碧湾拦河闸除险加固工程钢坝设计与施工

(江西省水利规划设计研究院 江西省水工结构工程技术研究中心，江西 南昌 330029)

河道治理工程不仅要恢复河道防洪、排涝、灌溉、供水等正常功能，也要使整治后的河道能够达到河畅、水清、岸绿、景美的整体效果。闸坝作为一种重要的水工拦水设施，对其安全性能的要求也越来越高。作为一种新型可控开度溢流坝，钢坝主要由带固定转轴的金属结构闸门门体、液压驱动启闭设备及锁定装置、混凝土基础等组成。钢坝结构相对较简单，维护管理方便，适用于闸孔较宽(10～100m)而上下游水头差不大(1～7m)的闸坝[1]。钢坝立闸蓄水，卧闸排洪，启闭迅速，闸门顶过流，可产生人造瀑布景观效果，在河道治理工程中得到了越来越多的应用。在碧湾拦河闸除险加固工程中，考虑河道上游水位不能抬高、溢流坝段过流宽度不能减少、左岸施工场地狭小、右下游有重要的安防设施(电站)等限制条件，经综合技术经济比较，选用钢坝设计方案，该方案在除险改造后实际运行中起到了良好的效果。

1 工程概况

碧湾拦河闸位于景德镇乐平市众埠镇乌龟塘村境内，坐落于乐安河建节水上。工程主要由溢流坝、右岸泄水闸、左右岸灌溉进水闸等建筑物组成。设计灌溉面积2.495万亩；是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电等综合效益的大(2)型水闸工程。

工程始建于1958年，溢流堰顶设1.3m高木质翻板闸门，1985年，翻板闸门改建成橡胶坝控制。自1985年由木质翻板闸门改建成橡胶坝起，至今已运行20多年，先后更换橡胶坝袋4 次，目前橡胶坝袋老化，有多处鼓包；右坝头局部拉裂，存在多处射水点；拦河闸下游冲刷严重，现状右侧已冲刷成深坑，影响到闸坝的稳定；泄洪闸(伐道)混凝土结构普遍存在较严重的老化现象，2008年12月景德镇市水务局组织专家对碧湾拦河闸进行了安全鉴定，认定该工程为三类闸，急需进行改造。

2 自然条件

2.1 当地气候及降雨资料

工程区所在建节水流域属亚热带湿润季风性气候区，多年平均降雨量为1843.5mm，降雨多集中在4～6月，占多年平均降雨量的40～60%，多年平均气温为18.4℃，多年平均蒸发量1270.9mm，多年平均年最大风速11.0 m/s。

2.2 工程地质

工程区地处扬子准地台、江南台隆、萍乡—乐平台陷之丰城—乐平凹断束构造单元中。地震动峰值加速度小于0.05g，相应地震基本烈度小于Ⅵ度。地貌形态为以河流冲积阶地、丘陵低岗为主，地势南高北低。

溢流堰体坝基建基面位于基岩上，岩体较破碎，局部呈全风化外，大都呈强风化状，其物理力学性质一般较好，岩石完整性较差，节理裂隙较发育，但未见断层发育，裂隙多呈闭合状，倾角较陡，岩层倾角虽较缓，但倾向上游，基本不构成不利滑动结构面，闸坝岩体稳定性较好。可满足承载要求，基本不存在坝基岩体的抗滑稳定问题。其余坝段坝基岩体呈强风化状，岩体较破碎，岩性为较软岩。

3 设计方案

3.1 方案比选

本次设计标准按现行的规程规范要求，设计洪水位为39.63m(p=3.33%)，相应流量2430m3/s，校核洪水位为40.99(p=1%)，相应流量3190m3/s。碧湾拦河闸工程等级为Ⅱ级，大(2)型工程；本工程溢流坝等主要建筑物等级为2级，次要建筑物为3级；临时建筑物为4级。

根据碧湾拦河闸现状左岸山体陡峭，石方开挖工程量大，右岸下游有民营企业投资的发电厂房，上游水位雍高淹没农田易引起纠纷等工程特点，确定溢流坝段设计的指导原则是:闸顶水位维持原老橡胶坝正常蓄水位34.00m不变，溢流坝段长度78m保持不变，尽量减少左岸山体开挖。

常规钢闸门拦河闸方案需做多个闸墩，缩小泄流宽度，会造成上游壅水，扩大淹没，而左侧为陡坡山体，挖山扩宽工程量大，不经济。

橡胶坝方案为现状方案，已运行多年，技术上可行；但存在坝袋寿命期较短，可靠性差，一般只能使用10～15年，且容易被河道内的树枝杂物等刺破橡胶坝袋，冬季易遭受冰冻损坏，汛期塌坝时间在30min以上，给河道行洪造成安全隐患，运行管理困难。

现阶段发展较快的翻板钢坝，中间可不设闸墩，能确保泄洪宽度及本工程的水位控制运行要求。闸门开度可快速调节(启闭闸门时间只需2～3min)、启闭设备隐蔽，遇突发洪水时可及时有效泄洪。钢坝的设计使用寿命可长达50～60年，具有操作运行简单，维护费用低，结构安全可靠，泥沙淤积少，河道景观效果好等特点。

因此本次设计采用翻板钢坝作为推荐方案。

3.2 翻板钢坝布置

翻板钢坝(钢质翻板闸/卧倒门)方案工程总体布置中，坝轴线位置上的拦洪泄水建筑物(从左至右)包括：左岸灌溉进水闸(2.7m)、泄水闸(5m)、左岸启闭房(5m)、溢流坝(翻板钢坝)(78m)、右岸启闭房(5m)、防洪墙及防洪闸(38.1m)、挡墙段(13m)；建筑物布置轴线长度共计147.80m。具体布置见图1 碧湾拦河闸翻板钢坝平面布置图。

图1 碧湾拦河闸钢坝平面布置

3.3 溢流坝段钢坝设计

溢流坝段总长度为78m，加固方案为对现状混凝土溢流坝表层混凝土凿除，新浇贴面钢筋混凝土C25，贴面后的混凝土溢流坝顶高程32.50m。在新老混凝土结合面布置φ20的插筋，间距1.5m×1.5m呈梅花状布置。拆除重建下游消力池。加固后的溢流规模基本不变，见图2溢流坝段加固设计断面图。

图2 溢流坝段加固设计断面

混凝土溢流坝上部建一孔钢质翻板闸，孔口宽78.0m，钢质翻板闸挡水高度1.5m，闸门顶高程34.0m，平时闸门关闭时挡正常水高34.00m，洪水来时闸门开启泄洪，闸门门顶最大溢流水头0.3m。钢坝闸底轴中心高程为32.10m，闸门门叶由20扇3.9m×1.5m(宽×高)的小门叶通过螺栓拼接而成，整扇门叶

通过螺栓固定在底轴上，闸门门叶自重为130t/扇；底轴轴径选φ800mm，底轴长约84m，自重为90t，闸门门叶及底轴主要材料为Q345B；底轴由铰座固定在二期混凝土上，主要金属结构设备见表1金属结构设备表。

表1 金属结构设备

图3 左右岸启闭房设计

3.4 左右岸启闭房设计

钢坝左右侧均设置有启闭机房，左右侧启闭室位于溢流坝(钢坝)两端，净宽3.0m，边墩厚1.0m，总宽5.0m，顺水流方向长14.45m。液压钢板闸门启闭基础高程为31.74m，上部闸墩顶高程42.10m。启闭室内设楼梯与闸墩顶工作桥连接。结构如图3所示。

液压启闭机型号为GBQ-1-2×1600kN，扬程2.8m，共一台，闸门的锁定通过两侧的液压推杆锁定在侧墙上，锁定装置驱动力100kN。钢坝闸门动水启闭时，通过液压启闭机驱动底轴旋转，从而实现闸门的开启和关闭。

3.5 其他部分设计

左岸灌溉进水闸：按原规模布置左岸灌溉进水闸；孔口尺寸1.0m×1.3m(b×h)，与右侧泄水闸共边墙。进口底高程32.80m。

泄水闸(筏道)：本闸的功能为泄洪兼做水运筏道。本次设计在溢流坝左端接左岸灌溉进水闸重建泄水闸(筏道)。重建规模不变，孔口泄流净宽4.0m，进口底高程30.50m。

防洪墙：为形成闭合的防洪体系，在土坝上游侧，泄洪闸(筏道)与拦河闸之间新建钢筋混凝土防洪墙连接段。采用钢筋混凝土空箱式挡土墙结构。总宽度11.1m。

防洪闸：本次设计在引水渠内的坝轴线位置新建防洪闸，替代上述三个结构的拦洪功能。新建防洪闸为二孔，单孔过流净宽11.0m，总宽度27m，进口底高程31.40m。

3.6 钢坝的运行

碧湾拦河闸正常蓄水位34.00m，闸前水位达到34.30m时，门顶溢流0.3m，为避免淹没上游德兴市建节水河道两岸农田，必须逐步开启闸门，以维持上游水深34.30m不变，直至闸门全部开启；闸前水位降落34.30m时，应逐步关闭闸门。闸门开启时应避免闸门开启过快造成对下游造成冲刷。

4 溢流坝段泄流能力计算及坝基抗滑稳定计算

4.1 泄流能力计算

碧湾拦河闸坝泄流设施分为两个部分，即78m钢坝溢流段及4m泄洪闸(筏道)段。其中加固钢坝为现有的混凝土溢流坝改建，泄洪闸(筏道)为拆除重建。

溢流坝的泄流能力均采用《水力计算手册》(第二版)中的公式计算。

溢流坝的过流能力计算公式如下。

m=0.36(P/H≥3.0)

式中σs——宽顶堰的淹没系数；查《水力计算手册》表3-2-8；

σc——堰流侧收缩系数；

B0——闸孔总净宽，m；

g——重力加速度，取9.81m/s2；

H0——计入行进流速水头的堰上水深，m；

b——单孔净宽，m；

ε边——边墩形状影响系数，圆弧形取0.7；

ε中——闸墩形状影响系数，半圆形取0.60；

n——孔数；

P——上游堰高，m；

H——堰前水头，m。

计算结果见表2及表3。

表2 碧湾拦河闸坝洪水泄量分布

表3 碧湾拦河闸坝上游水位～泄流量关系

4.2 坝基抗滑稳定及应力计算

4.2.1 计算公式

抗滑稳定：

式中K——按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；

f——抗剪摩擦系数(f=0.50)；

∑W——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的法向分值,kN；

∑P——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值,kN。

坝基面垂直正应力：

式中σy——坝基面垂直正应力,kPa；

A——坝基面截面面积,m2；

∑m——作于坝体上全部荷载对坝基面截面形心轴的力矩总和(kN-m)；

J——坝基面截面积对形心轴的惯性矩,m4；

x——坝基面截面上计算点到形心轴的距离,m。

4.2.2 计算工况

根据本工程实际情况，坝基抗滑稳定应力计算工况如下：

正常运用： 正常挡水工况(H上=34.00m，下游无水)；

设计洪水工况(H上=39.63m，H下=39.26m)；

非常运用：校核洪水工况(H上=40.99m，H下=40.61m)。

4.2.3 计算结果

坝基抗滑稳定应力计算成果见表4。从表中可知坝体的抗滑稳定安全系数及基底应力均满足设计要求。

表4 钢坝稳定应力计算成果

5 工程施工

本工程施工项目比较多，工作面集中，多工种交叉作业，存在施工相互干扰；故水闸分两期施工设计，分期导流，主体建筑物安排在两个枯水期内完成。施工期防洪标准采用10年一遇。经计算，9月20日—次年2月10日洪峰流量为183m3/s。

施工临时围堰原考虑在河道中间修建纵向围堰，利用纵向围堰将溢流坝段及其他建筑物分为左右两边分两期施工，从而保持河道较大的过流断面，降低施工期围堰过水风险；然而也存在人为将溢流坝段分为两期施工，这将对翻板钢坝安装和调试造成难题，且对河道防洪有两年的影响时间。实施阶段施工单位提出合理进行施工组织，将溢流坝段及其他左岸建筑物施工放在一个枯水期内完成，提前一年恢复河道正常过流。根据现场情况，利用右侧纵向土堤作为纵向围堰，右岸发电站进水渠作为一期导流明渠，在发电站右侧新开挖排洪渠道接下游河道。同时在溢流坝上下游各修建一条横向围堰，在第一个枯水期内施工完成左岸进水闸、泄水闸以及溢流坝，二期围堰主要保护右岸防洪闸和防洪墙施工，利用已完建的溢流坝和泄水闸过流。

在一个枯水期内完成主要建筑物的施工对施工单位的现场组织协调能力是很大的考验，最终经过施工单位精心组织，2016年10月溢流坝段开始施工，次年三月完成一期工程的主要建筑物施工及钢坝安装。并拆除一期上下游围堰，实现主河道过流，将工程施工对河道防洪的影响降到了最低。同时降低了施工临时工程费用，创造了更好的工程效益。

6 结 语

碧湾拦河闸除险加固工程现已建设完成，钢坝运转良好，洪水期翻板钢坝能够自动快速及时启闭，未造成一次上游农田淹没；与原橡胶坝相比，钢坝每年仅需简单维护，运行管理成本有效降低；农田灌溉期水库蓄水量得到保证，下游灌溉面积恢复到了原设计灌溉面积2.5万亩；钢坝顶部过流形成人造瀑布的景观效果，工程完工后周边环境得到了很大改善，坝址区逐渐成为周边群众休闲观光的好去处，见图4碧湾拦河闸钢坝溢流。

碧湾拦河闸钢坝设计挡水高度1.5m，钢坝长度78m，经咨询相关厂家，为目前国内已建工程中低水头最大单跨度钢坝，对其他低水头大跨度水闸项目的设计有一定的参考意义，可推动钢坝在低水头水闸项目上的运用。

图4 碧湾拦河闸钢坝溢流