唐山环城水系陡河钢坝设计简介

2010-06-26杨克昌

水科学与工程技术 2010年4期

杨克昌

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 工程概况

河北省唐山市环城水系由陡河、李各庄河、新开河、青龙河、东湖、西湖、南湖组成的河河相连及河湖相通的大小不一的水循环体系。水源包括陡河、城市中水及区域雨水。其中陡河是循环水系中最大河流，城区段15.28km，市区上游至陡河水库段11km，总长26.28km。陡河水库以下至市区自然径流流量少，已成一条季节性河流。为满足环城水系景观的需要，除了依靠陡河水库调节向环城水系补水外，当前重点是需对陡河进行综合整治，以使河道常年流水，确保河流的景观价值。

整治陡河的主要任务不仅扩挖河槽断面、调整及加固两岸堤防，还要保证在河道整体防洪标准不降低前提下在河道上修建蓄水工程，以利于河槽蓄水，改善河道水生态及两岸生态环境。

本次确定在陡河上修建6座蓄水建筑物。为使整个河道蓄水建筑物多样化，增加景观效果，建筑物分别采用3座橡胶坝和3座钢坝的结构型式。橡胶坝分别为后屯桥橡胶坝、北外环桥橡胶坝和建华桥橡胶坝；钢坝分别为河茵桥钢坝、华新桥钢坝和胜利桥钢坝。河茵桥钢坝坝长45m，挡水高度2.8m；华新桥钢坝坝长55m，挡水高度3.2m；胜利桥钢坝坝长40m，挡水高度3.2m。

2 钢坝的特点

钢坝是一种新型的挡水建筑物，其结构新颖，外形美观，性能可靠，运用灵活，较好地解决了河道蓄水与行洪的矛盾，有利保护河道自然环境，是城市景观河道建设的一个亮点。钢坝的结构型式既不同于水闸，又不同于橡胶坝。钢坝与橡胶坝相比，具有如下特点：

2.1 防洪安全

橡胶坝通过排气或排水塌坝所用时间较长，遇突发洪水时易带来安全隐患；钢坝通过启闭机运行速度快，几分钟内就卧倒至闸底板以下，能及时泄洪。

2.2 景观效果

橡胶坝直立挡水后，靠开度来调节蓄水量和溢流泄量，用时较长，过程缓慢，水流景观不好；钢坝是一种新型的可调控溢流闸门，用门顶过水，能在任一倾斜角度根据流量确定开度形成理想的水舌，造出很好的瀑布景观效果。

2.3 管理维护和密封

橡胶坝易受到人为破坏和泄洪过程中尖利或有尖角的物体的损坏，修复较困难；钢坝则是一种特殊的水闸形式，没有门槽，底止水压在支铰轴上，侧止水压在侧墙上，当门叶升起或卧倒时，始终处于密封止水状态且钢坝的底轴采用自润滑材料，管理维护方便。

2.4 自动化控制

橡胶坝通过泵房和管路进行充水，一般难以实现集中网络控制；钢坝采用液压启闭机操作，自动化程度高，通过电气控制柜的PLC系统对其进行控制。

2.5 使用寿命

橡胶坝易老化，使用寿命相对较短；钢坝主材为钢，轴承采用工程塑料合金，防腐采用喷锌加涂料的双重防腐，使用寿命长。

2.6 投资和施工

橡胶坝主要为橡胶坝袋和各种管路，对土建无特殊的要求，一般投资小且安装方便；钢坝制造、安装要求精度较高，对基础要求严格，投资大，对于基础好的河道，钢坝的投资一般为橡胶坝的4～5倍，对于软基河道，钢坝的投资一般为橡胶坝的8～15倍。

3 钢坝设计工况

整治后的陡河不仅是景观河道，而且仍要承担泄洪任务，因此要求钢坝平时挡水，汛期时卧倒行洪。为保持较好的景观效果，设计钢坝在全关挡水时与水平线成70°。经综合分析，本工程确定了钢坝的4种设计工况。

工况1：钢坝在立门70°挡水时，门前为上游景观水位，门后（即下游）无水。

工况2：钢坝在立门70°挡水时，门顶最大溢流水深为30cm，门后为下游景观水位。

工况3：钢坝在立门45°挡水时，门前为上游景观水位，门后为下游景观水位。

工况4：钢坝在门前为上游景观水位、门后为下游景观水位条件下卧倒；在下游景观水位条件下立门。

4 钢坝总体布置

钢坝总体布置主要特点是将整个闸室设为1孔，设置1扇闸门，门叶为通过螺栓固定在底轴上的悬臂结构，底轴靠支铰提供支撑，支铰固定在闸底板下的凹槽内；启闭机采用液压活塞式启闭机，双吊点布置，设置在闸门的上游侧；启闭机室布置在两侧的闸墩内部，闸墩顶部预留进人孔，与启闭机室相通。启闭机室内设有液压启闭机、液压泵站及阀组、支铰轴、拐臂及锁定等结构；由于启闭机室顶可能过洪水，因此启闭机室内所有设备均应满足过水要求；启闭机室内最低处设置集水井和潜水泵，以排除积水；钢坝闸门允许门顶溢流，为避免门后负压，在闸门门顶设有破水器。具体布置如图1所示。

图1 钢坝闸门布置图

5 钢坝底轴设计

钢坝门叶、拐臂均与底轴刚性连接，液压启闭机与拐臂铰接，液压启闭机通过底轴转动来驱动门体的开启和关闭。在闸门运行过程中，底轴处于受扭状态。除承受扭矩作用外，底轴自重、水体荷载和门体自重在底轴上还产生垂直弯矩，而拐臂与轴连接处产生水平力，从而产生水平弯矩。计算模式为不等跨连续梁在垂直和水平方向上受弯。另外，影响底轴弯矩的因素除水荷载和自重外，还有支座沉降的影响。

底轴是钢坝设计中的重要部件，其受力情况复杂，不仅要满足抗扭和抗弯要求，还要有较好的变形能力，以适应地基的不均匀沉降和两台液压启闭机不同步带来的偏差。同时如何防止底轴在运行过程中出现卡阻，是该闸门的设计难点之一。设计中采取的主要措施：

5.1 严格控制闸底板不均匀沉降差

3座钢坝的地基均为淤泥或淤泥质土，属于软基，在底板设计中，闸底板不分缝，采用整体结构，并在底轴下设一通长混凝土大梁，梁下采用桩基础，以确保闸底板和启闭机室的整体性。

5.2 铰座采用合理的结构型式

底轴的轴承座与轴承间在铅垂方向留有一定的间隙，以适应闸底板的变形，即使闸底板产生小的不均匀变形，也不至于轴与轴承座间产生别劲而增大地基反力。

5.3 采用新型的轴承材料

底轴结构应具有良好的变位适应性，材料具有较高的物理、化学及结构稳定性，具有较低的吸水率和良好的自润滑能力，具有较强的抗泥沙特性，具有较长的使用寿命。工程中采用了工程塑料合金自润滑轴承这一新型材料。该轴承是一种单体复合材料，不仅硬度小，而且耐磨性更为优越，有一定的弹性变形能力，较好地适应了大跨度变形的需要。虽然该轴承变形能力强，但其抗压强度大，达到50MPa。同时该轴承具有自润滑性能，不需添加润滑剂，给管理维护带来了方便，有利于闸门的安装及安全运用。除此之外，轴承与轴的摩擦系数小，无润滑时为0.16，水润滑时为0.05，油润滑时为0.02，降低了钢坝的启门力。

5.4 合理设置支座数量，严格控制安装精度

综合考虑底轴受扭、弯及传给土建的作用力，并考虑制作、安装及运输要求，孔口净宽范围内华新桥钢坝设置8个支铰座，河茵桥钢坝设置7个支铰座，胜利桥钢坝设置6个支铰座。对底轴同轴度提出要求，在制造安装过程中严格控制偏差。

5.5 控制底轴刚度，适应启闭机偏差

为适应两台液压启闭机不同步带来的偏差，华新桥和胜利桥钢坝在孔口中心处分为相对独立的两段，通过波纹管加滑动止水套的柔性连接形式将左右两段底轴连接起来。河茵桥钢坝底轴为通过法兰连接在一起的通轴，通过轴的变形协调来适应两启闭机的偏差。

6 启闭机布置选型与控制

6.1 布置选型

钢坝启闭机采用液压式启闭机，钢坝放水时，液压启闭机操作固定在启闭机室底轴上的拐臂使钢坝向下游侧倾倒，卧倒后门叶面板低于闸室底板以下。蓄水时，液压启闭机操作拐臂将钢坝拉起至与水平方向成70°挡水。当遇到突发洪水，事先没有应对而出现紧急状况时，打开油缸常闭球阀，钢坝在水压力的作用下自动向下游侧倾倒，达到泄洪要求。液压启闭机电气控制柜布置在右岸堤顶的控制室内，其余设备分别布置在左右岸闸墩启闭机室内。液压缸活塞和活塞杆主密封均采用德国MERKEL公司进口的优质多唇V型组合密封圈，静密封采用美国PARKER公司进口的O型密封圈，密封性好，使用寿命长。油箱、油管全部采用不锈钢材料制造。

6.2 控制方式

启闭机控制采用现地手动和现地自动两种方式，每种方式互为闭锁，对两台油泵电机设置一个选择开关，这样可以方便实现油泵、闸门的单步手动操作和闸门自动操作控制；在设备调试、检修阶段，以及在自动操作失灵的紧急情况下，将控制开关打在手动方式，采用手动操作，可实现闸门的单步启闭控制。在设备调试正常后，将闸门控制开关打在自动方式，采用PLC自动操作，实现闸门的启闭控制。