太子河姚家橡胶坝改造为水力自控翻板闸门设计

宋玉强

(本溪市观音阁输水工程建设管理局，辽宁本溪117022)

太子河姚家橡胶坝改造为水力自控翻板闸门设计

宋玉强

(本溪市观音阁输水工程建设管理局，辽宁本溪117022)

本溪市对城市河道景观建设提出了新要求和新内容。“青山、碧水、蓝天”工程是全市建设的主题。在加强堤防建设，满足防洪要求的同时，加强了城市河道景观建设，为人们提供休闲场所，对河道进行综合开发利用。本溪市太子河城市段内修建了6座拦河坝，形成了河道绵延数公里的优美水上景观。文章介绍了一座由橡胶坝改造成水力自控翻板闸门的设计。

橡胶坝;改造;设计;坝型选择;水力自控翻板闸门;技术措施

0 前言

太子河自东向西横贯本溪市区，全长26.85 km。2003—2006年，本溪市水务局完成了堤防建设24.17 km，改扩建4处滨河公园，新建6道拦河坝，分别为团山子、彩屯、溪湖、姚家、小堡、威宁拦河坝，其中姚家和小堡拦河坝为原橡胶坝改造为水力自控翻板闸门。

姚家橡胶坝始建于90年代初期，为充水式橡胶坝，随着太子河综合整治工程建设，姚家橡胶坝坝袋已严重老化，且年运行管理费用较高、回水区长度不能满足综合整治的要求，本溪市水务局将姚家橡胶坝进行改造，改造后坝型为水力自控翻板闸门［1］。

1 姚家橡胶坝简介

1.1 姚家橡胶坝工程概况

原姚家橡胶坝工程等级为Ⅴ等，其主要建筑物级别为5级，次要建筑物及临时建筑物级别为5级。设计洪水标准为10 a一遇，校核洪水位标准为20 a一遇。

原姚家橡胶坝为充水式橡胶坝，原设计坝长为184.7 m，设计坝高2.5 m，共分为3 跨，每跨60 m，共设两个中墩，墩宽 0.8 m，左岸设有2.3 m ×1.5 m调节闸门。

左岸翼墙长59.8 m，右岸翼墙长63.4 m，设计河底高程105.90 m，坝底板高程106.20 m，左岸翼墙顶高程109.20 m，右岸翼墙顶高程112.43 m，底板、中墩及翼墙均为C25、F200钢筋混凝土结构，右岸建有管理泵房［2］。

1.2 姚家橡胶坝存在的问题

改造前姚家橡胶坝主要存在以下4个方面的问题:

1)橡胶坝袋老化严重，充水、排水设施(水泵、控制阀门、管路等)，设备陈旧，太子河姚家段为本溪市城区段，下游戏水及垂钓鱼者较多，一旦出现坝袋破裂造成后果严重。

2)橡胶坝袋管理维护比较困难，易老化，破损，冬季不能蓄水。

3)橡胶坝在使用中发生中部坝顶下凹的现象。

4)运行管理费用较高，约10万元/a。

2 改造设计

2.1 坝型选择

太子河综合整治工程中，共建了6道拦河坝，坝型均为水力自控翻板闸门。翻板闸门的工作原理是杠杆平衡与转动，具体来说，水力自控翻板闸门是利用水力和闸门重量相互制衡，通过增设阻尼反馈系统来达到调控水位的目的:当上游水位升高则闸门绕“横轴”逐渐开启泄流;反之，上游水位下降则闸门逐渐回关蓄水，使上游水位始终保持在设计要求的范围内［3］。

这种坝型主要具有以下特点:

1)最显著特点是洪水运行期间灵活、安全、而且节省人力、物力，管理方便，防洪、泄洪准确且及时。

2)运行过程不需要任何动力设施，节约了能源。

3)原理独特、作用微妙，泄洪时闸门顶部、底部同时出水，能及时排出淤积的泥沙和大量飘浮物，保持河道的清洁。

4)门体为预制钢筋混凝土结构，仅支承部分为金属结构，生产过程不产生任何“三废”污染，维修方便，费用低。

5)由于该闸门表面是预制混凝土，与橡胶坝易老化和钢闸门的易腐蚀相比，水力自控翻板闸门对河道水质不产生任何污染。

6)由于能准确自动调控水位，自动起闭，运行时稳定性良好，就当前水资源短缺，对于合理使用和利用水资源有其独到之处。

7)蓄水后景观效果较好，起到了城市配套工程的协调作用。

2.2 设计原则

工程设计原则为:

1)工程等级与原姚家橡胶坝工程相同，工程等级为Ⅴ等，其主要建筑物级别为5级，次要建筑物及临时建筑物级别为5级。

2)由于工程为改造工程，为减少工程投资，应尽可能利用原建筑结构及有建筑物。

3)满足防洪要求。

4)与太子河综合整治整体景观相适应［4］。

2.3 工程布置

工程布置主要有6个方面内容:

1)保留原橡胶坝上游抛石防冲槽、混凝土铺盖、坝底板、下游消力池、海漫、下游抛石防冲槽。

2)保留原右岸翼墙，加高左岸翼墙。

3)保留原左岸调节闸门，对闸墩及胸墙进行加高处理。

4)新建右岸3.0 m×3.5 m调节闸门。

5)新建翻板闸门中墩0.8 m厚，长度同原闸墩。

6)考虑到翻板闸门单跨过长，过流后对门板的震动影响较大，将整个翻板闸共分3跨布置，闸门高3.0 m，单扇翻板闸门为3 m×7 m;共布置25扇翻板闸门，第1跨、第3跨均布置8扇翻板闸门，长度均为56.2 m(含侧止水0.2 m)，第 2跨布置 9扇翻板闸门，长度为63.2 m(含侧止水0.2 m)，左岸调节闸宽度3.1 m，右岸调节闸宽度4.4 m，改造后坝长184.7 m，与原坝长相同。改造后布置详见图1。

2.4 主要技术措施

主要的技术措施有以下6个方面:

1)对原坝底板加厚处理后，在底板处开凿翻板闸门支墩、浪柴墩预留坑，闸门安装后，浇筑二期混凝土。

2)为减少对原底板破坏，采用人工拆除原有中墩。

3)混凝土浇筑前，对原底板进行凿毛处理。

4)加厚底板、新建中墩、新建调节闸，采用在原底板按设计配筋间距钻孔，在孔内预埋锚筋，预埋锚筋达到强度后，与新架设的钢筋焊接，浇筑混凝土后底板整体性更好，并使结构更加稳定。

图1 姚家橡胶坝改造工程上游立面图

5)过流计算中，设计流量选用《本溪市太子河威宁桥至姚家综合整治工程》中流量成果。设计流量表见表1。

表1 工程区太子河设计流量表 m3/s

过流计算，采用的公式为:

式中:Q为泄流量，m3/s;n为闸孔数，25孔;σs为淹没系数，当HS/H≤0.57，σs=1.0;当HS/H ＞ 0.57 ，;hs为下游水位高于门下固定坝顶的高差;H为坝上水头，m;σc为侧收缩系数;ψ为行近流态影响系数;W为行进流速折减系数。

按“湖南水电公司”提供经验计算公式为:

式中:H0为包括行近流速水头的坝上水头;即:H0=H+V2/2g;Q单为厂家表中对应流量，m3/s;b为单扇闸门宽度，m;a为闸门全关时铅垂高，m。

计算水位流量关系图，翻板闸门断面图见图2。

由水位流量关系曲线查得各设计标准下水位，见表2。

图2 翻板闸门断面图

表2 翻板闸门设计洪水位计算表

由于设计左岸二阶台地高程113.76 m，右岸翼墙顶高程为112.43 m，且建有太子河防洪堤顶高程117.10 m，因此改造工程满足防洪要求。

6)稳定计算

根据《水闸设计规范》(SL265—2001)规定，采用计算公式为:

式中:Kc为沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数;f为闸基底面与地基之间的摩擦系数，可按表7.3.10规定采用(0.5);∑G为作用在闸基上的全部竖向荷载，kN;∑H为作用在闸基上的全部水平向荷载，kN。

抗滑稳定安全系数应满足规定，闸基底面抗滑稳定安全系数允许值见表3。

表3 闸基底面抗滑稳定安全系数允许值

闸基稳定计算结果见表4。

表4 闸基稳定计算

工程改造后，经计算，坝体抗滑稳定满足要求。

3 橡胶坝改造为水力自控翻板闸的优点

由于改造工程在原有坝基上进行，与新建工程相比，主要存在以下优点:

3.1 节省工程投资

姚家橡胶坝改造为水力自控翻板闸工程总投资额为325万元。新建太子河上同等规模水力自控翻板闸门投资约为610万元，改造工程与新建相比，节省土石方开挖0.3万m3，节省混凝土浇筑0.4万m3，节省投资285万元;从节省投资角度来看，改造工程节省投资效果明显。

3.2 缩短建设工期

姚家橡胶坝改造为水力自控翻板闸总工期3个月，新建太子河上同等规模水力自控翻板闸门总工期为5个月，改造工程与新建相比可以缩短2个月工期。

3.3 资源得到充分利用

在姚家橡胶坝改造为水力自控翻板闸工程中，原橡胶坝部分结构，如:上游抛石防冲槽、混凝土铺盖、坝底板、下游消力池、海漫、下游抛石防冲槽等得到充分利用，避免了资源浪费及重复投资，原橡胶坝充水泵房改为太子河河道管理所，也得到了充分的利用［5］。

3.4 节省运行管理费用

翻板闸门的检修只需每年汛前或洪水过后对闸门的金属件(如螺栓)逐个检查，如遇螺栓松动时应旋紧，保证运行安全，每2 a左右对闸门金属件(除不要求或不见光时部分)进行防锈漆处理，每3～5 a更换闸门止水橡皮，以维护闸门长久运用。翻板闸门同橡胶坝相比较，每年可以节省管理费用10万元左右。

4 工程运行情况

本溪市姚家橡胶坝改造工程，于2007年4月10日开始动工兴建，同年7月10日结束。竣工后自动翻板闸门关闭蓄水，形成水深3 m，回水长度2 000 m，蓄水量为90万 m3，回水面积60万 m2的水面，经过7 a运行，经历多次洪水考验，运行情况良好。

工程运行后，蓄水后形成人工湖泊，在太子河河道内蓄起一片人工水面，增加当地的水容量和湿度指数，改善了当地的生态小气候，美化环境，成为本溪市民娱乐、健身、观光的好去处，为山城百姓营造良好的休闲场所。

同时，工程与两岸滨河公园自然风貌相结合，使太子河城区段生太景观得到延续和升华，带动了姚家新区的建设和及房地产开发，取得了良好的社会效益，实现生态环境和社会经济建设的协调统一。实景图见图4。

图4 太子河人工湖泊实景图

5 结语

以上介绍了姚家橡胶坝改造翻板闸工程，充分利用原橡胶坝部分结构，同新建同类工程相比，在满足原有功能要求的基础上，降低了投资，缩短了工期，节省运行及管理费用，取得了生态效益和社会效益，建议在今后类似改造工程中推广使用。

［1］王霞，唐德善，赵洪武，等.太子河流域水资源供需分析［J］.水利科技与经济，2005，11(09):542-545.

［2］刘亚凤.橡胶坝在水利工程中的应用［J］.水利科技与应用，2005(01):57，59.

［3］刘健，许辉.橡胶坝自动化控制浅析与实施［J］.小水电，2007(02):40-42.

［4］邵强，吴永政.橡胶坝改造成平板闸阀的结构处理［J］.东北水利水电，2000，18(08):10-11.

［5］吴立新.溪口水电站挡水建筑物技术改造的实践［J］.小水电，2009(06):43-44.

Hydraulic Automatic Flap Gate Design for Yao Jia Rubber Dam Renovation Project on Taizihe River

SONG Yu-qiang
(Benxi City Guanyinge Water Diversion Project Construction Management Bureau，Benxi 117022，China)

Benxi city puts forward new requirements and new content on the landscape construction of urban river.“The green mountains，clear water，blue sky”project is the theme of the construction in the city.To meet the requirements of flood control embankment construction，at the same time，the construction of city river landscape is strengthened，offering leisure place for people，the river comprehensive development and utilization.6 dams were built on city river section in Benxi Taizihe River，forming a beautiful water landscape stretching miles along the urban river bank.This paper introduces the design of a hydraulic automatic flap gate transformed from rubber dam.

rubber dam;renovation;design;selection of dam type;hydraulic automatic flap gate;technology measures

TV644

B

1007-7596(2014)05-0041-04

2013-11-26

宋玉强(1979-)，男，辽宁本溪人，工程师。