郭攀攀 焦 潔 裴珺

(河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210098)

近年來，隨著城市化建設(shè)和水環(huán)境治理的推進(jìn)，大跨度、低水頭的攔河閘壩發(fā)展迅速。氣盾壩兼有鋼壩閘和橡膠壩的優(yōu)點(diǎn)，剛?cè)岵?jì)，自北京清水河環(huán)境治理工程首次從國外引進(jìn)氣盾壩技術(shù)以來，國內(nèi)已進(jìn)行了眾多研究，基本建立較完整的理論體系，關(guān)鍵設(shè)備也實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。登科氣盾壩從地基條件、景觀效果、運(yùn)行管理等方面，對氣盾壩、鋼壩閘和橡膠壩等三種壩型進(jìn)行綜合比較，進(jìn)一步歸納總結(jié)氣盾壩的使用范圍，并對氣盾壩底板設(shè)計(jì)、氣囊及錨固件設(shè)計(jì)中存在的一些問題進(jìn)行分析，提出設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。

1 應(yīng)用背景

得勝河為含山、和縣兩縣的母親河，上游為山丘區(qū)，中下游為沖積平原，地勢平緩，于金河口匯入長江，流域面積427.3km2。含山縣得勝河水環(huán)境治理工程中，新建登科和謝墩兩座氣盾壩，利用河槽蓄水，抬高城區(qū)河道水位，擴(kuò)大河道水域面積，結(jié)合灘地改造和周邊環(huán)境整治改變沿河水景觀，體現(xiàn)人水和諧，促進(jìn)縣城的可持續(xù)發(fā)展。

登科氣盾壩長60m、壩高4.0m，謝墩氣盾壩長40m、壩高4.0m，控制景觀水位分別為7.5m和9.5m，門頂溢流水深不超0.5m，達(dá)到人工調(diào)控河道蓄水位的目的，滿足城市景觀用水需求。兩座氣盾壩高度相同，本文以登科氣盾壩為例，控制流域面積133.8km2，攔蓄庫容98萬m3，是安徽省第一座大跨度氣盾壩的實(shí)踐應(yīng)用。

2 壩型方案比選

2.1 氣盾壩

氣盾壩也稱氣動盾形閘壩，結(jié)合了傳統(tǒng)鋼閘門和橡膠壩的特點(diǎn)，剛?cè)岵?jì)。氣盾壩主要由盾板、氣囊、埋件、空壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成，通過對氣囊的充氣與排氣，使盾板升起與倒伏，維持特定的水位。

氣盾壩主要由盾板主體工程、上游鋪蓋、消能防沖設(shè)施組成。壩體底板為折線型，長16.0m，厚1.1～1.6m，壩頂高程3.6～3.1m，分縫間距18～20m。邊墩為懸臂式擋墻，墻頂高程8.10m。盾板布置于壩軸線偏下游側(cè)，倒伏時板面與底板齊平，不阻礙行洪。充排氣管布置于底板內(nèi)，每個氣囊布置一根充排氣管，氣盾壩縱剖面見圖1。

圖1 氣盾壩縱剖面 (尺寸單位：mm)

2.2 鋼壩閘

鋼壩閘是一種底橫軸的翻轉(zhuǎn)門，由帶固定底軸的鋼閘門門體、液壓啟閉設(shè)備和配套土建結(jié)構(gòu)工程三部分組成。底軸由閘室兩側(cè)的液壓啟閉機(jī)驅(qū)動，帶動懸臂式閘門轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)河道水位。

鋼壩閘主要由上游連接段、閘室控制段、消能防沖設(shè)施等組成。閘室控制段底板頂高程3.60m，順?biāo)鞣较蜷L16.0m，垂直水流方向總長73.0m，采用C30鋼筋混凝土空箱式底板，厚3.7～4.7m，不分縫。閘門布置于底板偏上游側(cè)，底軸直徑約1.0m，門庫深度約1.0m。閘室兩側(cè)為空箱式閘墩，分為上下兩層設(shè)備間，內(nèi)置液壓啟閉機(jī)及自動控制等設(shè)備。鋼壩閘橫剖面見圖2。

圖2 鋼壩閘橫剖面 (尺寸單位：mm)

2.3 橡膠壩

橡膠壩是以高強(qiáng)度合成纖維為骨架，內(nèi)外涂敷橡膠保護(hù)層，形成膠布，按設(shè)計(jì)尺寸錨固于基礎(chǔ)底板上形成封閉空間。由充排系統(tǒng)向壩袋內(nèi)充水或排水，充脹立壩擋水，排空塌落泄水，控制河道設(shè)計(jì)水位。

橡膠壩主要由壩袋主體工程、上游鋪蓋、消能防沖設(shè)施組成。壩袋底板長16.0m，壩頂高程3.6m，厚1.2m，分縫間距18～20m。邊墩為懸臂式擋墻，墻頂高程9.0m。壩袋選用雙錨固充水式，壩軸線布置于底板中心線偏下游側(cè)。壩袋內(nèi)壓比取1.25，膠布設(shè)計(jì)強(qiáng)度為60.0kN/m2。充排水設(shè)施布置于河槽右岸堤后，包括泵房和集水井等。橡膠壩方案縱剖面見圖3。

圖3 橡膠壩方案縱剖面 (尺寸單位：mm)

2.4 方案比選

登科攔河閘壩方案綜合比選見表1。

表1 登科攔河閘壩三種方案綜合比選

經(jīng)比較分析，氣盾壩方案有如下特點(diǎn)：?土建結(jié)構(gòu)簡單，景觀效果較好，對地基承載力要求不高；?啟閉速度快，基本不影響河道行洪，能適應(yīng)山丘區(qū)峰高、量小、歷時短的洪水特性；?隨著國產(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。

3 氣盾壩底板設(shè)計(jì)

3.1 底板結(jié)構(gòu)計(jì)算

壩體底板結(jié)構(gòu)承上啟下，將水重、閘門及氣囊等荷載傳遞至地基，關(guān)系到氣盾壩的整體安全。目前，氣盾壩無專門的設(shè)計(jì)規(guī)范，底板結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)容和計(jì)算原理參考水閘及橡膠壩設(shè)計(jì)規(guī)范，包括防滲、抗滑、基底應(yīng)力、不均勻系數(shù)等。壩體20m標(biāo)準(zhǔn)段各工況計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 壩體底板穩(wěn)定及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

通過表2可知，氣盾壩底板的抗滑穩(wěn)定與底板長度和防滲布置相關(guān)，基底應(yīng)力和彎矩均小于傳統(tǒng)水閘結(jié)構(gòu)，理論上可不進(jìn)行地基處理，按構(gòu)造配筋即可。

3.2 底板分縫

本案例設(shè)計(jì)底板采用分縫結(jié)構(gòu)，每隔20m設(shè)置一道橫向伸縮縫，則底板中間跨與邊墩之間因墻后土壓力和地基不均勻性存在一定沉降差，易引起上部盾板間止水錯位，導(dǎo)致滲水，影響擋水效果。針對底板不均勻沉降有以下兩種處理方法：?將底板分縫處設(shè)置成凹凸榫接，形成簡支鉸僅傳遞剪力，使縫兩側(cè)的底板趨于同步沉降，減小不均勻沉降量；?當(dāng)壩體跨度不超過60m時，可將底板做成整體式U形結(jié)構(gòu)不設(shè)縫，并設(shè)置后澆帶減輕底板開裂。因整體式底板跨度超出規(guī)范規(guī)定，且受地質(zhì)條件影響受力復(fù)雜，實(shí)踐案例較少，有待進(jìn)一步研究，本文采用凹凸榫接減小底板不均勻沉降。

4 氣囊和錨固件設(shè)計(jì)

4.1 單元長度和安全系數(shù)

氣囊和錨固件的計(jì)算包括氣囊、鉸鏈蓋板、夾鑄具、錨栓、安全抑制帶等，取單元長度分別建立各部件的受力計(jì)算簡圖求解，類似文章較多，已有成熟的計(jì)算公式，本文不再贅述。根據(jù)分析，擋水盾板所能承受的總水壓力與氣囊充氣壓力和接觸面積成正比，在一定的充氣壓力時接觸面積的大小直接關(guān)系著氣囊及錨固件的受力強(qiáng)度，而接觸面積與氣囊的單元制造長度、充氣形狀等相關(guān)。本文對氣囊的單元長度進(jìn)行比較，考慮國內(nèi)氣囊硫化罐制造工藝以及本案例壩體長度60m，選用以下兩種方案分別計(jì)算對比各項(xiàng)最大值，見表3。

氣囊的內(nèi)外壓比遠(yuǎn)大于橡膠壩設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的0.75～1.10，安全抑制帶的計(jì)算張力最大，鉸鏈蓋板的計(jì)算張力最小，錨栓均選用高強(qiáng)度螺栓。考慮國產(chǎn)氣囊制造能力，本案例推薦選用單元長度為6.67m的氣囊。

參考橡膠壩設(shè)計(jì)規(guī)范，充氣式壩袋安全系數(shù)不小于8，則氣囊制造張力不小于17.55kN/cm，設(shè)計(jì)選用十布十一膠，厚度24mm，理論抗拉強(qiáng)度可達(dá)18kN/cm。鉸鏈蓋板承受盾板傳遞的全部水壓力，安全抑制帶防止盾板向上游側(cè)傾倒，且位于水下較難維修保養(yǎng)，但安全系數(shù)沒有相關(guān)規(guī)定，制造張力難以選定。本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求，氣囊現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)透邏哼_(dá)0.8MPa，則鉸鏈蓋板和安全抑制帶的制造張力須為計(jì)算值4倍，分別為7.29kN/cm和15.17kN/cm，均小于氣囊的制造張力?？紤]加工制造方便，鉸鏈蓋板與安全抑制帶均選用氣囊同材質(zhì)，制造張力為18kN/m，則反推安全系數(shù)分別為9.8和4.7。

4.2 氣囊優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，氣囊封端中間高兩頭尖的“枕式”，不能與盾板充分接觸，造成一定的浪費(fèi)。可用采用以下兩種方法氣囊進(jìn)行優(yōu)化：?參考表3計(jì)算成果，增加氣囊單元制造長度，可有效降低氣囊制造張力，減小膠布厚度，但制造設(shè)備要求相應(yīng)提高；?改進(jìn)氣囊制造工藝，改變氣囊形狀，參考堵頭式橡膠壩將封端改為“平堵式”，可使氣囊與盾板的接觸面積增加約20%，提高支撐力，降低投資。

5 結(jié) 語

a.氣盾壩是一種新型擋水壩，立壩擋水、倒伏泄洪，水面以上可見設(shè)備少，景觀效果好，隨著國產(chǎn)設(shè)備的批量生產(chǎn)，工程投資逐步下降，競爭優(yōu)勢越來越明顯，在城市河道治理中具有較好的應(yīng)用前景。

b.氣盾壩底板為土建核心，結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性以及內(nèi)力計(jì)算與傳統(tǒng)水閘計(jì)算相同，但其內(nèi)力遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)水閘。

c.氣盾壩所能承受的設(shè)計(jì)水頭，與氣囊的充氣壓力、單元制造長度、充氣形狀等相關(guān)，須對有關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，合理選取安全系數(shù)。

d.本文結(jié)合工程實(shí)踐，對氣盾壩底板分縫處理、鉸鏈蓋板和抑制帶的安全系數(shù)等，提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化措施；但大跨度整體式底板受力分析和氣囊形狀改進(jìn)等問題尚待進(jìn)一步研究，須經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)后優(yōu)化設(shè)計(jì)。