不同地形条件的大型水闸桥头堡设计研究

张文钦,庄才宝

(1.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013;2.沂水县跋山水库管理处,山东 沂水 276400)

水闸是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，是水资源合理调配的有效手段，在防洪、治涝、灌溉、供水、航运、发电等方面应用十分广泛。随着经济社会发展和城市化进程的加快，各地对水闸建设如何融入环境提出了更高的要求，新颁布的SL265—2016《水闸设计规范》也提出了环境协调要求的条款。目前国内外有关水闸的研究大都停留在对水闸基础布置以及机电设备的革新和应用上，这些设施大都处在地下、半地下或隐蔽的内部位置，而对如何协调桥头堡建筑与环境的问题的研究还处于起步阶段。对于不同地形地理条件的水闸桥头堡的型式尚无系统研究。为此，研究不同地形地理条件下的各种水闸桥头堡的型式和设计要点，可为大型水闸的型式设计研究开创新的思路，为相关部门提供工程的可行性研究、水闸工程的选址、方案比选等方面提供决策参考，提升大型水闸设计水平，促进大型水闸与生态环境的融合。

1 桥头堡的作用

本文所指的大型水闸桥头堡是指位于交通桥或水闸一端(或两端)，具有房屋属性、能够放置水工机电设备、控制该水闸水工机械的功能，具备大型水闸工作或观光人员出入且兼有一定审美功能的水工建筑物、构筑物。

各类水闸的工程规模应严格按现行SL265—2016的规定划定水闸工程等级。大型水闸按闸门启闭机形式划分可分为固定卷扬式启闭机、液压式启闭机和螺杆式启闭机等多种形式，其中液压式启闭机水闸可不设机房，只设桥头堡和电气设备间。近年来，由于新技术不断涌现，大跨度闸门的技术形式不断推陈出新，但现在大型水闸最常用的还是固定式启闭机。这种形式的水闸设有机房，可方便工作人员操作、运行、检修，且运行故障较少，维护费用低，使用寿命较长，虽略显传统，但在当前和今后相当长的时间内仍将更多地使用这种桥头堡和机房相连的形式。

桥头堡依附于大型水闸，相互作用，缺一不可。大型水闸桥头堡(以下简称桥头堡)一般具有四种功能：实用、警示、疏散和审美功能。这四种功能相互依存，缺一不可。实用功能：安放机电、配电设备、布置线路；是连接闸室和地面的纽带，便于操控人员集中控制，保证大型水闸正常的调度运行。警示功能:由于桥头堡常建于道路与河流的交界处，往往可以成为道路与河流的分界点，车辆、行人在道路上距离桥很远的地方就可以看见桥头堡，警示和提醒车辆、行人通过交通桥注意安全。疏散功能：一般情况下，桥头堡人流的主要出入口和应急消防疏散通道位于机房两侧，发挥着重要的人员疏散作用。审美功能：在当前生态景观水利的大背景下，桥头堡的美观越来越受到人们的重视。结合水利风景区建设，桥头堡常常成为一个景区的焦点、亮点。很多大型水利枢纽在不影响正常调度运行的前提下开发旅游，收到了很好的经济和社会效益。

2 不同地形地理条件下桥头堡设计

按照不同的地形地理条件把桥头堡设计分成五类进行论述。①平原地区桥头堡；②丘陵地区桥头堡；③高山地区桥头堡；④地震设防级别较高区域的水闸暗堡；⑤水网交错的立交式桥头堡。

设计原则：桥头堡的设计应遵循实用、节能、美观、协调的原则。实用是各类工程设计的根本目的。节能、美观、协调是在实用功能基础上的更高要求。

各类带有吊装式闸门的桥头堡主要应考虑以下设计要素：①桥头堡控制室的标高，是由启闭机房的高度决定的。一般应将控制室布置在紧靠启闭机房，这样布线较短，便于直接操控。②较重的柴油发电机等重型设备一般应放在一层，以减轻桥头堡的设备重力对梁板柱的荷载和震动。③桥头堡一层的室外地坪应具有通往交通桥和桥头堡各层的楼梯或电梯疏散通道。④为便于机房顶部维修，观景层一般应有通往机房顶的通道。⑤对称式桥头堡是大型水闸常用的形式，当不完全对称时水闸的另一端应具有机房通往交通桥或地面的楼梯或电梯。

桥头堡室外地坪的确定往往是桥头堡设计的关键一环，本文所指的基于不同地形地理条件，可以认为是桥头堡的室外地面标高，而这个标高的不同，决定着桥头堡的造型的千差万别。依据以上五种要素，无论桥头堡处于何种地形地理条件，都可以布置出适应该条件的桥头堡。

2.1 平原地区桥头堡设计

平原地区的大型水闸是目前水闸地形的基本形式。目前山东境内80%的大型水闸是平原水闸。这种形式的桥头堡设计一般应遵循下列程序：①设定桥头堡的室外标高，一般与交通桥同高或略有高差，以方便人员、车辆出入和逗留。②桥头堡轴网的设定，应兼顾机房位置、宽度，同时依据电气所提尺寸确定控制层控制室、低压配电室的开间进深。同时还应兼顾一层发电机组和高压配电室的外形尺寸来确定轴网。③确定主入口。一般情况下，因机架桥与交通桥的垂直距离较近，桥头堡的主入口不宜正对交通桥，以防止人员和车辆的流动交叉。当必须向交通桥开门时，门前应留有足够的安全距离，一般应距交通桥边缘2m以上。④桥头堡层数的设定。桥头堡建筑设计思路常常需要采用倒推法，即依机架桥端部而建，由控制层向一层推进。按照每层3.6m左右的原则，一般情况下，当控制层标高与桥头堡室外地坪标高超过6～9m则控制层以下可作两层。9～12m则可以考虑做三层，以此类推。⑤依据控制层和发电机层布置辅助层(常在二层或观景层)。控制层以下的辅助层常是起到调节桥头堡层高的楼层。而控制层以上的楼层多为观景层，观景层多数是为了观光和审美上的需要，它是整个桥头堡的视觉中心，它的立面、屋顶造型和色彩的美观至关重要。⑥兼顾机房，和周围环境设定桥头堡的立面风格。如图1所示。

图1 平原地区的水闸立面型式

2.2 丘陵地区桥头堡设计

图2 桥头堡室外地坪标与机架桥相当的水闸立面

图3 桥头堡高于交通桥而低于机架桥的水闸立面

这种地形又分为了3种。①桥头堡室外地坪标高大致与机架桥相当，如图2所示。这种情况下桥头堡的室外应具有足够的空间，以保证布置柴油发电机组和备用机组，以及控制室、高低压配电室，柴油发电机组应布置在距离交通桥较远的相对隐蔽的地方，以减少噪声对交通、控制室、配电室的噪声污染，同时应注意发电机室的通风良好。②桥头堡室外地坪虽然高于交通桥，但又低于机架桥。当桥头堡的室外地坪距机架桥3.6m以上，则可仍将发电机室布置在一层，将控制层布置在与机架桥对应的层，如图3所示。③室外地坪低于交通桥的桥头堡的设计应考虑以下因素：第一，挡水墙的处理。当桥头堡室外地坪低于交通桥，且低于预期洪水位时，应在隐蔽的位置设置集水坑和备用排水装置，同时将周围的墙壁做严密的防水处理。或将桥头堡低于预期水位的楼层建成封闭的地下室的形式，以保证雨水全部排出桥头堡周围区域。第二，首先基于电气资料布置控制层平面，再由控制层推导出一层位置。在机房和桥头堡之间留出变形缝，一般为100mm。再向外偏移120mm的位置上确定桥头堡的近机房侧轴线。各层相互兼顾，向外推进布置轴网。第三，轴网布置好后，确定桥头堡的主入口。主入口的位置应当既方便通往交通桥，又方便进入桥头堡各层。可以使用室内主楼梯加室外辅助楼梯的方案，或者室内电梯加室外辅助楼梯的方案进行设计。第四，根据控制层和一层平面，结合立面造型推导出中间层的平面布置。在控制层以上的部分，虽然实用功能较小，却是审美视觉中心，决定着整个水闸的美观程度。这个部分常与屋面结合，还要综合考虑外立面的整体格调，与整个水闸风格相协调。使整个桥头堡、机房浑然一体，如图4所示。

图4 室外地坪低于交通桥的水闸桥头堡

2.3 高山地区桥头堡设计

这种桥头堡又分为以下三类。

(1)骑跨交通桥的桥头堡。当大型水闸位于险要的山川之间，交通桥又位于类似关隘的交通要道上，桥头堡常采用骑跨交通桥的形式。设计要点如下：①桥头堡的轴网常以交通桥中心线为对称轴将桥头堡的一层分为两部分。一般情况下将水流上游侧的桥头堡一层布置柴油发电机组、备用机组和控制室，另一部分可用于布置关隘稽查、检查办公室、通讯室、安全保卫室等。②设置电梯和辅助楼梯进入设备间、控制室、机房和堡顶。③桥头堡的骑跨交通桥的门洞应充分满足规定的通行车辆或货车的外形尺寸，以保证车辆正常通行。门洞内可设电动伸缩门，醒目的位置可设电子警示牌，及时通知交通信息。④涉密工程文件应单独编制，并注意登记分发信息。⑤为操控方便，可将控制层布置在距机房较近一侧的二层，并有通道与机房相连。当控制室与机房直接相连时，中间应设置防火门。⑥当骑跨式桥头堡机房为仿古建筑时，桥头堡的屋顶部分造型、选材、及颜色应与机房屋顶协调一致，以突出该建筑物的整体感。如图5所示。

图5 关隘式桥头堡骑跨交通桥的水闸鸟瞰图

(2)山涧隧道跨河节制闸的桥头堡。①当大型水闸位于交通桥连通山涧隧道位置，而两侧的陡峭山崖无法设置桥头堡时，可将桥头堡建于河道中间水位较浅的位置上，两侧联通机房。②在布置桥头堡、机房轴网时，应将桥头堡机房与交通桥之间留出充足的缓冲空间，以保证工作人员出入桥头堡而不影响交通。交通桥与机房之间的平行距离不应小于3m。③桥头堡的一层应设置柴油发电机组和备用机组，以及通往桥头堡各层的电梯或辅助楼梯。当面积需要增加时，应尽量向河流的顺水流方向扩展面积，以减少对河道的水流阻力。当桥头堡基础完全位于淹没线以下的情况下，应在桥头堡的基础部分设置分水墙或鱼脊式分水堑，以减轻水流对桥头堡基础的冲刷，保证桥头堡的安全性。④当机房的总长度超过60m时，应设置双侧桥头堡、不完全对称双侧桥头堡，或在机房末端设置通往交通桥或室外的楼梯或钢梯出入，以满足消防疏散的需要。⑤当确有需要，还可以建成桥头堡同时骑跨交通桥的形式，这样既扩大了二层以上桥头堡的面积，又有助于把控整个隧道间的交通桥。如图6所示。

图6 交通桥连接隧道的水中桥头堡的布置(可骑跨交通桥)

(3)崖壁上的暗堡。这种水闸位于高山之涧，跨河两端只有隧道相通，且水流湍急，不具备修建桥头堡的条件，这种情况只能开凿崖壁上的暗堡。暗堡应注意以下几点：①测定需要开凿暗堡的山体岩层的相关参数，以确定开凿方式。②放置设备的暗堡应充分满足机电设备需要的空间，并设置全天候的通风措施。③操控室应尽量靠近机房，以便于布线和操控，应能够直接(或间接通过高清设备)观测到启闭机和闸门的运行情况。④开凿空间一般应为圆滑的拱形顶，并严格按照山体开凿空间的相关规范设计施工。⑤崖壁上的窗口不宜太大，也不宜太密集，以防削弱崖壁外侧的岩体承载力。⑥应设置通往安全地带的应急安全通道。⑦这种形式施工工期长，开凿难度大，不经济。若非万不得已不宜采用。如图7所示。

图7 开凿于山体内的暗堡

2.4 地震设防级别较高区域暗堡设计

在有些地区，地震的设防级别较高，而水流的垂直落差较大，这种情况下不宜建设较高的桥头堡，可以设置与坝体、机房一体的交通桥下的暗堡。以保证设备的布置和工作人员的出入。所谓暗堡，也并不是说完全不能有高于交通桥的建筑物，可建成较为低矮、而又具有观光效果的出入口，设置楼梯货电梯，以便于出入交通桥下的设备暗堡。设计这种桥头堡应注意以下几点：①出入口应设在距设备间较近的位置；桥头堡的室内外高差应不小于450mm，并且出入口周围平台应设置排水暗沟以便于雨水迅速排走，严防雨水倒灌进出入口。②进入设备暗堡的走廊宽度不得低于2100mm，以保证设备应急更新和维修。③可在出入口外的平台上设置垂直吊装井，吊装井上口安装可开启、能防水的井盖，以保证大型机械、电气设备的吊装更换。④设计前应进行充分的论证和严格的计算，确保暗堡设备间在可预见的洪水位线以上，以防被汛期洪水威胁。⑤在设计交通桥路面时，应按照大型桥梁的施工工艺，除保证足够的荷载外，还应做好全面的桥面防水，防止雨水渗透至交通桥下带有设备间的暗堡。如图8所示。

图8 抗震级别较高的区域可采用交通桥下的暗堡

2.5 水网交错的立交式桥头堡设计

近年来由于跨流域调水的需要，出现了大型河流交织、并行的状况。南水北调工程中就有多处出现交叉式立体水网的构建形式。江苏省淮安运河水利枢纽工程，被认为是亚洲规模最大的敞开式立交式水利枢纽工程。它的建成满足了淮河入海水道泄洪和京杭大运河通航的需要。其下部为15孔大型涵洞，上部为宽80m的京杭大运河渡槽，位于涵洞和渡槽交叉的四个角设有两大两小4座桥头堡，其中运河渡槽两侧的对称式大型桥头堡高33m，采用密檐式古建筑与江南民居相融合的建筑形式，起到画龙点睛的作用，成为该工程的亮点。

3 几种后现代风格大型水闸型式设计

大型水工建筑物的桥头堡设计同样会受到不同建筑理念、新材料、新技术的影响，设计风格呈现出多元化的局面。设计中应遵循经济、美观、适用的原则，同时又要大胆想象、勇于创新。这就给设计人员提出了更高要求。设计中应充分考虑以下几个方面：①在确保功能需求的前提下注重外部造型，彰显建筑个性。②桥头堡控制室应靠近机房，便于操控。③出入口应明显易找，出入方便。④无论外形如何变幻，不能违反建筑、水工、结构、电气金属结构等专业的相关规范。以下是几种流派桥头堡建筑的构想图。如图9—12所示。

图9 现代派对称式倒椎体水闸桥头堡

图10 流线型未来派非对称式水闸桥头堡

图11 后现代对称式水闸桥头堡

图12 立体派对称式水闸桥头堡

4 结语

本文系统研究了大型水闸桥头堡建筑的功能和分类，重点研究了具有代表意义的几种不同地形地理条件下桥头堡的设计要点和注意事项，以作者彩绘示意图的形式展现了不同地形地理条件下的桥头堡的几种形式和造型设计，以及鸟瞰图的形式展现了现代派、未来派建筑等几种造型，能够为大型水闸建设决策提供参考，为设计人员增强造型观念、提高审美意识、创新设计思路提供指导和借鉴，为大型水闸更好地融入生态环境，大幅降低工程成本提供新的范例。由于我国地形地理条件复杂多样，还有很多没能涵盖的类型，文中不足之处敬请各位同仁指正。