底铰式钢闸门在河道景观工程中的运用

2011-07-16罗希雍婷刘刚谭丹

水利水电快报 2011年7期

罗希雍婷刘刚谭丹

(中工武大设计研究有限公司,湖北武汉 430072)

底铰式钢闸门俗称钢坝,作为一种新的坝型相对传统坝型具有诸多优点[1],近年来逐渐在城市用水及景观建设工程中得到推广和运用[2-4],但目前钢坝的结构设计缺乏统一的设计规范和标准,还需要在工程实践中进一步的研究和探讨。

1 工程概况

天河城区水景建筑物工程位于郧西县城关镇天河流域,其主要设计内容为工业园区河段修建挡水建筑物,营造人工景观水面。挡水建筑物等级为 4级,工程选址处河宽142.50 m,河底平均高程236.50 m,河岸高程 241.00 m。正常挡水位239.80 m,设计洪水标准采用 20 a一遇,设计流量1661 m3/s。

2 工程地质

工程区地势平坦开阔,河道中的主要地层为卵石混合土和强、中、弱风化粘土岩,挡水建筑物基础持力层为卵石混合土,允许承载力为 350 k P a,基底摩擦系数0.5。工程区地下水主要为潜水,局部略具承压性,主要富存于卵石混合土中,水量丰富。天河主河道的河水及地下水对混凝土结构无腐蚀性,对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀性,对钢结构有弱腐蚀性。地震基本烈度为Ⅵ度。

3 方案比选

由于天河是山区性河流,水位陡涨陡落,洪水期来水量大,河流中石块较多,考虑到运行管理和挡水建筑物结构安全等因素,选择翻板坝和钢坝两种型式进行方案比较。

(1)翻板坝方案。水力自控翻板闸门高2.5 m,闸顶高程239.80 m。翻板闸门分 7段布置,每段长19.0 m,两段间设置 1.0 m隔墩,顺水流长度为10.0 m。考虑河道来沙量大,为防止坝底板淤积,坝底板顶面高程设为237.30 m,并于左岸设置单孔冲砂闸。冲砂闸孔净宽4.9 m,闸底板顶面高程236.50 m,顺水流向长度10.0 m,冲砂闸与翻板坝间设1.0 m厚隔墩。

(2)钢坝方案。闸门高3.0 m,挡水水位(景观水位)239.80 m,共 4跨,每跨长 31.0 m,中墩及两岸边墩内设启闭设备室,坝底板顶面高程236.80 m。

下面从功能、泄洪能力、运行、造价等方面对这两种方案进行了比较。

(1)景观要求。二者均能形成景观需要水面,但钢坝形成的水面效果更加美观。

(2)泄洪能力。泄洪时,翻板坝方案的闸门及其支撑结构会对断面过水能力产生较大的影响。经计算,在设计流量为 1661 m3/s的情况下,翻板坝和钢坝方案上游设计水位分别为241.80 m和240.80 m。可见翻板坝方案泄洪能力较差,通过设计流量时相对钢坝方案使上游水位壅高1.0 m,需加高上游的堤防,增加了工程总投资。

(3)运行管理。两种方案均能通过控制液压设备实现启闭,自动化程度高,运行简单可靠,管理方便。但翻板坝容易受到泥沙淤积或漂浮物的影响,导致翻板闸门无法正常启闭运行,国内目前已有多起由于翻板闸门无法正常运行而将其拆除的案例。

(4)造价。钢坝方案总投资约 1400万元,较翻板坝方案高 300多万元。但从使用年限、运行管理等方面对两个方案综合比较分析,钢坝方案更占优势。

以上几个方面的比较结果表明,钢坝方案在景观、泄洪能力和运行管理方面表现更胜一筹,尽管其建设期造价较高,但更适合于天河的工程实际情况,最终确定钢坝作为拦河闸坝型式。

4 工程布置

钢坝主体工程由上游铺盖段、钢坝(含闸门、启闭设备室)段、下游护坦段组成,如图 1所示。

图 1 钢坝平面布置

4.1 上游铺盖段

上游铺盖顶面高程236.50 m,顺水流向长度8.0 m,宽142.5 m。采用0.5 m厚钢筋混凝土结构,下设 10 cm素混凝土垫层,两岸翼墙采用重力式混凝土挡土墙。

4.2 钢坝(含闸门、启闭设备室)段

钢坝段底板及启闭设备室均采用钢筋混凝土结构,垂直水流方向总宽度149.6 m。钢闸门高3.0 m,顶高程(景观水位)239.8 m,共 4跨,每跨长31.0 m。中墩及两岸边墩内设启闭设备室,中墩启闭室宽6.0 m,两岸启闭室宽3.8 m。

坝底板顺水流方向长度为12.0 m,距上游端2.0 m处设0.95 m深垂直陡坎,基础顶面及底面高程分别为236.80 m和235.85 m。距下游端2.5 m处设 1∶2.0反向斜坡连接(兼作消力池),其高程分别为236.50 m和235.85 m,厚度为1.2 m。在上、下游设齿墙,上游端齿墙深度为0.8 m,齿墙下部设防渗墙,深入相对不透水层下0.5 m,下游段齿墙深度为0.5 m。根据钢闸门安装需要,每跨底板设 5个尺寸为1.35 m×1.0 m×0.5 m的钢闸门底轴支座预留孔,6个结构尺寸为0.5 m×0.5 m×0.4 m的支墩,坝底板靠下右侧预埋 2根 Φ 100mm镀锌设备控制电缆。

中墩启闭室墙顶高程240.30 m,两岸启闭室墙顶高程同上游堤防高程,顶板设2.0 m×2.0 m检修孔,其中中墩启闭室检修孔采用钢质密封盖。启闭室内设0.5 m×0.5 m×0.5 m集水井及通风照明设施。底板厚度同坝底板基础。与钢闸门侧止水接触的边墙采用抛光大理石贴面。

4.3 下游护坦段

下游护坦采用钢筋混凝土海漫加浆砌石防冲槽方案,海漫底板顺水流方向长10.0 m,厚0.5 m,设排水孔,梅花型布置,孔距排距2.0 m,下设反滤层。下游防冲槽采用浆砌石结构,深2.0 m。两岸翼墙采用重力式混凝土挡墙。

5 结构设计

5.1 钢闸门设计

底铰式钢闸门是由门叶、固定门叶的底横轴、底铰支座、润滑轴承、底止水、侧止水、液压启闭设备及液压锁定装置等组成,液压设备通过底轴转动来驱动门体的开启和关闭。

5.1.1 运行条件

(1)90°立坝,闸门顶最大溢流水深 40 cm,形成瀑布景观效果,超过 40 cm由液压启闭设备自动控制闸门卧门行洪;

(2)90°立坝,上游为景观水位,下游为河道水位(正常运行工况);

(3)闸门最大转角为 90°,且可设定角度使闸门处于锁定状态;

(4)突发洪水情况下,须在 2～5 m i n内卧门泄洪。

5.1.2 闸门体型设计

郧西天河河道较宽,需多跨布置。由于单跨钢闸门的宽度和高度过大会提高对底横轴等构件的强度要求从而使投资增加,因此经方案比选并结合运行条件,确定闸门高为3.0 m,宽为31.0 m,底横轴直径 Φ 800mm,轴下设 5个支座,支座间距7.0 m,设有底止水和侧止水。

5.2 钢坝及启闭设备室结构设计

5.2.1 坝底板结构设计

钢坝的基础底板承受自重、钢闸门、水重及水产生的水平压力、扬压力等荷载。底板采用钢筋混凝土结构,取底板厚度为1.2 m,顺水流方向长度为12.0 m。设计计算以两相邻顺水流向永久缝之间的底板段作为计算单元,主要包括抗滑稳定计算、渗透稳定计算、基底应力计算、不均匀系数计算及钢筋混凝土结构配筋计算,计算工况选取完建工况、正常运行工况和校核工况,计算结果如表 1所示。