钢坝闸在水环境综合整治工程上的应用

王丽萍

【摘要】本文结合招苏台河入辽河口水环境综合整治工程提出钢坝闸工程在水环境综合整治工程上的应用，供参考。

【关健词】钢坝闸；水环境综合整治；应用

1、工程概况

招苏台河是辽河干流左岸的一级支流，入河口距通江口大桥约1km。河口地区地势平坦，河势顺直，河道平均宽度为40m，河道平均比降0.25‰。招苏台河口地区是辽河生态治理的重要节点，由于干旱缺水，维持河道内生物繁衍和灘地内植被生长的生态水面严重不足，河道内的生态环境得不到自身的修复和改善，水土流失、洪涝和土壤沙化等生态环境问题比较突出。植被退化严重，生态功能下降，目前的水质状况为劣V类，污染程度较重。为了支流排入辽河达到Ⅲ类水质的目标，在河口建设人工湿地，消减支流来污、净化来水的水质、改善河口区域水环境，为辽河摘掉重度污染的帽子给予强力支持。

工程的主要任务是在招苏台河入辽河口上游280m处修建一座拦河建筑物——钢坝闸，雍高上游河道水位，并在河道左岸滩地上辅以修建生态堰、滩地平整等工程措施，从左侧滩地引进河水，形成适合湿地植物生长的浅水区域。同时，对闸址上下游河岸陡坎进行防护，以保护河流岸线的稳定及坝的安全。通过工程措施使招苏台河口地区形成人工湿地，用湿地自身的净化功能来减轻支流来污。本次工程使河口新增湿地面积744亩（49.6hm2），闸门上下游及左侧滩地形成水面面积约46.21hm2，湿地植物栽植面积3.39 hm2。

2、防洪标准

根据《辽河保护区水环境综合整治工程建设规划报告》，确定钢坝闸防洪标准为5年一遇。

根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（SL252-2000）拦河水闸工程分等标准，招苏台河入辽河口钢坝闸工程取规范最低等别即Ⅴ等，建筑物级别为5级。

3、水环境综合治理方案

3.1拦河蓄水建筑物——钢坝闸

钢坝闸设计应根据地形条件和河道特性、因地制宜、力求安全、经济、合理。闸长应遵循主河槽建闸的原则，参照两侧滩地高程及中水河槽宽度确定闸长为40米。

3.2水质净化工程——河口人工湿地

在滩地表面种植具有性能好，成活率高，抗水性强，生长周期长，美观及具有经济价值的水生植物（如菖蒲，蒲草等）形成一个独特的动植物生态体系，招苏台河口上游左岸滩地形成具有水质净化作用的人工河口湿地，以净化招苏台河上游来污，使此支流排入辽干的水质达到预期标准。

3.3岸坡防护

为巩固岸线、稳定河势、减少水土流失，对河道两岸特别是闸上下游河段的陡坎进行有效的防护，是保证河道防洪安全的必要手段。本次钢坝闸上下游设计护岸总长度1265m。

4、钢坝闸设计

4.1坝型确定

钢坝闸和橡胶坝优点和缺点都很突出，运行管理问题也比较多，从工程投资上看，钢坝闸略大于橡胶坝。结合本工程的特点，招苏台河水质污染状况比较严重，环境条件比较恶劣，钢坝闸更适合使用在恶劣的环境下，且钢坝闸门的控制系统埋于地下，不需在地上部分修建管理房，与周围的环境搭配比较合适，所以本次设计采用钢坝闸作为水质净化工程中的拦河蓄水建筑物。

4.2工程布置

在距入辽河汇流口280米处建钢坝闸，闸长40米，闸高2.5米。此处河道摆动较小，河势较为稳定，岸线相对顺直。坝址上、下游左侧滩地宽阔，适宜修建人工湿地。坝址紧邻昌图县通江口乡后通江村，交通、电力等施工建设条件较好。

4.3钢坝闸总体布置

4.3.1闸长

招苏台河钢坝闸所在位置的现状中水河槽宽度是40m，根据主槽地形，为满足闭门时河道设计行洪要求，并且避免加大开挖或回填，确定钢坝闸长为40.0m，单跨。

4.3.2闸底板高程

为最大限度地满足泄洪要求，减少建闸后对河道的淤积影响，保证洪水安全下泄，根据《辽河保护区河道与水环境综合整治工程建设规划报告》规划仅在主槽形成稳定的水面，考虑招苏台河多泥沙河流特性，维护河道自然比降不变，以利于行洪和排沙。

根据实际测量数据，河底平均高程在69.5m，因此闸底板高程确定为69.5m。

4.3.3闸顶高程

为保证钢坝闸蓄水时水面高于现状左岸滩面，利于形成湿地，且又不宜过高而对右岸耕地（高程72.3～73.2m）及上游的两家子农场（平均高程73.7m）造成浸没影响。根据闸址两侧地形条件，闸门过高则对右岸形成大的浸没影响，闸门过低侧左岸湿地滩地平整土方量过大。左侧滩地高程在72.0～73.0m，为在左岸形成浅水区，坝顶高程比左岸滩面高0.3～0.5m。在综合考虑滩地土方平整量、浸没影响及闸门的运行管理因素，确定钢坝闸坝顶高程为72.0m。

4.3.4闸基础处理

闸底基础开挖根据钢坝闸设计底板高程按设计厚度下挖至建基面，即为底板设计高程。在混凝土浇筑前应将基础压实。如建基面为淤泥和粉砂等软弱土层，应采用换基措施处理，以保证地基承载力满足建坝要求，将软土层全部挖除，用级配砂砾料回填，并压实要求相对密度不小于0.65。

4.4闸底板设计

4.4.1底板长度

根据钢坝闸的运行、检修特点及厂家的设计要求，坝底板长度选定为8.32m。

4.4.2底板厚度 钢坝闸底板厚度选定为1.0m。

4.5防渗设计

4.5.1上游铺盖布置

在底板上游布置铺盖，可以增加防渗长度，降低底板渗透压力，而且能够防止上游河底冲刷。根据《水闸设计规范》（SL256-2001）等有关规定，钢坝闸上游铺盖长度一般采用上、下游最大水位差的3～5倍，结合闸址处的工程地质资料及正常运行上下游水位关系，综合确定闸上游铺盖长度为8m。在坝上游设置长8m，厚0.5m的钢筋混凝土铺盖。

4.5.2防渗长度校核

按照勃莱法计算闸基所需防渗长度。

拟建钢坝闸建基于细砂层，根据地质勘察报告，细砂层允许渗透比降建议值为0.10。

计算公式如下： L=C×ΔH

式中：L—闸基所需防渗长度；

C—渗径系数；

ΔH—上下游水位差。

细砂有滤层时允许渗径系数值采用9，正常运行时钢坝闸上下游水位差為2.50m时，闸基所需防渗长度为22.5m；坍坝行洪时上下游水位差均小于2.00m，闸基所需要防渗长度亦小于18.00m。因此，防渗控制长度为22.5m。

上游铺盖、闸底板、下游消力池结构分缝处采用橡胶止水带连接，地下轮廓线总长度为27.3m，满足防渗要求。钢坝闸边墙为钢筋混凝土结构且有橡胶止水带连接满足侧向防渗要求。

4.5.3反滤

为进一步加强下游出逸点渗透安全，在消力池海漫下设置反滤土工布，加强出逸点反滤安全，防止土料发生渗透变形。

4.6边墙及左右护岸连接

闸上游钢混铺盖、闸室、下游消力池两侧边墙厚600mm，结构型式相同，一侧边墙全长33.55m，边墙顶部高程左右岸皆为72.6m。边墙采用钢筋混凝土悬臂式挡土墙结构，边墙上下游直角翼墙与两岸护坡相连接。

4.7集成式控制室

钢坝闸的启闭控制设备放置在边墙后、地面下的集成式控制室内。它是操纵钢坝闸门启闭的机电设备及附属设施的控制及管理维护结构。为了节约投资和方便交通，控制室埋置在闸门两侧边墙后，室顶高程为72.6m，顶部用200mm厚的钢混盖板封住并留进入孔以方便人员进入操控检修。进入孔尺寸为1.5m×1.2m，上部凸出100mm高的井口，以防止雨水灌入。控制室面积为2.6m×9m，控制室墙厚600mm。控制室顶高程与边墙顶高程一致为72.6m。

4.8消能及防冲计算

4.8.1计算条件

招苏台河入辽河口水环境综合整治工程中钢坝闸工程的洪水标准为5年一遇。闸址处河底平均高程69.5m，河床主要为中砂。

闸底板高程69.5m，闸高2.5m，闸顶高程72m，设计挡水位为72.3m，允许最高挡水位为72.5m。钢坝闸为单跨1扇，闸长40.0m。

4.8.2消能防冲计算

（1）泄流能力

闸门直立溢流及闸门放倒过程中溢流按矩形薄壁堰计算过流能力；闸门放下后，按宽顶堰计算过流能力。

式中： Q——堰上流量，m3/s；

m0——流量系数；

b——堰顶宽度，b=40m；

Н0——计入行近流速的堰顶水头。

不同水位下钢坝闸的闸顶泄流量见表1。

钢坝闸落闸后泄流能力计算

落闸后按宽顶堰计算泄流能力，即：

式中：Q—下泄流量，m3/s；

—淹没系数，=1.0；

—侧收缩系数，=0.98；

B—溢流堰宽度，B=40m；

m—流量系数，取m=0.385；

H—计入行近流速的堰顶水头。

落闸后不同水位下钢坝闸下泄流量见表2。

（2）消能防冲计算

A.工况分析

当坝顶溢流时，由于泄流能力十分有限，单宽泄量较小，对下游防冲基本没有影响。当放下闸门时，水流保持原河床行进，水头差极小，对下游防冲也基本没有影响。其最不利工况是在钢坝闸落闸过程中，此时下游水位较小，假定上游水面基本维持不变，挡水水位最高，水头差最大。

在落闸过程中，上游水位维持不变（最大允许水位为72.5m）时上下游水位差最大，消能防冲计算工况以（hc//-hs）为最大控制。

消能计算控制工况详见表3。

下游水位按主河槽（平均宽约40.0m，糙率0.025，河道比降0.25‰）计算，当水位从滩地漫流时坝已经全部降下。

从上表4可以看出，落闸过程中，下游水位上升，跃后水深与下游水深之差逐渐减少，控制工况在单跨钢坝闸坍坝过程中，当钢坝闸塌至0.5m高时，跃后水深与下游水深之差最大，为控制工况。

C.消力池计算

消力池深度按下式计算

式中：——消力池深度，m；

——水跃淹没系数，采用1.05；

——出池落差，m；

——出池河床水深，m。

消力池长度按下式计算

式中：——消力池长度，m；

——消力池斜坡段水平投影长度，m；

——水跃长度校正系数，采用0.8；

——水跃长度，m。

消能工长度采用远驱水跃最大流量所对应的长度。

消力池计算成果详见表5。

表5 消力池计算结果

水位

（m） 单宽泄量（m3/s.m） 收缩断面水深

（m） 跃后水深（m） 出口断面落差

（m） 消力池池深

（m） 消力池长度

（m）

72.5 3 0.494 1.697 0.2 0.5 8.5

根据上表及实际工程经验，消力池深度设计取值0.5m，考虑与坝底板平顺连接，消力池长度取值10.0m。

D.消力池结构

消力池底板厚度按下式计算：

抗冲：

抗浮：

式中：——消力池底板始端厚度，m；

——闸孔泄水时的上、下游水头差，m；

——消力池底板计算系数，0.15；

——消力池底板安全系数，1.30；

——作用在消力池底板底面的扬压力，kN；

——作用在消力池底板顶面的水重，kN；

——作用在消力池底板上的脉动压力，kN；

——消力池底板的饱和重度，kN/m3。

经计算，消力池底板厚度为0.43m，消力池底板设计厚度取0.6m。

E.海漫

海漫长度按下式计算

式中：——海漫长度，m；

——闸上、下游水位差，m；

——海漫长度计算系数，根据河床土壤，K=13；

——消力池末端单宽流量，m3/s.m。

经计算，海漫计算长度为8.95m，设计取值11m。

4.9稳定及结构计算

4.9.1计算工况

以最不利工况：闸门直立挡水时，上游水位72.5m，下游无水（地下水和河底齐平）为计算情况。

4.9.2荷载计算

坝体荷载按1m宽板条计算。

4.9.3闸室抗滑稳定及基底应力计算

抗滑穩定计算公式：

式中：f — 闸基础底面摩擦系数0.45；

ΣG — 作用于基础底面上的全部竖向荷载；

ΣH — 作用于坝底板上的全部水平荷载。

闸基底应力计算公式：

式中：A——闸基础底面面积（m2）；

e——基底应力偏心距（m）；

B——基础宽度（m）。

正常挡水情况下抗滑稳定计算结果详见表7，坝底板基底应力计算结果见表6。

上述计算结果表明：闸底板的抗滑稳定、闸底板基底应力不均匀系数小于规范允许值，基底应力小于地基容许承载力，因此闸室是安全的。

5、结语

招苏台河钢坝闸己于2013年5月建成，运行正常。在10.0km河道上非汛期形成连续水面，同时调节和改善城区内的小气候，将进一步恢复湿地，促进水体循环和净化，使湿地生态系统及动植物资源得到有效的保护和恢复。对维持湿地生态系统的完整性、稳定性、自然性和多样性等具有重要作用。

参考文献：

[1]《防洪标准》（GB50201—94）

[2]《堤防工程设计规范》（GB50286—98）

[3]《钢坝闸技术规范》（SL227-98）

[4]《水闸设计规范》（SL265-2001）

[5]《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）