钢坝闸在长滩寺河生态建设工程中的应用

冯健南,赵 飞

(1.河海大学设计研究院有限公司,南京 210098;2.江苏永辉水利工程设计有限公司,江苏 扬州 225100)

1 背 景

长滩寺河是一条以行洪为主的条带型山丘区河道,特点是汛期行洪流量大,河道流速超过2m/s,如采用生态浮床技术、挺水、沉水植物等原位治理措施,汛期易被冲毁;非汛期几乎无水,流速仅有0.01m/s,水动力较弱,污染物易沉积;根据水环境治理水质净化方案选择微生物滤池与钢坝闸旁路水质净化技术,即,采用钢坝闸,抬高河道常水位,在钢坝闸一侧设置高效微生物滤池,钢坝闸上游水体自流入微生物滤池,进行深度净化,通过滤池净化水体水质,降低水体中污染物含量,保证出水水质达地表Ⅳ类水标准; 剩余水量直接通过钢坝闸溢流至下游。

通过下游不间断的水质监测,一旦发现水质突然恶化等现象,启动钢坝闸至东湖下游设置的泵站,将水抽送至钢坝闸上游,回流入滤池的净化系统,保障河道水质稳定[1]。

2 闸型选择

本工程拦河闸主要作用是抬高水位,为水质净化设备提供净化条件,水位抬高后提高水环境容量,同时考虑长滩寺河行洪要求,需做到结构安全可靠,布置紧凑合理﹑功能齐全,使用灵活方便,并且兼顾景观效果。

2.1 传统拦河闸

传统拦河闸闸型一般有开敞式水闸、涵洞式水闸和胸墙式水闸等三种型式。

开敞式水闸:开敞式,过闸水流呈自由水面,当闸门全部打开时,过闸断面和过流量都随着水位抬高而增加,过流不受阻挡,适用泄流较大的河道。

涵洞式水闸:修建在引排水流量不大的河渠上,靠涵洞洞身填土挡水,本工程河道较宽,流量较大,基本不适用。

胸墙式水闸:利用胸墙减少闸门高度,水流通过固定孔洞下泄,自由水面受闸室上部的胸墙所挡,该闸型可降低闸门的高度,从而降低启闭机平台高度,由于本工程长滩寺河属山丘区河道,泄洪时往往上游会有树木及杂物等漂浮在水面,基本也不适用。

本工程中适用的传统闸型为开敞式水闸,但由于本工程位于城区,开敞式水闸具有高排架和启闭机房,景观效果较差,不考虑使用[2-4]。

2.2 景观效果较好的钢坝闸、橡胶坝

钢坝闸:钢坝闸是一种底轴驱动翻板闸门,由固定底轴的闸门门体、液压启闭设备及配套的土建结构组成[5]。闸室一侧或两侧的液压启闭机驱动底轴,带动钢坝闸闸门转动,用以蓄水或泄水。钢坝闸整体由上游连接段、闸室控制段、下游连接段组成。闸室侧设置空箱,内置驱动启闭机及电气控制设备。

橡胶坝:橡胶坝的骨架为高强度合成纤维,内外涂敷橡胶保护层,形成橡胶坝坝体,锚固于闸室底板上形成封闭空间。运行时,向坝体袋内充水或排水,用以充满立坝挡水,排空塌坝泄水。橡胶坝整体主要由上游连接段、坝袋主体工程及下游连接段组成。充排水系统布置于闸室两侧。

两种坝型在汛期时均可完全卧倒,不影响长滩寺河河道的行洪,立坝时,河道上部无设施,景观效果较传统闸型好,同时也能形成漫水瀑布的效果,远处看不到建筑物。

钢坝闸土建结构简单,景观效果较好,升坝蓄水、卧坝行洪的方式调控水流,对地基承载力要求不高;启闭速度快,不影响河道行洪,能适应山丘区峰高、量 小、历时短的洪水特性;随着国产设备费用的逐步降低,运行维护成本也相应下降。设计使用寿命可达50～60a,产品采用集成式启闭机启动,启闭速度可达1～2m/min,3min内即可完成升坝或卧坝,突发洪水时能保证及时泄洪。同时钢坝闸可根据业主对水位的不同需求,可实现0°～90°内任意角度调节。

橡胶坝每次挡水、排水启闭时间较长,不利于排涝、行洪时,同时由于本工程河道属山丘区河道,块石易割破气囊,同时橡胶气囊长期暴露在外,实际寿命往往小于实验数值,橡胶坝寿命一般10～15a。

经比选,综合考虑耐久性,山丘区河道的洪水特性,使用年限等因素,本工程采用钢坝闸闸型。

3 钢坝闸设计

3.1 水位组合

根据水文计算,长滩寺河10a一遇设计流量135m3/s,20a一遇设计流量177m3/s,钢坝闸上游保水水位376m,下游水位374m。

表1 钢坝闸1水位组合表

3.2 总体布置

钢坝闸位于长滩寺河自生桥上游约250m位置处,布置于长滩寺河上,轴线与长滩寺河顺接,控制室布置于工程东侧,工程西侧布置净化系统配套的微生物滤池。钢坝闸由闸主体、上游铺盖、上游海漫、下游消力池、下游海漫、下游防冲槽及上下游翼墙组成。

钢坝闸底板为C25钢筋混凝土,上游底板高程374m,闸孔净宽25m,闸门挡水高度2m;闸底板顺水流方向16m,地面高程378m;上游侧布置C25钢筋混凝土护底,底板高程374m,长10m;护底后接25m长海漫;下游侧布置长12m长消力池,消力池深度1.0m;消力池后接25m长海漫,海漫末端接抛石防冲槽;上下游翼墙均为C25钢筋混凝土悬臂或扶壁挡墙。上下游海漫均采用200厚C20素混凝土+100厚碎石+100厚黄砂+250g/m2土工布的结构形式。闸室两侧布置空箱设备间,内布置液压启闭机控制。

3.3 工程设计

1)孔径核算:当上游水位376.53m,下游水位376.43m时,取设计流量Q=135m3/s,按实用堰淹没出流公式计算:

(1)

式中:Q为过闸流量,m3/s;B0为闸孔总净宽,m;H0为计入行近流速水头的堰上水深,对于闸前水面较宽的水闸,不应计入行近流速,m;m为晏流流量系数,可近似采用m=0.385;ε为侧收缩系数;H0为包括行近流速水头在内的进口水深,m;g为重力加速度;σ为淹没系数。

经计算,B0=16.91

当上游水位376.82m,下游水位376.72m时,取校核流量Q=177m3/s,按实用堰淹没出流公式计算,B0=19.62

2)消能防冲计算:消能水位组合:上游376.82m,下游376.52m;按按《水闸设计规范》附录公式经计算:消力池需要的深度为0.15m,消力池长度7.96m,实际采用的池深、池长分别为1.0m、12.0m,满足要求。消力池厚度根据抗冲、抗浮要求,经计算,消力池底板始端厚度t为0.37m,实际厚度取0.7m,满足要求。

3)海漫长度计算:海漫长度根据《水闸设计规范》附录B.2.1公式:

(2)

式中:KS为海漫长度计算系数,取11;qs为消力池末端单宽流量;△H′为闸孔泄水时的上下游水头差。

所需海漫长度为23.17m,实际采用25m,满足要求。

4)防渗计算:上下游最大水位差2.0m,闸基防渗段土质为粉质黏土,查《水闸设计规范》,取渗径系数C=9,所需渗径长度L=18m,实际防渗总长度34m,满足防渗要求;经计算,侧向防渗也满足要求。

5)闸室稳定计算:闸室稳定计算公式如下:

(3)

式中:pminmax为闸室基底应力的最大值或最小值,kPa;∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载,kN;∑M为作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩,kN·m;b为计算闸室段的宽度,m;L为底板长度,m;Kc为沿泵室基底面的抗滑稳定安全系数;f为泵室基底面与地基之间的摩擦系数,取0.30;∑H为作用在泵室上的全部水平向荷载,kN。

闸站地基为地基承载能力160kPa,地基综合摩擦系数取0.30。闸室稳定计算见表2。

表2 钢坝闸闸室稳定计算成果表

由表2可知,钢坝闸闸室抗滑稳定安全系数、不均匀系数及地基承载能力均满足规范要求。

4 结 语

钢坝闸是一种新的闸型,主要优点有新颖、美观和实用,随着社会经济技术的发展,大跨度、低水头的拦河闸坝发展迅速,钢坝闸在城市景观河道治理中的应用越来越广泛,文章通过对岳池县长滩寺河生态建设工程的拦河闸的闸型比选及钢坝闸的设计应用的介绍,钢坝闸不仅具有生态景观功能,同时也为山丘区河道的旁路水质净化提供条件,可为类似工程提供借鉴。