钢坝闸在黑河沟水环境治理 工程的应用与探索

尚常清 崔瑞香

（1.吉林省四平市水利勘测设计研究院，吉林四平 136000； 2.北京市首都规划设计工程咨询开发公司，北京市 100045）

钢坝学术名称为底轴驱动翻板闸门，是一种能够实现双向挡水、灵活启闭、闸门开度无级可调、方便调度、工程隐蔽、无碍防汛和通航，改善河道景观的新型闸门。它不仅结构简单，节省土建投资，而且可以立门蓄水，卧门行洪排涝，适当开启调节水位，还可以利用闸门门顶过水，形成人工瀑布的景观效果。

黑河沟又称门头沟或黑水河，位于门头沟区东南部，起源于官厅村南绝石梁，经东店街、东辛房，穿过门城镇入永定河。现状河道过水断面狭小，上游河道两岸房屋建筑密集，植被凌乱，多数堤防防洪标准较低，河道构筑物壅水、阻水现象严重，门头沟黑河沟已远不能满足城市防洪排水要求。本次治理起点为圈门桥上游约50m处（桩号0+000），治理终点为河滩桥（桩号4+100），治理总长4.1km。

1 节制闸位置及标准

新建节制闸位于门头路桥～河滩桥之间，河滩桥上游84m处，即桩号4+016为闸门位置。节制闸为3级建筑物，按20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。20年一遇设计洪峰流量218m3/s，设计洪水位104.45m；50年一遇校核洪峰流量306m3/s，校核洪水位104.90m。

2 地质条件

根据现场地质钻探资料，地层岩性由上至下叙述如下。

（1）卵漂石填土：杂色，稍密～中密，表层松散，稍湿，级配差，以大粒径为主，含砂量少，夹杂少量砖块、灰渣、植物根系。地表出露最大粒径约50cm。局部地段该层下部分布有杂填土层①1，成份以粉质粘土为主，夹卵砾石、生活垃圾、橡胶等，揭露杂填土厚度1.1m。

分布于场区近地表，局部厚度较大，其物理力学性质差异较大。

（2）卵漂石：杂色，稍湿，中密～密实，亚圆形，根据地表出露情况，最大粒径约50cm，中砂充填，含量约5%～20%，级配较好。该层上部粒径大，钻进时易出现塌孔现象，动探击数大于50击。

该层内摩擦角经验值φ=32°～34°。重型动力触探击数大于50击，承载力标准值fka大于300kPa。该层上部钻进时易出现塌孔现象，漏浆严重。

该层渗透系数较大，渗透系数经验值10-1～10-2cm/s，具强透水性。由渗漏引起的渗透变形破坏类别为管涌型，依据相关规范，及结合经验数值， 建议允许水力比降值为J允许＝0.15。

漂卵石层与基础混凝土的摩擦系数可采用0.5。

场区标准冻土深度为0.80m。

3 闸型比选

黑河沟节制闸位于河道桩号4+016处，现状河底宽度为30m。本闸属新建工程，水闸设计功能为非汛期满足河道上游景观蓄水，汛期排泄河道洪水。

闸室设计布置为单孔开敞式，闸孔净宽30.0m。底槛高程102.7m，上游正常蓄水位104.7m，闸门设计高度2.0m。闸门型式比选考虑气动盾形闸门、水力自动翻板门及钢坝闸门三种门型。

根据本工程景观要求，综合分析比较气动盾形闸门、水力自动翻板闸门及钢坝闸门的优缺点，闸门型式采用钢坝闸门。

表1 闸门型式比选表

3.1 主要设计特点

钢坝闸门为多主梁焊接结构，转动支承设在门叶底部，当闸门竖起或倒下时，门叶围绕底轴心旋转；闸门允许门顶溢流，形成人工瀑布的景观效果；可以局部开启，调节上游水位；倒下时，门叶与上游闸底板处于同一高程，泄洪时不阻水。

钢坝闸门方案，由于单孔净宽可以达到30.0m，无需设置中间闸墩，泄水时对流态有利，又能达到通透的视觉效果，满足景观要求。钢坝闸门检修时，采用在低水位时搭建临时围堰挡水的方式。

3.2 启闭设备

钢坝闸门采用液压启闭机控制，液压启闭机容量及行程由钢坝闸门厂家配套提供。液压启闭机主要包括1座液压站、2支液压缸、1套电气控制装置等设备。2支液压缸分别安装在左、右岸闸墩内，液压缸的活塞杆端部通过支臂装置等与闸门底轴相连接，活塞杆的伸缩带动闸门底轴旋转，控制闸门启闭。液压站及电气控制装置等设备设置在岸边管理房内。

液压启闭机现地控制，预留远控接口，可以实现远方自动化控制。

3.3 防冰设计

冬季运行时，闸前破冰采用压缩空气射流法，选用空气压缩机等配套设施，在闸前冰层之间以压缩空气射流吹开一条不结冰的水域，防止冰的净压力作用到闸门上。

空气压缩机及控制装置等设备安装在岸边管理房内。

4 钢坝闸设计

在常水位以下时，闸门关闭。当洪水期时，液压启闭机控制闸门打开，闸门下翻进行泄洪。

工程总体布置根据功能需要和闸址地形、地质、水流及运用条件而确定，力争做到紧凑、合理、经济、协调、美观。闸轴线选择与河道中心线正交，考虑闸门型式的设计，闸门底板尽量减少分缝。为满足工程管理和运用的要求，在闸室左右岸设置地下启闭机设备室，整体景观外形美观大方，经济实用。

本次设计为1孔钢坝闸门，闸孔总净宽30.0m。闸顺水流向总长68.77m，其中上游连接段长20m，闸室段11m，下游连接段37.77m。

设计闸底板高程102.70m，上游正常蓄水位104.70m，闸门顶高程为104.70m。

上游连接段为长20m钢筋混凝土铺盖，厚度为0.4m，两侧为C20重力式混凝土挡土墙，顶高程为105.60m，进口处与河道挡墙顺接。

闸室段长度11m，底板为C25钢筋混凝土厚1.80mm，两侧为C25钢筋混凝土箱式挡墙，箱式挡墙厚0.80m。

消力池段长15m，池深0.5m，底板为C25钢筋混凝土厚0.60m，消力池池底高程为101.50m，末端设梅花状排水孔，排水孔底部设反滤及排水体，消力池上游侧采用1：4的斜坡段与闸室段连接。

海漫为水闸的防冲刷部分，该段与消力池段共同承担消能防冲要求，设置22.77m长的钢筋混凝土海漫，厚度为0.40m，垂直水流方向宽度由30m变为36.71m宽；下游与设计河道的0.2m厚现浇素混凝土板连接。两岸采用C20素混凝土重力式挡土墙结构型式，墙顶宽0.50m，顶高程为105.00m，出口挡墙与河道岸墙顺接。

5 水力设计计算

5.1 过流能力计算

节制闸采用平底宽顶堰形式，其水力计算依据《水闸设计规范》（SL265-2001）附录A有关公式计算，闸孔总净宽计算公式如下：

对于单孔闸：

结果见下表2。

表2 黑河沟钢坝闸特征水位成果表

经计算，水闸总净宽为30m。

5.2 消能防冲计算

钢坝闸下游消能采用底流式消能设计，其消能设施的布置型式采用下挖式消力池消能，消力池用斜坡面与闸底板相连接，斜坡面的坡度为1：4。

5.2.1 消力池深确定

拟采用底流消能方式，其水力计算根据《水闸设计规范》（SL265-2001）附录B有关公式计算。

消力池深度可用下式计算：

5.2.2 消力池长度计算

消力池长度按下式计算：

5.2.3 消力池底板厚度计算

消力池底板厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别按下列公式计算，并取其大值。

经计算，20年一遇、50年一遇洪水时，闸门全开泄流情况下，水闸下游基本上不产生水跃，不需修建消力池。

但为了与下游河道河底顺接，同时防止闸门下淤堵，此处设置消力池。设计消力池深度为0.5m，消力池长度为15.0m。经消力池底板厚度抗冲及抗浮稳定计算，底板厚度取为0.6m。

5.2.4 海漫长度计算

根据计算结果，海漫长度取32m。消力池后接22.77m长钢筋混凝土护底，下游10m为设计河道的0.2m厚现浇素混凝土板。

表3 海漫长度计算表

5.3 渗透稳定计算

根据地质资料，闸基位于卵石层上，地基承载力大。建议作为闸基基础承力层。但卵石层渗透系数较大，具强透水性。根据水闸闸基地下轮廓线各点的渗压水头，渗流坡降，采用阻力系数法判别闸基渗流稳定。

（1）地基有效深度计算。 （2）阻力系数及水头损失计算。

（3）水平及出口段渗流坡降计算。

（4）进出口处水头损失值修正。

根据以上计算各工况下出口的水力坡降J均小于允许水力坡降0.15，说明出口处不会产生渗透破坏。

6 闸室稳定计算

闸室稳定计算分别采用下列公式：

地基允许承载力 ［R］=300kPa

计算结果见表4。

表4 闸室稳定计算成果表

通过计算，以上工况计算结果均满足要求，基础应力均小于地基允许值，不会发生不均匀沉降及抗滑危险。

[1] 门头沟新城防洪及河道治理专项规划(2007～2020年）(评审稿).北京市城市规划设计研究院,北京市规划委员会门头沟规划分局

[2] 黑河沟水环境治理工程项目建议书(代可行性研究报告).北京市水利规划设计研究院.2011.03

[3] 黑河沟水环境治理工程初步设计报告.北京市水利规划设计研究院.2012.05

[4] 防洪标准(GB50201-94)

[5] 水闸设计规范(SL265-2001)