挡水钢坝结构设计要点

李 权

(中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

1 钢坝工作原理

钢坝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溢流坝体，它由土建结构、金属结构、启闭机室、控制室等组成。

金属结构主要由门叶、底轴、铰座、拐臂等组成。门叶是由钢板、钢梁焊接而成的连续挡水板，门叶与底轴、底轴与拐臂均为刚性连接，底轴通过带轴承的铰座固定在底板上。拐臂与位于启闭机室的液压启闭机活动连接。启闭机通过拐臂驱动底轴旋转，从而带动门叶翻转。

底轴与底板、门叶与两端侧墙之间均设止水装置，保证钢坝运行过程中坝体不产生漏水。见图1-图3。

图1 钢坝金属结构组合示意图

图2 闸孔横断面示意图

图3 启闭机室横断面示意图

2 钢坝整体布置

钢坝闸孔总宽度需综合考虑过流能力、河道宽度、景观要求等因素。根据实践经验，目前国内钢坝单孔闸门最大宽度不超过50 m。如闸孔总宽较大，可通过考虑增设中墩，采用多孔布置。闸孔数量的确定需综合考虑闸室过流能力、结构稳定、投资经济、管理维护方便等因素。

每孔闸室两侧需布置启闭机室，启闭机室宽度需满足启闭机安装、检修及附属设施布置要求，左右坝肩启闭机室宽度一般为2～3 m，中墩(兼做相邻两孔闸室启闭机室)宽度一般为4～5 m。

钢坝由于其特殊的运行方式，对结构不均匀沉降较为敏感。根据国内相关研究[1]，当底轴变位超过2 mm时，底轴受力瞬间陡增，甚至抱死，引起设备及结构破坏，故钢坝设计中应充分考虑结构的不均匀沉降问题。当闸室宽度较小时，尽量采用整体式底板；当闸室宽度较大，超过规范[2]允许的分段上限时，经技术论证，也可采用分离式底板，底板间可考虑采用键槽缝、骑缝筋等消除不均匀变位的措施。无论底板如何布置，均应做好地基处理工作。

3 钢坝相关计算模型与方法

3.1 水力计算

钢坝水力计算内容主要包括泄流能力计算和下游消能计算。

3.1.1 泄流能力计算

钢坝正常挡水溢流时，其门叶直立在河道内，可近似当做薄壁堰处理[3]；河道过洪时，门叶横卧于底板上，不侵占行洪断面，门叶可与底板看做一个整体，当做宽顶堰处理。

无论哪种堰型，其泄流能力均可按下式[4-5]进行计算：

式中：ε为侧收缩系数；σs为淹没系数；b为堰宽，m；m为流量系数；n为闸孔数目；H0为计入行进流速的堰上总水头，m。

钢坝正常挡水溢流时，为减小坝顶过流产生明显的震动，坝顶溢流水深宜控制在0.5 m以内。

门叶横卧于底板上时，闸室的最大过流能力应大于坝体所在河段的最大设计洪峰流量。

3.1.2 消能防冲计算

钢坝的消能工布置应根据其运用条件选择最不利的水位和流量组合，按水闸设计规范[2]进行计算。一般分为以下3种工况：

工况一：坝顶最大溢流工况

上游水位为坝顶高程加坝顶溢流水深，下游水位为相应计算水位。

工况二：敞泄工况

门叶全部横卧于底板上，上下游水位为相应计算水位。

工况三：上游水位骤降工况

门叶降落瞬间，上游蓄水顷刻下泄，此时坝体单宽流量、上下游水头差均较大，对于消能工而言属于最不利工况。

上游水位骤降属于小概率事件，按其运行条件布置下游消能工往往不太经济，可通过控制门叶的下降速率等措施改善泄水条件。通过比较坝顶溢流和闸孔敞泄选择下游消能工的控制条件即可满足一般项目的需求。

消能工的布置除应满足消能防冲要求外，还应考虑采取减轻和防止坝体震动的措施。对于坝顶经常溢流的工程，坝后宜设陡坡与下游消能工衔接。

3.2 金属结构计算

钢坝金属结构的强度计算目的为确定钢材规格和厚度，明确受力关键部位，作为设计、制造、安装、运营及维护的参考。

3.2.1 门 叶

门叶可简化为固定在底板上的悬臂板，主要受静水压力、动水压力和门体自身重力。

门叶强度应满足闸门在不同开度及不同溢流水深的各组合工况下均能安全运行。

根据工程实践，门叶的薄弱部位主要为其焊缝位置，设计施工时应予以高度重视。见图4。

图4 门叶强度计算受力分析图

3.2.2 底 轴

底轴的主要受力情况有两种。

1) 门叶由静水压力和自重共同作用，对底轴产生力偶，液压启闭机的推力通过拐臂对底轴产生阻抗力偶，这两个大小相等、方向相反的力偶，使底轴发生绕轴线的相对转动，产生扭转变形。

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2) 底轴通过轴承固定在铰座上，在水平方向受水推力作用，垂直方向受自重与水压力的组合作用，可简化为不等跨连续梁在垂直和水平荷载共同作用下的弯曲变形问题。

故底轴的强度计算属于扭转与弯曲的组合问题，可根据材料力学方法[6]进行强度计算。

3.2.3 液压启闭机

液压启闭机强度计算目的是确定其所需的最大推力，方便设备选型。可按平衡门叶各运行工况对底轴施加的力矩反推启闭机的所需推力，启闭机型号不可选择过大，考虑一定的安全富余即可，防止门叶或底轴因意外卡停或抱死时过大的启闭力对结构造成损害。

3.3 闸室结构计算

钢坝各工况所受的力，均通过底轴和铰座传递给闸室底板。闸室底板除受闸门传递的力外，还应考虑不同荷载组合下的结构自重、水重、静水压力、扬压力、土压力等[2]。

闸室底板也可简化为不等跨连续梁在垂直和水平荷载共同作用下的受弯问题，按弹性地基梁进行结构分析计算[7]。

3.4 其他计算

其他相关计算，如渗透压力计算、地基计算等可参考《水闸设计规范》[2]进行。

4 细节设计

4.1 集水坑

启闭机室的渗水主要来自3个方面：底轴下穿边墙的孔洞部位；边墙、底板的裂缝、施工缝、变形缝等缝隙部位；上部盖板漏水等。

启闭机室渗水量一般不会太大，1台小型潜水泵即可满足要求，根据工程等级和实际需要也可布置为1用1备，并配置浮球式液位开关，做到自动控制。

4.2 换气孔

启闭机室内的环境相对潮湿和封闭，检修人员进入后很可能因缺氧而产生眩晕等症状，设计时应考虑预留一定尺寸的换气孔，用于交换机室内外的空气。

换气孔可布置在机室迎水侧边墙设计洪水位以上，也可直接布置在盖板上。见图5。

图5 边墙换气孔

4.3 补气措施

钢坝门顶过流过程中，门后会产生负压，从而产生气蚀和震动，尤其对于北方河道，河道下游水位较低，这种现象更为明显。

可通过在门叶上设置破水器，或在两侧边墙设置通气孔的方式进行补气。

通气孔不同于换气孔，换气孔为连接启闭机室内外环境的换气管道，多为水平布置；而通气孔是连接坝后水帘下负压空腔与外部环境的补气管道，多为竖向布置。见图6。

图6 坝顶破水器和坝后通气孔

4.4 侧向止水

门叶的侧向止水安装在闸门的两侧，通过与侧墙的挤压达到止水的目的。

为延长侧向止水的使用寿命和达到理想的止水效果，侧墙的止水贴面必须光滑、平整。常见的侧向止水贴面有大理石和不锈钢钢板，大理石可通过砂浆直接粘贴在边墙上，不锈钢钢板则需要与预埋件焊接固定。大理石贴面在北方容易遭受冻融破坏而剥落，故北方地区宜使用不锈钢钢板贴面，南方地区可根据当地材料供应情况灵活选择。见图7。

根据工程实践，钢坝边墙在浇筑时经常因为模板固定不牢靠或浇筑方法不当，导致外立面不平整甚至倾斜，安装贴面时二次凿削边墙混凝土，费时费料，设计及施工时均应引起一定的重视。

图7 门叶侧向止水实景(大理石贴面)

4.5 检修通道

钢坝启闭机室由于布置在闸门两端，可根据以下情况设置检修通道：

1) 利用坝址区现有交通道路。当坝体没有中墩，两岸交通较为便利，检修人员能及时通往两岸坝肩的启闭机室时，可利用坝址区现有交通道路，无需单独布置检修通道。

2) 坝顶设置交通桥，兼顾两岸交通。当坝体设有中墩，两岸交通不便时，可考虑在坝顶设置交通桥连接各启闭机室，也可作为两岸的交通便道。见图8。

图8 中墩顶部交通桥实景

3) 坝体底板设置交通廊道。当坝体设有中墩，两岸无其他交通需求时，可考虑在坝体底板内设置交通廊道。见图9。

这种布置方式既可减少坝体混凝土用量，又能结合交通廊道统一收集各启闭机室渗水，简化抽排水系统。

4.6 景观设计

1) 挑水构件。门叶顶部的挑水构件不仅有破水补气的功能，更有营造动水效果的作用，可通过设置固定或活动的挑水构件，合理设置其大小间距，在坝顶过流时形成丰富的流水景观。

2) 门叶背部装饰。在季节性河流的枯水季，钢坝正常挡水时其门叶背部经常裸露，可结合工程区的传统文化和民俗特色，在门叶背部进行景观喷涂或材料装饰，能起到很的景观效果。

3) 景观照明。在水流稳定的情况下，通过在坝后设置景观照明灯，灯光投射在水帘上，可营造出流光溢彩般的夜景效果。见图10。

图10 坝下照明实景

4) 音乐喷泉钢坝。目前的新型钢坝可以做到在门叶内安装喷水系统和景观照明等设备，辅以室外音响效果，集中控制，构成集声、光、电、音为一体的音乐喷泉钢坝，在夜晚可营造出绚丽多彩的视听氛围。见图11。

这种坝体也有曝气充氧、促进区域水体流动、净化水质的作用。

图11 音乐喷泉钢坝实景

5 结 语

1) 钢坝对地基的不均匀沉降较为敏感，设计中要做好底板的布置工作，并做好地基处理。在铰座的选型与布置上要科学合理，铰座与底轴的连接不可过于封闭，应预留适当的变形空间。

2) 可根据门叶的启闭情况将钢坝简化为薄壁堰或宽顶堰，按堰流进行水力计算；门叶可简化为固定在底板的悬臂板，按受弯构件进行计算；底轴受力属于扭转与弯曲的组合问题，可根据材料力学方法进行强度计算；闸室底板可简化为不等跨连续梁在垂直和水平荷载共同作用下的弯曲变形问题，按弹性地基梁进行结构分析计算。

3) 可通过在坝顶设置破水器或边墙设置通气孔的方式防止坝体过水时发生气蚀和震动；由于启闭机室环境相对潮湿和封闭，设计中可通过设置换气孔或“天窗”的形式进行换气。

4) 侧向止水贴面应充分考虑冬季冻融的影响，并在结构设计时预留足够的贴面空间。

5) 根据工程总体布置，结合实际需要，灵活设置坝体的检修通道。

6) 钢坝设计中还应注重景观元素，可通过挑水构件、门叶装饰、景观照明、音乐喷泉等手段丰富水体景观。