

3.3 觀測(cè)設(shè)計(jì)

該工程安全觀測(cè)內(nèi)容主要包括水位觀測(cè)、位移觀測(cè)和滲流觀測(cè)三方面，均采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。根據(jù)需要工程自動(dòng)觀測(cè)的水位、位移及滲流觀測(cè)點(diǎn)共16個(gè)，由于觀測(cè)點(diǎn)不多，因此無須采用單獨(dú)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用水位計(jì)和滲壓計(jì)的智能儀表輸出4～20mA模擬信號(hào)至啟閉室的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中編程，對(duì)水工建筑物進(jìn)行安全分析。

4 結(jié)語

綜合考慮城市的防洪、景觀、環(huán)境保護(hù)等要求，結(jié)合工程的水文、地質(zhì)情況進(jìn)行了洛河?xùn)|湖攔河壩防滲、防沖、壩體、圍堰、金屬結(jié)構(gòu)、電氣自動(dòng)化及觀測(cè)等設(shè)計(jì)。所選用的氣盾壩兼具了鋼閘壩與橡膠壩的特點(diǎn)，具有安全、可靠、環(huán)保、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，壩體工程規(guī)模較大，可作為類似工程的參考。

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