秦皇岛市戴河综合治理工程新建景观蓄水性建筑物型式比选确定

2014-02-20齐静高蛟

海河水利 2014年3期

关键词：橡胶坝闸室启闭机

齐静，高蛟

（1.海河水利委员会科技咨询中心，天津300170；2.水利部河北水利水电勘测设计研究院，天津300250）

秦皇岛市戴河综合治理工程新建景观蓄水性建筑物型式比选确定

齐静1，高蛟2

（1.海河水利委员会科技咨询中心，天津300170；2.水利部河北水利水电勘测设计研究院，天津300250）

新建景观蓄水性建筑物位于秦皇岛市开发区戴河景观段的中枢部位，它不仅承担着非汛期拦河蓄水及汛期行洪的重要任务，而且又要与整个开发区戴河上下游景观河道建设融为一体，形成戴河景观的一个重要节点。为了与周边环境和谐统一、提高区域品质，分别对橡胶坝方案、传统水闸方案、新型水闸方案进行了优选。采用集成式液压启闭机的新型水闸能够很好地满足区域景观规划要求，因此新型水闸方案为推荐方案。

新型水闸；集成式液压启闭机；景观规划

1 工程概况

戴河是北戴河地区的母亲河，发源于河北省抚宁县，流经秦皇岛市经济技术开发区、北戴河区后入海，全长40 km，流域面积290 km2，是冀东沿海独流入海河流之一。秦皇岛市戴河（开发区段）综合治理工程包括戴河中上游干流及深河支流治理两部分，治理段总长约11.26 km，其中戴河主河道全长约6.29 km、深河治理全长约4.97 km。工程治理的目的是使戴河、深河满足清污和防洪的基本要求，并结合河道两岸景观改造新建蓄水闸坝，使治理后的戴河、深河能够蓄水并形成连续水面，美化地区环境，恢复健康的生态系统。

秦皇岛市戴河（开发区段）综合治理工程中戴河干流和深河支流因为所流经开发区规划区域功能的不同各自分成景观段与非景观段。随着经济的发展、城市化进程的加快以及人民生活水平的改善，人们对生活环境的要求日益提高，更讲求生活质量，在城市水利建设园林化方面有了更高的要求。高家店村拦河蓄水建筑物位于戴河开发区景观段的中枢部位，设计桩号5+617，不仅承担着非汛期拦河蓄水及汛期行洪的重要任务，而且又要与整个开发区戴河上下游景观河道建设融为一体，形成戴河景观的一个重要节点，因此该建筑物的建设也应以满足景观布局为前提。建筑物所在地河道底宽约为130m，基本上为景观河道的最宽处，其景观建设的主要内容为：在构筑物上修建蜿蜒曲折的景观亭廊及观景平台，打造一条贯穿整条河道的文化艺术走廊。人文景点建成后，游客置身于河道水中央，增加了亲水感并充分体会戴河河道所带来的自然美，为居民提供一个休闲、娱乐的好场所。建筑物设计洪水标准为戴河河道20年一遇，设计流量855m3/s，建筑物上游景观水位9.0m、下游景观水位7.0m。

2 建筑物型式确定

2.1 橡胶坝方案

橡胶坝是随着高分子合成材料工业的发展而出现的一种新型水工建筑物，由高强度帆布作强力骨架与合成橡胶构成，锚固在基础底板上，形成密封袋状，既可满足河道非汛期拦河蓄水、营造水面景观的要求又可达到汛期塌坝行洪的目的。橡胶坝具有施工难度低，工期短，占用河道行洪断面小，技术要求低，运行维修方便，抗震能力强等特点。

根据参考文献[2]，橡胶坝塌坝行洪时按宽顶堰泄流考虑，按照橡胶坝泄洪能力计算公式，确定其所需净宽为90m。橡胶坝设计沿轴线方向分为两跨，单跨长45m，中间用中墩隔开，中墩墩厚1.0m，其底板对称于中墩布置，长4.0m，厚1.2m；边墩采用半重力式挡墙结构，以承担来自墙后河道堤顶的土压力。橡胶坝坝底板高程5.5m、厚1.0m，坝顶高程与景观水位相齐平为9.0m，设计坝高3.5m，根据橡胶坝安装、塌坝检修要求及抗滑稳定计算成果，确定底板顺水流方向长度为14.0m，坝袋安装在底板及中、边墩前趾的锚固槽内；充排水泵房设置在河道左岸，坝袋充水方式采用动力方式，通过泵房内的水泵抽水至坝袋进行充水，并以溢流口高程控制坝袋内压，其充水时间约为4 h。橡胶坝坝袋排水采用自排和机排相结合的方式，机排排水时间约为4 h，河水水位具备自排条件时可采用自排排水，当排至内外压相同时，再用水泵将坝袋内水排出。为满足在橡胶坝坝顶布置景观亭廊及观景平台的景观规划要求，需要设计两跨单跨45m的桥梁连接橡胶坝的中墩和边墩，由于桥梁跨度较大，桥梁结构型式需采用箱梁，经计算梁高为2m。

2.2 传统水闸方案

传统水闸由于所采用启闭机不同而主要分为螺杆启闭机和卷扬启闭机，当水头低、门体小、所需启门力小时一般采用平板门，启闭机采用螺杆启闭机和卷扬启闭机均可；当水头较高、门体较大、所需启门力较大时，一般采用平板钢闸门或弧形钢闸门，启闭机采用卷扬启闭机。高家店拦河蓄水闸在满足河道行洪855m3/s要求时，闸室总净宽90m，为减小中墩及闸门数量，增加闸室有效过流面积，闸室采用10孔4联布置，每联依次为2、3、3、2孔，单孔宽均为9m，闸底板高程为5.5m、厚1.2m，闸墩墩顶高程为11.5m、高6m，边墩厚1.2m，中墩厚1.0m，缝墩厚0.8m，单孔闸门尺寸为9.0m×4.0m。由于闸门尺寸较大，因此传统水闸方案需采用卷扬启闭机启闭弧形钢闸门或者平板钢闸门的方案，这两种闸门型式均需要在闸墩墩顶设置排架，排架高度在4m左右，启闭机需放置在排架顶板上的启闭机房内。为满足在闸墩墩顶布置景观亭廊及观景平台的景观规划要求，需要在闸室排架下游设计10跨单跨9m的桥梁，由于桥梁跨度较小，桥梁结构型式需采用板梁，经计算梁高为0.7m。

2.3 新型水闸方案

近些年来，液压启闭机在水闸中的应用日渐增多，尤其是江浙沪沿海发达地区，大型河道对闸上景观布置有较高要求，当建筑物所需水头较高、门体较大、所需启门力较大时，液压启闭机应用更为普遍。液压启闭机的工作原理是用液压泵把原动机输出的机械能变为液压能，然后由管道、液压阀入液压缸，经过液压缸把液压能变成工作机的机械能，从而驱动水工闸门完成启门和闭门等动作。新型水闸方案闸孔布置采用同传统水闸一致的10孔4联布置，每联依次为2、3、3、2孔，单孔宽均为9m，闸底板高程上游部分为5.5m、下游下卧槽部分为4.7m，槽深0.8m，水闸在启门行洪时钢闸门可以平放在下卧槽内；闸墩墩顶高程为11.5m，边墩厚1.2m，中墩厚1.0m，缝墩厚0.8m，单孔闸门尺寸为9.0m×4.0m。闸门型式采用平面卧倒钢闸门，启闭机采用集成式液压启闭机。新型闸门采用的集成式启闭机是一种机电液一体的新型启闭机构，它以液压缸为主体，是油泵、电动机、油箱、滤油器、液压控制阀组合的总成，工作原理是以电机为动力源，电机带动双向油泵输出压力油，通过油路集成块等元件驱动活塞杆来控制闸门的开关。集成式启闭机同常规液压站分体启闭机相比，具有现场安装工作量小、能耗小、启闭机控制方式更加简单可靠等特点。由于新型水闸闸门通过埋设于闸墩内的液压杆件来控制，因此闸墩墩顶无需设置排架。

集成式液压启闭系统具有布置紧凑、承载力大，调速和换向方便，运行平稳，容易实现自动化控制等优点。整个闸室启闭系统操控将通过位于河道左岸的中控室统一调控来实现，闸门控制采用分布式计算机监控系统，同时保留手动控制功能，通过建立一套视频监视系统采用即时画面监视，提高闸站运行管理水平，增加了闸站运行管理的便利性。

3 方案优选

橡胶坝方案虽然能够满足建筑物非汛期拦河蓄水及汛期行洪的要求，但建筑物景观布置要求在每跨橡胶坝上布设板梁来作为上部亭廊的基础，由于橡胶坝单跨45m，为大跨度箱梁结构，梁高需2m。大跨度高梁布置需加大橡胶坝中墩及边墩的断面面积并且采用灌注桩地基处理方式提高地基承载力，这样不仅会增加工程总投资，更重要的是桥梁梁高远远超过了河道两岸地面高程，景观建筑物布置在高梁上，无法达到与周围景观的和谐统一。

弧形钢闸门的启闭均需要在闸墩上设置排架及启闭机房，平板钢闸门相对于弧形钢闸门来说所需要的排架高度要高，对结构稳定更为不利。闸墩上部排架及启闭机房的布置总高度约为8m左右，远远超出了景观亭廊的高度，也与景观总体规划要求水闸附近不允许有高大建筑物的原则相违背。

新型水闸与传统水闸的不同点是：启闭机采用集成式液压启闭机，闸门采用平面卧倒钢闸门，打破了有闸必有排架和启闭机房的常规，体现了一种新型设计理念，水流流态较好，自动化程度较高，运行管理方便可靠，能够满足戴河景观建筑物布置的各项要求。集成式启闭机同螺杆式、卷扬式启闭机功能比较，见表1。

表1 集成式启闭机和螺杆式、卷扬式启闭机比较

4 新型水闸闸室布置

闸室分4联布置，总计10孔，单孔9m，闸室总净宽90m。闸室2个中联均布置3孔，单个中联底板宽度为30.8m；2个边联均布置2孔，单个边联底板宽度为21.1m，3联闸室底板总宽为103.8m。闸室底板顺水流方向长度为16.0m，为满足闸门布置要求，其顶面采用折线布置，上游部分顺水流方向长8.8m；底板顶高程为5.5m，其上游部分通过56 cm宽的斜坡过渡到底板闸门下卧槽，槽深0.8m，其底板顶高程为4.7m；汛期行洪时景观蓄水闸闸门便卧倒在下卧槽内，下卧槽长6.64m，其底板顶高程为5.5m。各联闸室闸墩在有闸门下卧槽部分高度均为6.8m，其余部分均为6.0m；闸门采用下倾式平板钢闸门，启动方式为液压启闭，闸门尺寸为9.0m× 4.0m。新型水闸闸室纵剖面，如图1所示。

5 新型水闸闸室稳定计算

新型水闸结构型式确定后，把边联闸室及中联闸室各自作为一个整体计算单元，分别进行闸室稳定计算，验算新型闸室的闸室抗滑稳定和基底应力情况。

5.1 荷载组合

景观蓄水闸稳定计算荷载组合，见表2。

图1 新型水闸闸室纵剖面

表2 景观蓄水闸稳定计算荷载组合

5.2 稳定应力计算

5.2.1 闸室抗滑稳定计算

式中：Kc为沿闸基底面的抗滑稳定安全系数；ΣG为作用在闸室上的全部竖向荷载（kN）；ΣH为作用在闸室上的全部水平向荷载（kN）；φ0为闸室基础底面与土质地基之间的摩擦角（°）；C0为闸室基础底面与土质地基之间的粘结力（kPa）；A为闸室基础底面的面积（m2）。

5.2.2 中联闸室基底上、下游边缘垂直应力计算

5.2.3 边联闸室基底上、下游边缘垂直应力计算

5.3 计算成果

中联和边联的闸室稳定应力计算成果，见表3-4。

表3 景观蓄水闸中联闸室抗滑稳定和基底应力计算成果

表4 景观蓄水闸边联闸室抗滑稳定和基底应力计算成果

由表3-4可知，在采用新型水闸后，中联及边联闸室抗滑稳定安全系数远远大于其允许值；基底应力值偏低，在很大范围内能够满足地基允许承载力要求。由此可见，新型水闸闸室结构能够很好地满足稳定及应力要求。

6 结语

橡胶坝方案和传统水闸方案均能够满足建筑物非汛期拦河蓄水、汛期塌坝及开闸行洪的要求，其不足之处是不能满足建筑物所处区域的景观规划要求。采用集成式液压启闭机的新型水闸不仅在结构稳定及地基应力方面很大程度上满足了规范要求，更加重要的是达到了与周围环境和谐统一的目的，特别是其液压新技术（如同步技术、插装技术、比例控制技术等）的成功运用将会使产品越来越能够得到保障。由于液压技术与电子技术相结合的优势，液压启闭机更加适应现代工程建设的发展要求，在要求较高的景观规划和建设方面新型的液压启闭机取代传统的螺杆式、卷扬式启闭机将成为趋势。

全国各地城市，尤其是沿海旅游城市，都把在城市河道兴建景观建筑物作为改善城市环境，谋求社会、经济效益以及综合开发城市河道及河道两岸土地资源的主要措施之一。高家店村景观蓄水闸作为一道景观闸建成后将大大增强戴河河道的环境配置，提高环境竞争力，既能改善区域品质，又能带动周边建设项目的发展，对开发区的经济发展将起到积极的推动作用。

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