广州某河道引调水工程蓄水气盾闸设计

李旭

（广州市水务规划勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510640）

气盾闸，也称气动钢盾橡胶坝，是一种新型的挡水结构，是综合橡胶坝、钢板坝二者之长的新型水工建筑物。气盾坝吸收了传统活动坝型之精华，摒弃了传统活动坝型之不足，具有结构简单，过水高度和运行状态持续可控；挡水和过水能力更高；充排时间短，运行管理简单；使用寿命超长，综合效益高；对基础的适应性高；景观效果佳等特点。

由于气盾闸具备结构简单，运行管理简单、景观效果佳等特点，较以往橡胶坝、混凝土闸坝体景观效果好，建设周期短，可适用于城市景观水体及水环境调蓄水工程。

1 工程概况

本工程位于乌涌流域，为乌涌主涌的一条支流，河涌全长约2.96km，流域面积1.35km，坡降0.82‰。流域内地势平坦，主要以建成区为主，地面高程基本在7～10m 左右。上游发源于城中村，河涌基本为明涌，部分河段已被覆盖为暗渠，河道宽度4～12m，河道堤岸基本整治完毕，主要为混凝土或浆砌石结构。

河涌上游山水受广园路阻隔，旱季上游无活水源；下游仅部分区域进行了截污，流域内排水系统部分仍为合流制，雨天合流管道溢流，随溢流而出的污染物沉积河道，形成内源污染，进一步加剧河涌污染。水体黑臭已严重影响附近居民的生产生活，无法满足附近居民亲水乐水的需要。

为解决河涌日常旱季无水，且水质较差水动力不足的问题，拟利用上游排渠作为引水通道，引乌涌水进行补水。工程计划沿线设置节制闸及蓄水闸4 座，并对主河道全段进行清淤疏浚。

根据《防洪标准》及《水闸设计规范》中的规定，本工程等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为4 级，排涝标准为20年一遇。

2 工程设计

2.1 方案对比

为确保明涌景观水体环境美观，拦蓄水建筑物布置应在满足河涌防洪排涝要求的同时，应尽可能使得河涌保持景观水位，因此拦蓄水建筑物选型尤为重要。因此选取几种常见蓄水建筑物进行对比。

结合工程实际情况，综合考虑投资、施工难易程度和运行管理等方面因素，选择在近河涌下游设置闸体；考虑周边环境及居住区等因素，设置气盾闸过流条件好，施工工期较短，运行管理相对便利。

气盾闸设置闸宽8 米，景观水位6.4 米，闸底高程4.6。闸室前设钢筋砼铺盖，闸后设消力池、海漫等构筑物。具体参数见表2。

表1 拦蓄水建筑物选型对比表

表2 气盾闸建设前后20年一遇水面线成果对比

3 水力计算

3.1 过流计算

计算公式采用《水闸设计规范》（SL265-2001）公式，因hs/H0 ≥0.9，故按高淹没度堰流公式计算。

本工程闸底高程为4.4m，堤顶高程为8m。本次过流验算按其最不利工况进行复核验算，即遭遇20年一遇洪水位情况。

表3 水闸过流能力计算成果

经计算可知，本工程气盾闸布置满足P=5%设计洪峰流量要求。

3.2 抗渗稳定计算

根据SL265-2001《水闸设计规范》，采用改进阻力系数法计算闸基各渗流要素。按最不利工况进行复核：水闸产生最大水头差2.1 米（排空状态）。

水闸的渗流可划分为9 个区域进行计算，计算简图如下所示。

图1 渗流计算简图

表4 渗透坡降计算表

3.3 整体稳定及基底应力计算

按《水闸设计规范》（SL265-2001）的规定，闸室稳定应满足下列要求：各计算工况下闸底平均基底压力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2 倍；基底应力的最大值与最小值之比不大于规定的允许值；沿闸基底面的抗滑稳定安全系数不小于规定的允许值。

根据本工程气盾闸运行情况，拟定气盾闸水位组合情况如下：

表5 气盾闸稳定计算水位组合表

表6 气盾闸稳定计算及闸室基底应力计算表

经计算，水闸抗浮、抗滑稳定满足规范要求，基底应力满足天然地基承载力要求，基底不均匀系数满足规范要求。考虑气盾闸现状河床为淤泥细砂，为使其基底压应力分布均匀，减少基础沉降，防止地震液化，拟采用Ф600 高压旋喷桩处理，同时提高地基土抗渗能力。

4 工程运行调度方式

在日常（旱天） 运行情况下，黄埔东路气盾闸在运行时需结合乌涌水闸做好联合调度，三戽涌基本无水时开始立坝运行，进行补水，由于乌涌涌口设有水闸，需控制外涌水位不高于5.8m，避免外江高潮位上溯，待需要换水时则利用落潮期，结合乌涌水闸运行进行塌坝排水。

日常结合上游补水，调节景观水位保持在6.1～6.7m，控制气盾闸上最高壅水不超过30cm，以避免气盾闸发生振动，影响结构稳定性，并保证上游排水不受影响。若上游来水较少，河道流动性较差，则通过排气使气盾闸倒伏，降低特定水位高度，形成水景观及水面流动性效果。

由于引水期间，周边农田现状地面高程较低，可能出现渠道水位高于农田的情况，因此引水期间需选取引水灌溉和农田退水合适时机，方可打开引水和排水口，避免因引水造成内涝。

5 结论

作为流域调补水的重要建构筑物，气盾闸运行管理简单，与周边城市水环境结合度较好；钢护板可保护气囊免被河道大件垃圾破坏，过洪能力较好，不阻水，适用于未完成分流改造的蓄水段河流域；建设周期短，安全性能较好，适用于城市景观水体及水环境调蓄水工程，为有水位调控要求及部分水动力较弱的河道调补水方案设计可提供一定借鉴。