考慮城市環(huán)境的陳家溝景觀防洪閘選型研究

胡德鋒，涂紅狀，樊 成

(襄陽(yáng)市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441021)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，人們對(duì)工程建筑美學(xué)要求提高，水利工程建筑已不滿足于基本的防洪保安功能，更要求其與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，滿足人們多角度的審美要求，水利工程建筑也要求實(shí)現(xiàn)景觀化[1-2]。在城區(qū)范圍內(nèi)及其周邊，水閘泵站等水工建筑物，人們更是對(duì)景觀功能提出了更高的要求，這些水工建筑物在設(shè)計(jì)階段就必須考慮與景觀功能相結(jié)合。

防洪閘一般是設(shè)在江河沿岸排洪溝的溝口，在洪水期當(dāng)江河水位高于內(nèi)河水位時(shí)關(guān)閉閘門，防止外江洪水倒灌影響內(nèi)河防洪安全；非洪水期通過閘門控制溝內(nèi)水位、維護(hù)溝內(nèi)水源和水環(huán)境。順?biāo)鞣较?，防洪閘可分為：上游連接段、閘室控制段和下游連接段。閘室控制段從豎向結(jié)構(gòu)來講，可分為上部控制段和下部閘室段。上下游連接段根據(jù)實(shí)際地形保持平順。閘室控制段內(nèi)設(shè)啟閉機(jī)，根據(jù)選定的閘門型式，確定控制段的土建結(jié)構(gòu)，是水閘工程設(shè)計(jì)的核心部分。因此，水閘的設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是控制段，而控制段的重點(diǎn)在閘門型式的選擇上。閘門型式對(duì)于擋水高底低的水閘，可以采用橡膠壩、鋼閘壩、自動(dòng)翻板閘等；對(duì)擋水高度較高的水閘，多采用液壓式啟閉機(jī)控制的水閘[3]。

為了融入水閘周邊的環(huán)境，水閘工程在實(shí)現(xiàn)其水流控制功能的基礎(chǔ)上，要與周圍環(huán)境能夠較好的契合，這種滿足景觀功能要求的水閘稱為景觀防洪閘。景觀防洪閘的選型除了考慮水閘的規(guī)模、地形地質(zhì)條件外，還需要滿足水閘周圍環(huán)境要求，在可用的工程功能和工程建筑物型式中，選出與環(huán)境協(xié)調(diào)的閘門型式[4-5]。

本文以陳家溝景觀防洪閘選型為例，說明防洪閘選型問題。

1 陳家溝景觀防洪閘的工程概況

陳家溝景觀防洪閘位于襄陽(yáng)東津新區(qū)陳家溝主河道與漢江的交匯處，水閘保護(hù)東津新區(qū)的起步區(qū)，也是將來東津新區(qū)建成后的核心區(qū)，如圖1。圖1中處于中心位置的就是陳家溝，河道兩岸布置有市民中心、規(guī)劃展覽館、圖書館和科技館。該區(qū)域建筑風(fēng)格均是現(xiàn)代化風(fēng)格，城區(qū)建設(shè)規(guī)劃目標(biāo)是未來的現(xiàn)代城市商、住、服務(wù)區(qū)。可以預(yù)測(cè)陳家溝將為該區(qū)域城市提供良好的水體景觀，而水閘是實(shí)現(xiàn)水位景觀的工程保障，為了讓水閘建筑物與城市環(huán)境風(fēng)格保持一致，對(duì)水閘建筑物的景觀提出了較高要求。

圖1 閘址位置的衛(wèi)星照片

1)防洪排水的功能。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016)等規(guī)范，陳家溝景觀防洪閘的防洪標(biāo)準(zhǔn)與所在的漢江堤防相同。主要建筑物屬2級(jí)建筑物，次要建筑物屬3級(jí)建筑物，臨時(shí)建筑物為5級(jí)建筑物[6]。陳家溝景觀防洪閘設(shè)計(jì)排水規(guī)模采用50年一遇的設(shè)計(jì)洪峰與城市排水2年一遇排水流量較大值確定，設(shè)計(jì)泄流量116.95 m3/s，水閘總寬度約為24 m。在防洪工況下，閘內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)洪水位64.05 m，閘外側(cè)設(shè)計(jì)洪水位66.70 m，最大擋水高度5.44 m；在排水工況下，閘內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)水位64.25 m，閘外側(cè)設(shè)計(jì)水位64.05 m。

2)由于陳家溝景觀防洪閘位于新區(qū)的濱江綠化景觀帶內(nèi)，該區(qū)域定位是現(xiàn)代化小區(qū)，周邊規(guī)劃主要是現(xiàn)代建筑。為體現(xiàn)新區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的精神風(fēng)貌，對(duì)水閘的景觀融入感要求高，必須與周邊的建筑風(fēng)格和環(huán)境相協(xié)調(diào)。

3)陳家溝景觀防洪閘有交通要求，需建8 m寬交通橋。要求橋閘合一，橋、閘和周邊環(huán)境、建筑能融為一體。

2 防洪閘的可選結(jié)構(gòu)型式

一般的防洪閘采用直升式平面閘門(見圖2)或者弧形閘門，為保護(hù)閘上啟閉設(shè)備，在閘室上部做啟閉機(jī)房。有時(shí)為了改善工作條件，把管理房建在水閘的兩側(cè)，形成橋頭堡式的水閘，再通過對(duì)啟閉機(jī)房的外立面裝飾或整個(gè)水閘的造型進(jìn)行設(shè)計(jì)，從建筑的角度來確定水閘的結(jié)構(gòu)外型。這種類型水閘設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是具有較為高大突出的啟閉機(jī)房，水閘的規(guī)模越大，啟閉機(jī)房的尺寸越突出。

圖2 直升式平面鋼閘門的閘室控制段圖

隨著對(duì)景觀要求的提高，有時(shí)這種較為突出的啟閉機(jī)房與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)難于設(shè)計(jì)，升臥式平板閘門(見圖3)應(yīng)運(yùn)而生，該型閘門采用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，使平板閘門在直升一段高度后，改為在弧形軌道上做弧形運(yùn)動(dòng)，一般可降低工作橋排架的高度約50%，但水閘的上部結(jié)構(gòu)仍較為突出，對(duì)視線的遮擋作用仍較大，對(duì)周邊景觀影響作用仍較大。

圖3 升臥式平面鋼閘門的閘室控制段圖

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和材料科學(xué)的發(fā)展，液壓式啟閉機(jī)出現(xiàn)了，這種啟閉機(jī)在較小尺寸下能夠達(dá)到較大的功率，同等功率下，做到了啟閉機(jī)的小型化。液壓式啟閉機(jī)的使用改變了傳統(tǒng)螺桿式啟閉機(jī)和卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的新的方式，因此在城市景觀河道的水閘設(shè)計(jì)中大多采用采用液壓式啟閉機(jī)。在閘門結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)中也出現(xiàn)了上翻式平面鋼閘門(見圖4)或者下臥式平面鋼閘門(見圖5)[7]。從圖2～圖5可以看出，閘室的上部結(jié)構(gòu)從高大突出，逐漸變的沒有了?？紤]到下臥式平面鋼閘門，閘口開啟時(shí)閘門隱藏在水下，水下防腐和維護(hù)困難，選擇采用上翻式平面鋼閘門作為比選方案之一。

圖4 上翻式平面鋼閘門閘室控制段圖

圖5 下臥式平面鋼閘門閘室控制段圖

3 防洪閘選型

東津新區(qū)陳家溝景觀防洪閘具有總寬度達(dá)24 m、擋水高度5.21 m。如果采用一跨形式的鋼閘壩，景觀效果會(huì)更好，但啟閉機(jī)的容量大、啟閉機(jī)的容量要求高，建設(shè)、運(yùn)行困難，投資也較大，遂決定不采用這種形式的閘門型式。根據(jù)陳家溝景觀防洪閘的規(guī)模，結(jié)合水閘設(shè)計(jì)推薦的寬高比，閘門孔數(shù)選3孔8×5.5 m閘門方案，具體的閘門結(jié)構(gòu)型式在前文介紹的幾種型式中選擇。

根據(jù)前文給出的閘門結(jié)構(gòu)型式，初擬陳家溝景觀防洪閘的結(jié)構(gòu)型式方案包括：直升鋼閘門式啟閉機(jī)房方案、橋頭堡式啟閉機(jī)房方案、上翻式鋼閘門啟閉機(jī)房方案。選取了景觀效果、施工難度、維護(hù)管理、工程投資4個(gè)方案屬性，對(duì)3個(gè)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[8]。各方案的屬性參數(shù)對(duì)比見表1。

經(jīng)對(duì)比可知采用液壓上翻式平面鋼閘門方案，減少了啟閉機(jī)房的投資，由于閘門和啟閉機(jī)的投資較大，因此總體上工程投資增加，但工程投資在20%以內(nèi)。

利用專家打分法將上述方案指標(biāo)量化，得到參數(shù)矩陣如式(1)所示。同時(shí)專家給出的各指標(biāo)權(quán)重，見表2中最后一行。針對(duì)工程投資屬性，為了反映工程投資的相似性，使用工程投資的相對(duì)差作為標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)，并將其從費(fèi)用型指標(biāo)轉(zhuǎn)換為效益型指標(biāo)，經(jīng)便與其他指標(biāo)保持一致。

(1)

表1 陳家溝景觀防洪閘選型方案比較表

利用TOPSIS方法，將各指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化后，得到的決策屬性矩陣見式(2)，計(jì)算得到的方案隸屬度如式(3)。

根據(jù)方案排序的結(jié)果可知方案S3排序靠前，東津新區(qū)陳家溝景觀防洪閘采用上翻式平面鋼閘門。閘門開啟時(shí)閘門隱藏在交通橋下，可以較好的實(shí)現(xiàn)與周邊景觀功能的協(xié)調(diào)。

(2)

R{S1S2S3}={0.50 0.55 0.67}

(3)

表2 陳家溝景觀防洪閘選型方案參數(shù)表

4 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)代治水理念是建立在人水和諧、人與自然和諧相處的基礎(chǔ)上，景觀水閘就是在這種理念的基礎(chǔ)上，通過防洪排澇、引配水、水位維持等功能的實(shí)現(xiàn)，并融合城市河道水環(huán)境、人文景觀。景觀水閘閘型的合理選擇需綜合考慮水閘的景觀效果、施工難度、維護(hù)管理、工程投資等方面，在此基礎(chǔ)上選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全可靠、景觀效果好的閘門形式。

景觀水閘在實(shí)際運(yùn)用中還應(yīng)著重考慮防洪閘平時(shí)運(yùn)行較少，容易造成啟閉設(shè)備不靈，對(duì)于淤積嚴(yán)重的閘室應(yīng)及時(shí)沖淤。管理方應(yīng)定期運(yùn)作啟閉設(shè)備，以確保防洪排澇期間閘門能及時(shí)安全開啟。

本文從水閘設(shè)計(jì)思路歷程和材料科學(xué)發(fā)展對(duì)閘門設(shè)計(jì)影響的角度論述了一般水閘的設(shè)計(jì)思路，特別是閘門選型的思路，希望能對(duì)景觀水利工程設(shè)計(jì)，特別是具有景觀功能的水閘設(shè)計(jì)提供一定的參考。