钢坝闸在河道蓄水工程中的应用

吴松宝

(上海市政工程设计研究总院（集团）第六设计院有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

改善河道生态环境，打造河道滨水景观，展现滨水城市水文明，是目前诸多城市的建设重点。但由于河道的季节性特点，干流枯水期生态流量难以满足要求，“河底朝天”的现象比比皆是。为改善河道生态环境，打造水绿岸美的河流景观，需要通过蓄水工程抬高河道水位，扩大景观水面，营造出更佳的景观效果。本文以宣城市水阳江生态蓄水工程为例，对蓄水闸选型、结构设计进行分析探讨。

1 工程概况

为建设宣城市城区应急供水水源、提高城市供水保证率，同时改善水阳江、双桥河水环境，打造水阳江韵滨水休闲带，营造敬亭山水景观，拓展城市发展空间，宣城市拟实施水阳江城区段生态蓄水工程。工程建设主要内容为海棠湾水利枢纽工程，枢纽工程位于水阳江海棠湾码头上游0.9 km，设置有蓄水闸坝、枢纽水电站、冲砂闸、分流岛、船闸和右岸连接堤等。

海棠湾水利枢纽工程设计过闸流量为4750 m3/s，为大（2）水闸枢纽工程，等别为Ⅱ等，设计洪水标准为50 年一遇，校核洪水标准为100 年一遇。

2 蓄水闸闸型比选

为保障城市供水、建设水阳江城区段滨水生态环境、打造水景观，对蓄水闸闸型不仅有景观要求，也要有洪水期泄洪的要求。本项目具有过流量大、闸前水位涨落频繁的特点，闸身需要具有调节水位和溢流的作用。

蓄水闸的主要设计条件见表1。

表1 蓄水闸设计条件参数表

根据已建蓄水坝工程经验，由于蓄水较深，水压力较大，固定坝又不宜建太高，常规坝型如传统水闸、翻板坝都难以同时满足蓄水、排洪、景观等功能需求选择以下三种闸型方案进行比较。

方案一：橡胶坝方案

橡胶坝是通过充排管路用水（气）将坝袋充胀形成的袋式挡水坝，坝顶可以溢流，并可根据需要冲放水调节坝高，控制上游水位。设计橡胶坝坝长220.0 m，底板高程5.2 m，设计坝袋高4.8 m，内压比1.3。

方案二：钢坝闸方案

采用大跨径底轴驱动钢坝闸型式，均配液压集成式启闭机，布置于闸墩侧壁内。设计闸底板高程5.2 m，共布置5 孔，闸孔尺寸4.8 m×43 m（高×宽），净挡水高度4.8 m，中墩宽8.1 m，边墩宽6.2 m，总坝宽259.8 m。

方案三：气盾坝方案

气盾坝又名橡胶坝钢闸门，由橡胶气囊和钢护板组成，在自动控制系统控制下，利用橡胶气囊支撑钢护板挡水。设计闸底板高程5.2 m，共布置3 孔，闸孔尺寸4.8 m×71 m（高×宽），净挡水高度4.8 m，中墩宽6.0 m，边墩宽4.0 m，总坝宽233.0 m。

各方案优缺点分析见表2。

综上，从行洪影响、施工难易、景观效果、运行管理、使用寿命等方面进行比较，钢坝闸方案运行、管理、维护性能较优，景观效果好。钢坝闸方案工程投资方面略大于橡胶坝，但较气盾坝投资小。综合比选，设计坝型推荐方案二，即钢坝闸方案。蓄水工程实施后效果见图1。

表2 三种坝型优缺点分析比较表

图1 海棠湾水利枢纽工程效果图

3 钢坝闸布置方案

3.1 钢坝闸布置

钢坝闸为底轴驱动翻转门，属于水利工程中的翻板式闸门。目前应用挡水高度一般在5 m左右，超过5 m，其在启闭动力、结构要求均有更高要求且造价高，因而本设计拟控制钢坝闸挡水高度不大于5 m，其下采用固定坝挡水。本工程正常蓄水位10.0 m，选定钢坝挡水高度4.8 m，即固定坝顶高程为5.2 m。

钢坝闸能适应10 m～100 m 的闸孔宽度。闸孔宽度较小时，墩墙及闸孔数量较多，影响整体蓄水景观效果；闸孔宽度较大时，液压启闭机及钢闸门技术要求高，造价高，综合技术经济比较，目前国内的钢坝闸闸孔宽度以40 m 左右为宜，本工程钢坝闸采用5 m×43 m 孔口布置型式，钢坝闸闸孔净宽为215 m。闸边墩厚6.2 m，中墩厚8.1 m，闸室总宽度为259.8 m。

3.2 结构计算

3.2.1 闸孔净宽计算

根据钢坝闸的工作特性，其过流是随着钢闸门翻转开度的变化而变化的动态循环过程。目前，钢板门翻转开启过程的过流能力计算尚无成熟的公式，钢坝闸门最大开度时的水力计算，参照堰流公式。泄洪过闸落差为0.15 m，由于下游水深与闸上水头的比值hs/H0＞0.9，且堰坎厚度与堰上水头的比值δ/H＞2.5，为宽顶堰流，按照《水闸设计规范》（SL 265-2016），其闸孔总净宽可按高淹没度堰流公式计算，计算公式如下：

经计算，在50 年一遇设计水位14.20 m，过闸落差0.15 m，过闸流量为4750 m3/s，闸孔净宽为215 m。过闸流量计算考虑闸了4 个中墩，顶部过洪。

3.2.2 钢坝闸结构计算

在校核洪水位时，廊道顶板承担最大垂直水头为10.9 m。采用midas Soilwork 有限元程序进行计算，廊道顶板顶最大压应力0.997 kPa，顶板底最大拉应力0.575 MPa。C25 混凝土轴心抗拉强度设计值为1.27 MPa，按抗拉安全系数2 计算，C25混凝土的容许抗拉设计强度为0.635 MPa，大于顶板的最大拉应力，因此，顶板按结构构造配筋即可满足强度要求。计算结构内力图见图2。

图2 固定坝结构内力图

4 水工模型试验

对枢纽工程进行整体水工模型试验（水工模型试验现场照片见图3），结果显示：

1）各敞泄工况下，钢坝闸主流均位于右岸，左岸滩地基本为静水，水流携带的泥沙容易沉积，应常开冲砂闸冲砂。钢坝闸上游右岸滩地为回流区，易产生淤积。

2）因下游河道地形较高，且下游河道水流下泄不畅，当流量为500 m3/s，闸门倾角为30°，下游敞泄时，消力池中的水位较高，0+200 处水位达6.05 m，水流从钢坝闸跌落后，在消力池中形成不稳定水跃，建议对防冲槽后河槽加强防冲措施。

3）为使下泄水流更顺畅下泄，建议先开启中孔。开启中孔后为使水流沿河道分布更为均匀，建议开启左右边孔，最后全部开启。为避免频繁开启钢坝闸，当水阳江来流量较小时，建议通过钢坝闸堰顶溢流、冲砂闸放水及电站用水来调节水位。

图3 水工模型试验照片

针对水工模型实验成果，设计加强了闸门的刚度，使其门顶溢流达到了0.5 m；优化了钢闸门的控制运用，确定了更合理的闸门调度原则；优化了消能防冲设计，加设防冲齿墙，并加大了防冲槽的抛石防护厚度、范围。

5 结语

1）采用钢坝闸作为海棠湾枢纽工程的蓄水闸闸型，既能满足行洪安全、管理便捷、经久耐用，又有很好的景观效果，做到了一闸一景。

2）目前海棠湾水利枢纽工程即将实施，建成后有效加强宣城市城区供水保障，改善水阳江、双桥河河道水环境，提升水阳江城区段景观效果，拓展城市发展空间，为宣城市推进东扩战略奠定良好基础，对一江两岸的城市开发起到支撑作用。

3）目前钢坝闸在国内尚无设计标准，各厂家的相关参数也各不相同，对此闸型的发展有瓶颈影响。目前安徽省已完成钢坝闸地方标准（送审稿）的制定，正在进行地标的审查工作，待标准实施后，对钢坝闸在安徽的发展起到一定的推动作用。