浅谈钢坝的发展及实践

2011-08-15徐运海董新美荆代芝

山东水利 2011年2期

徐运海,董新美，荆代芝

（1.山东省水利科学研究院，山东济南 250013；2.山东华圣瑞德市政工程有限公司，山东济宁 272100）

1 钢坝的发展

钢坝作为一种挡水建筑物，至今已有百余年历史。钢坝中的面板与构件间采用焊接或螺栓连接，它充分利用钢材强度高、柔性好的特点，使坝体具有非常好的整体性与柔韧性，可以更适应水体的变形要求，是一种非常先进的坝工新技术。美国曾于1897年10月7日建成了Ashforksteeldam，该坝总长91.4m，钢坝部分高14m，长56m，钢坝两端设砌石重力坝，为世界上最早的钢坝之一。1900年以后，在澳大利亚、英国等相继建成几座钢坝，最大坝高在20m以上。上述所建钢坝均为斜面坝，坝面后采用桁架支撑系统。

在我国，目前还没有进行钢坝方面的研究，也未发现钢坝设计计算方法的资料。但在水利工程中，与钢坝类似的钢闸门挡水建筑物已使用多年，钢闸门的设计使用寿命可达50～60年。随着当前社会对城市水利建筑物景观、防洪等方面的要求，上世纪90年代出现了集成液压系统控制的钢坝闸。钢坝闸对原闸门的启闭方式进行了较大改进，如南京秦淮河上的双镜钢坝闸以及保定前卫桥景观河道的钢坝闸工程，其景观性较强。

2 钢坝建设的必要性

近年来，钢坝之所以发展较慢有几方面原因：一是由于初期钢坝大多采用斜面钢坝坝型，钢材用量多，投资较大；二是相近技术限制，如计算技术、锚固技术、防锈技术落后等；三是钢材产量少，施工技术较为落后；四是钢坝技术没有设计规范、规程可以遵守，设计思想较为保守。

山东省拥有丰富的河流、湖泊、泉水等水利风景资源，而且大量的水利工程建设在发挥其基本功能的同时，也形成了大量的水利风景资源，为水利风景区的发展和建设，奠定了一定的基础条件。山东省已拥有32个国家水利风景区，39个省级水利风景区，目前仍有多个水利风景区正在建设中。

因此，充分考虑小型河道、景区的工程特点，在新坝型方面进行试验及探索，建设具有运行可靠、美观、符合环保要求等特点的新坝型，对于水利工程建设具有较大意义。上述未开发的河道大多适宜建设钢坝工程，而且从生态、景观、经济和社会效益以及观赏性上看，很有必要实施钢坝工程。

3 工程实例

3.1 工程概况

栖龙湾小流域位于莱芜市北部山区、黄河流域大汶河支流嬴汶河中上游，流域属山麓丘陵地貌类型，地形呈东高西低、南缓北陡状，整体向西南倾斜。境内干岔河主河道蜿蜒贯穿于流域中部形成沟壑网，河道总长度6.2km，河床平均比降1.3%，河底宽度由上游至下游为8～16m。4条支沟道长度在0.8～1.6km之间，河床平均比降在3.2%～8.7%之间，流域平均沟壑密度为2.2km/km2。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252－2000，该工程属于小型塘坝。由于采用新型钢坝技术，大坝等主要建筑物工程级别相应提高，即建筑物级别采用五等5级，10年一遇洪水设计。

3.2 工程设计

钢坝工程坝址以上流域面积0.06km2；总库容2660m3。大坝溢流宽度14.46m，不考虑库容调蓄作用，10年一遇时流量0.96m3/s。采用薄璧堰公式计算水位，最高水位为105.9m。

钢坝采用反拱型溢流钢坝，坝体采用厚10mm的钢板，半径8m，中心角98°，坝面长14.46m；坝顶高程105.6m，坝基最低高程100.33m，最大坝高5.27m，其中钢坝部分高3.6m。坝基为坚硬完整岩石，坝体底部及两侧设砼连接段及Φ20锚杆。

3.3 钢坝应力分析

钢材的力学参数：比重7.8t/m3,弹性模量取2.06×106kg/cm2，泊松比 0.3，剪切模量 0.81×106kg/cm2，线胀系数1.2×10-5，理论容许应力 3100kg/cm2。

砼力学参数：比重2.4t/m3,弹性模量2.8×104N/mm2，泊松比0.167，剪切模量1.12×104N/mm2，线胀系数1.0×10-5。

采用ALGOR有限元建立钢板坝模型，模型计算中钢板为三边固端，顶部为自由边。为简便计算，该反拱坝是通过反方向施加水压力实现的，故计算结果是可靠的。兴利工况水位平坝顶，校核洪水工况水位高于坝顶0.2m，根据坝体应力计算成果，兴利及校核工况时钢板坝面最大拉应力分别为30.6MPa、34.39MPa，远小于钢材的允许拉应力，且发生在距底部约0.45m处，结构是安全的。