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      鋼壩閘在河道蓄水工程中的應(yīng)用

      2019-06-26 06:28:00吳松寶
      陜西水利 2019年5期
      關(guān)鍵詞:鋼壩閘孔陽江

      吳松寶

      (上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))第六設(shè)計院有限公司,安徽 合肥 230000)

      0 引言

      改善河道生態(tài)環(huán)境,打造河道濱水景觀,展現(xiàn)濱水城市水文明,是目前諸多城市的建設(shè)重點。但由于河道的季節(jié)性特點,干流枯水期生態(tài)流量難以滿足要求,“河底朝天”的現(xiàn)象比比皆是。為改善河道生態(tài)環(huán)境,打造水綠岸美的河流景觀,需要通過蓄水工程抬高河道水位,擴(kuò)大景觀水面,營造出更佳的景觀效果。本文以宣城市水陽江生態(tài)蓄水工程為例,對蓄水閘選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行分析探討。

      1 工程概況

      為建設(shè)宣城市城區(qū)應(yīng)急供水水源、提高城市供水保證率,同時改善水陽江、雙橋河水環(huán)境,打造水陽江韻濱水休閑帶,營造敬亭山水景觀,拓展城市發(fā)展空間,宣城市擬實施水陽江城區(qū)段生態(tài)蓄水工程。工程建設(shè)主要內(nèi)容為海棠灣水利樞紐工程,樞紐工程位于水陽江海棠灣碼頭上游0.9 km,設(shè)置有蓄水閘壩、樞紐水電站、沖砂閘、分流島、船閘和右岸連接堤等。

      海棠灣水利樞紐工程設(shè)計過閘流量為4750 m3/s,為大(2)水閘樞紐工程,等別為Ⅱ等,設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇。

      2 蓄水閘閘型比選

      為保障城市供水、建設(shè)水陽江城區(qū)段濱水生態(tài)環(huán)境、打造水景觀,對蓄水閘閘型不僅有景觀要求,也要有洪水期泄洪的要求。本項目具有過流量大、閘前水位漲落頻繁的特點,閘身需要具有調(diào)節(jié)水位和溢流的作用。

      蓄水閘的主要設(shè)計條件見表1。

      表1 蓄水閘設(shè)計條件參數(shù)表

      根據(jù)已建蓄水壩工程經(jīng)驗,由于蓄水較深,水壓力較大,固定壩又不宜建太高,常規(guī)壩型如傳統(tǒng)水閘、翻板壩都難以同時滿足蓄水、排洪、景觀等功能需求選擇以下三種閘型方案進(jìn)行比較。

      方案一:橡膠壩方案

      橡膠壩是通過充排管路用水(氣)將壩袋充脹形成的袋式擋水壩,壩頂可以溢流,并可根據(jù)需要沖放水調(diào)節(jié)壩高,控制上游水位。設(shè)計橡膠壩壩長220.0 m,底板高程5.2 m,設(shè)計壩袋高4.8 m,內(nèi)壓比1.3。

      方案二:鋼壩閘方案

      采用大跨徑底軸驅(qū)動鋼壩閘型式,均配液壓集成式啟閉機(jī),布置于閘墩側(cè)壁內(nèi)。設(shè)計閘底板高程5.2 m,共布置5 孔,閘孔尺寸4.8 m×43 m(高×寬),凈擋水高度4.8 m,中墩寬8.1 m,邊墩寬6.2 m,總壩寬259.8 m。

      方案三:氣盾壩方案

      氣盾壩又名橡膠壩鋼閘門,由橡膠氣囊和鋼護(hù)板組成,在自動控制系統(tǒng)控制下,利用橡膠氣囊支撐鋼護(hù)板擋水。設(shè)計閘底板高程5.2 m,共布置3 孔,閘孔尺寸4.8 m×71 m(高×寬),凈擋水高度4.8 m,中墩寬6.0 m,邊墩寬4.0 m,總壩寬233.0 m。

      各方案優(yōu)缺點分析見表2。

      綜上,從行洪影響、施工難易、景觀效果、運行管理、使用壽命等方面進(jìn)行比較,鋼壩閘方案運行、管理、維護(hù)性能較優(yōu),景觀效果好。鋼壩閘方案工程投資方面略大于橡膠壩,但較氣盾壩投資小。綜合比選,設(shè)計壩型推薦方案二,即鋼壩閘方案。蓄水工程實施后效果見圖1。

      表2 三種壩型優(yōu)缺點分析比較表

      圖1 海棠灣水利樞紐工程效果圖

      3 鋼壩閘布置方案

      3.1 鋼壩閘布置

      鋼壩閘為底軸驅(qū)動翻轉(zhuǎn)門,屬于水利工程中的翻板式閘門。目前應(yīng)用擋水高度一般在5 m左右,超過5 m,其在啟閉動力、結(jié)構(gòu)要求均有更高要求且造價高,因而本設(shè)計擬控制鋼壩閘擋水高度不大于5 m,其下采用固定壩擋水。本工程正常蓄水位10.0 m,選定鋼壩擋水高度4.8 m,即固定壩頂高程為5.2 m。

      鋼壩閘能適應(yīng)10 m~100 m 的閘孔寬度。閘孔寬度較小時,墩墻及閘孔數(shù)量較多,影響整體蓄水景觀效果;閘孔寬度較大時,液壓啟閉機(jī)及鋼閘門技術(shù)要求高,造價高,綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,目前國內(nèi)的鋼壩閘閘孔寬度以40 m 左右為宜,本工程鋼壩閘采用5 m×43 m 孔口布置型式,鋼壩閘閘孔凈寬為215 m。閘邊墩厚6.2 m,中墩厚8.1 m,閘室總寬度為259.8 m。

      3.2 結(jié)構(gòu)計算

      3.2.1 閘孔凈寬計算

      根據(jù)鋼壩閘的工作特性,其過流是隨著鋼閘門翻轉(zhuǎn)開度的變化而變化的動態(tài)循環(huán)過程。目前,鋼板門翻轉(zhuǎn)開啟過程的過流能力計算尚無成熟的公式,鋼壩閘門最大開度時的水力計算,參照堰流公式。泄洪過閘落差為0.15 m,由于下游水深與閘上水頭的比值hs/H0>0.9,且堰坎厚度與堰上水頭的比值δ/H>2.5,為寬頂堰流,按照《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265-2016),其閘孔總凈寬可按高淹沒度堰流公式計算,計算公式如下:

      經(jīng)計算,在50 年一遇設(shè)計水位14.20 m,過閘落差0.15 m,過閘流量為4750 m3/s,閘孔凈寬為215 m。過閘流量計算考慮閘了4 個中墩,頂部過洪。

      3.2.2 鋼壩閘結(jié)構(gòu)計算

      在校核洪水位時,廊道頂板承擔(dān)最大垂直水頭為10.9 m。采用midas Soilwork 有限元程序進(jìn)行計算,廊道頂板頂最大壓應(yīng)力0.997 kPa,頂板底最大拉應(yīng)力0.575 MPa。C25 混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1.27 MPa,按抗拉安全系數(shù)2 計算,C25混凝土的容許抗拉設(shè)計強(qiáng)度為0.635 MPa,大于頂板的最大拉應(yīng)力,因此,頂板按結(jié)構(gòu)構(gòu)造配筋即可滿足強(qiáng)度要求。計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖見圖2。

      圖2 固定壩結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

      4 水工模型試驗

      對樞紐工程進(jìn)行整體水工模型試驗(水工模型試驗現(xiàn)場照片見圖3),結(jié)果顯示:

      1)各敞泄工況下,鋼壩閘主流均位于右岸,左岸灘地基本為靜水,水流攜帶的泥沙容易沉積,應(yīng)常開沖砂閘沖砂。鋼壩閘上游右岸灘地為回流區(qū),易產(chǎn)生淤積。

      2)因下游河道地形較高,且下游河道水流下泄不暢,當(dāng)流量為500 m3/s,閘門傾角為30°,下游敞泄時,消力池中的水位較高,0+200 處水位達(dá)6.05 m,水流從鋼壩閘跌落后,在消力池中形成不穩(wěn)定水躍,建議對防沖槽后河槽加強(qiáng)防沖措施。

      3)為使下泄水流更順暢下泄,建議先開啟中孔。開啟中孔后為使水流沿河道分布更為均勻,建議開啟左右邊孔,最后全部開啟。為避免頻繁開啟鋼壩閘,當(dāng)水陽江來流量較小時,建議通過鋼壩閘堰頂溢流、沖砂閘放水及電站用水來調(diào)節(jié)水位。

      圖3 水工模型試驗照片

      針對水工模型實驗成果,設(shè)計加強(qiáng)了閘門的剛度,使其門頂溢流達(dá)到了0.5 m;優(yōu)化了鋼閘門的控制運用,確定了更合理的閘門調(diào)度原則;優(yōu)化了消能防沖設(shè)計,加設(shè)防沖齒墻,并加大了防沖槽的拋石防護(hù)厚度、范圍。

      5 結(jié)語

      1)采用鋼壩閘作為海棠灣樞紐工程的蓄水閘閘型,既能滿足行洪安全、管理便捷、經(jīng)久耐用,又有很好的景觀效果,做到了一閘一景。

      2)目前海棠灣水利樞紐工程即將實施,建成后有效加強(qiáng)宣城市城區(qū)供水保障,改善水陽江、雙橋河河道水環(huán)境,提升水陽江城區(qū)段景觀效果,拓展城市發(fā)展空間,為宣城市推進(jìn)東擴(kuò)戰(zhàn)略奠定良好基礎(chǔ),對一江兩岸的城市開發(fā)起到支撐作用。

      3)目前鋼壩閘在國內(nèi)尚無設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),各廠家的相關(guān)參數(shù)也各不相同,對此閘型的發(fā)展有瓶頸影響。目前安徽省已完成鋼壩閘地方標(biāo)準(zhǔn)(送審稿)的制定,正在進(jìn)行地標(biāo)的審查工作,待標(biāo)準(zhǔn)實施后,對鋼壩閘在安徽的發(fā)展起到一定的推動作用。

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