擋水鋼壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

李 權(quán)

(中國電建集團(tuán) 西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

1 鋼壩工作原理

鋼壩是一種能夠?qū)崿F(xiàn)雙向擋水、靈活啟閉、閘門開度無級可調(diào)、方便調(diào)度、工程隱蔽、無礙防汛和通航、改善河道景觀的新型溢流壩體，它由土建結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)、啟閉機(jī)室、控制室等組成。

金屬結(jié)構(gòu)主要由門葉、底軸、鉸座、拐臂等組成。門葉是由鋼板、鋼梁焊接而成的連續(xù)擋水板，門葉與底軸、底軸與拐臂均為剛性連接，底軸通過帶軸承的鉸座固定在底板上。拐臂與位于啟閉機(jī)室的液壓啟閉機(jī)活動(dòng)連接。啟閉機(jī)通過拐臂驅(qū)動(dòng)底軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)門葉翻轉(zhuǎn)。

底軸與底板、門葉與兩端側(cè)墻之間均設(shè)止水裝置，保證鋼壩運(yùn)行過程中壩體不產(chǎn)生漏水。見圖1-圖3。

圖1 鋼壩金屬結(jié)構(gòu)組合示意圖

圖2 閘孔橫斷面示意圖

圖3 啟閉機(jī)室橫斷面示意圖

2 鋼壩整體布置

鋼壩閘孔總寬度需綜合考慮過流能力、河道寬度、景觀要求等因素。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，目前國內(nèi)鋼壩單孔閘門最大寬度不超過50 m。如閘孔總寬較大，可通過考慮增設(shè)中墩，采用多孔布置。閘孔數(shù)量的確定需綜合考慮閘室過流能力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、投資經(jīng)濟(jì)、管理維護(hù)方便等因素。

每孔閘室兩側(cè)需布置啟閉機(jī)室，啟閉機(jī)室寬度需滿足啟閉機(jī)安裝、檢修及附屬設(shè)施布置要求，左右壩肩啟閉機(jī)室寬度一般為2～3 m，中墩(兼做相鄰兩孔閘室啟閉機(jī)室)寬度一般為4～5 m。

鋼壩由于其特殊的運(yùn)行方式，對結(jié)構(gòu)不均勻沉降較為敏感。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究[1]，當(dāng)?shù)纵S變位超過2 mm時(shí)，底軸受力瞬間陡增，甚至抱死，引起設(shè)備及結(jié)構(gòu)破壞，故鋼壩設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的不均勻沉降問題。當(dāng)閘室寬度較小時(shí)，盡量采用整體式底板；當(dāng)閘室寬度較大，超過規(guī)范[2]允許的分段上限時(shí)，經(jīng)技術(shù)論證，也可采用分離式底板，底板間可考慮采用鍵槽縫、騎縫筋等消除不均勻變位的措施。無論底板如何布置，均應(yīng)做好地基處理工作。

3 鋼壩相關(guān)計(jì)算模型與方法

3.1 水力計(jì)算

鋼壩水力計(jì)算內(nèi)容主要包括泄流能力計(jì)算和下游消能計(jì)算。

3.1.1 泄流能力計(jì)算

鋼壩正常擋水溢流時(shí)，其門葉直立在河道內(nèi)，可近似當(dāng)做薄壁堰處理[3]；河道過洪時(shí)，門葉橫臥于底板上，不侵占行洪斷面，門葉可與底板看做一個(gè)整體，當(dāng)做寬頂堰處理。

無論哪種堰型，其泄流能力均可按下式[4-5]進(jìn)行計(jì)算：

式中：ε為側(cè)收縮系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)；b為堰寬，m；m為流量系數(shù)；n為閘孔數(shù)目；H0為計(jì)入行進(jìn)流速的堰上總水頭，m。

鋼壩正常擋水溢流時(shí)，為減小壩頂過流產(chǎn)生明顯的震動(dòng)，壩頂溢流水深宜控制在0.5 m以內(nèi)。

門葉橫臥于底板上時(shí)，閘室的最大過流能力應(yīng)大于壩體所在河段的最大設(shè)計(jì)洪峰流量。

3.1.2 消能防沖計(jì)算

鋼壩的消能工布置應(yīng)根據(jù)其運(yùn)用條件選擇最不利的水位和流量組合，按水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[2]進(jìn)行計(jì)算。一般分為以下3種工況：

工況一：壩頂最大溢流工況

上游水位為壩頂高程加壩頂溢流水深，下游水位為相應(yīng)計(jì)算水位。

工況二：敞泄工況

門葉全部橫臥于底板上，上下游水位為相應(yīng)計(jì)算水位。

工況三：上游水位驟降工況

門葉降落瞬間，上游蓄水頃刻下泄，此時(shí)壩體單寬流量、上下游水頭差均較大，對于消能工而言屬于最不利工況。

上游水位驟降屬于小概率事件，按其運(yùn)行條件布置下游消能工往往不太經(jīng)濟(jì)，可通過控制門葉的下降速率等措施改善泄水條件。通過比較壩頂溢流和閘孔敞泄選擇下游消能工的控制條件即可滿足一般項(xiàng)目的需求。

消能工的布置除應(yīng)滿足消能防沖要求外，還應(yīng)考慮采取減輕和防止壩體震動(dòng)的措施。對于壩頂經(jīng)常溢流的工程，壩后宜設(shè)陡坡與下游消能工銜接。

3.2 金屬結(jié)構(gòu)計(jì)算

鋼壩金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算目的為確定鋼材規(guī)格和厚度，明確受力關(guān)鍵部位，作為設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)營及維護(hù)的參考。

3.2.1 門 葉

門葉可簡化為固定在底板上的懸臂板，主要受靜水壓力、動(dòng)水壓力和門體自身重力。

門葉強(qiáng)度應(yīng)滿足閘門在不同開度及不同溢流水深的各組合工況下均能安全運(yùn)行。

根據(jù)工程實(shí)踐，門葉的薄弱部位主要為其焊縫位置，設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)予以高度重視。見圖4。

圖4 門葉強(qiáng)度計(jì)算受力分析圖

3.2.2 底 軸

底軸的主要受力情況有兩種。

1) 門葉由靜水壓力和自重共同作用，對底軸產(chǎn)生力偶，液壓啟閉機(jī)的推力通過拐臂對底軸產(chǎn)生阻抗力偶，這兩個(gè)大小相等、方向相反的力偶，使底軸發(fā)生繞軸線的相對轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。

天葬師此時(shí)身體尚未完全直起，眼見上方黑影一晃，一道黑芒掛著尖銳的破空聲插下，他心知不妙，急忙向旁擰身躲避，卻終究慢了一步。

2) 底軸通過軸承固定在鉸座上，在水平方向受水推力作用，垂直方向受自重與水壓力的組合作用，可簡化為不等跨連續(xù)梁在垂直和水平荷載共同作用下的彎曲變形問題。

故底軸的強(qiáng)度計(jì)算屬于扭轉(zhuǎn)與彎曲的組合問題，可根據(jù)材料力學(xué)方法[6]進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

3.2.3 液壓啟閉機(jī)

液壓啟閉機(jī)強(qiáng)度計(jì)算目的是確定其所需的最大推力，方便設(shè)備選型。可按平衡門葉各運(yùn)行工況對底軸施加的力矩反推啟閉機(jī)的所需推力，啟閉機(jī)型號不可選擇過大，考慮一定的安全富余即可，防止門葉或底軸因意外卡停或抱死時(shí)過大的啟閉力對結(jié)構(gòu)造成損害。

3.3 閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算

鋼壩各工況所受的力，均通過底軸和鉸座傳遞給閘室底板。閘室底板除受閘門傳遞的力外，還應(yīng)考慮不同荷載組合下的結(jié)構(gòu)自重、水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、土壓力等[2]。

閘室底板也可簡化為不等跨連續(xù)梁在垂直和水平荷載共同作用下的受彎問題，按彈性地基梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算[7]。

3.4 其他計(jì)算

其他相關(guān)計(jì)算，如滲透壓力計(jì)算、地基計(jì)算等可參考《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]進(jìn)行。

4 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

4.1 集水坑

啟閉機(jī)室的滲水主要來自3個(gè)方面：底軸下穿邊墻的孔洞部位；邊墻、底板的裂縫、施工縫、變形縫等縫隙部位；上部蓋板漏水等。

啟閉機(jī)室滲水量一般不會太大，1臺小型潛水泵即可滿足要求，根據(jù)工程等級和實(shí)際需要也可布置為1用1備，并配置浮球式液位開關(guān)，做到自動(dòng)控制。

4.2 換氣孔

啟閉機(jī)室內(nèi)的環(huán)境相對潮濕和封閉，檢修人員進(jìn)入后很可能因缺氧而產(chǎn)生眩暈等癥狀，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮預(yù)留一定尺寸的換氣孔，用于交換機(jī)室內(nèi)外的空氣。

換氣孔可布置在機(jī)室迎水側(cè)邊墻設(shè)計(jì)洪水位以上，也可直接布置在蓋板上。見圖5。

圖5 邊墻換氣孔

4.3 補(bǔ)氣措施

鋼壩門頂過流過程中，門后會產(chǎn)生負(fù)壓，從而產(chǎn)生氣蝕和震動(dòng)，尤其對于北方河道，河道下游水位較低，這種現(xiàn)象更為明顯。

可通過在門葉上設(shè)置破水器，或在兩側(cè)邊墻設(shè)置通氣孔的方式進(jìn)行補(bǔ)氣。

通氣孔不同于換氣孔，換氣孔為連接啟閉機(jī)室內(nèi)外環(huán)境的換氣管道，多為水平布置；而通氣孔是連接壩后水簾下負(fù)壓空腔與外部環(huán)境的補(bǔ)氣管道，多為豎向布置。見圖6。

圖6 壩頂破水器和壩后通氣孔

4.4 側(cè)向止水

門葉的側(cè)向止水安裝在閘門的兩側(cè)，通過與側(cè)墻的擠壓達(dá)到止水的目的。

為延長側(cè)向止水的使用壽命和達(dá)到理想的止水效果，側(cè)墻的止水貼面必須光滑、平整。常見的側(cè)向止水貼面有大理石和不銹鋼鋼板，大理石可通過砂漿直接粘貼在邊墻上，不銹鋼鋼板則需要與預(yù)埋件焊接固定。大理石貼面在北方容易遭受凍融破壞而剝落，故北方地區(qū)宜使用不銹鋼鋼板貼面，南方地區(qū)可根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧瞎?yīng)情況靈活選擇。見圖7。

根據(jù)工程實(shí)踐，鋼壩邊墻在澆筑時(shí)經(jīng)常因?yàn)槟０骞潭ú焕慰炕驖仓椒ú划?dāng)，導(dǎo)致外立面不平整甚至傾斜，安裝貼面時(shí)二次鑿削邊墻混凝土，費(fèi)時(shí)費(fèi)料，設(shè)計(jì)及施工時(shí)均應(yīng)引起一定的重視。

圖7 門葉側(cè)向止水實(shí)景(大理石貼面)

4.5 檢修通道

鋼壩啟閉機(jī)室由于布置在閘門兩端，可根據(jù)以下情況設(shè)置檢修通道：

1) 利用壩址區(qū)現(xiàn)有交通道路。當(dāng)壩體沒有中墩，兩岸交通較為便利，檢修人員能及時(shí)通往兩岸壩肩的啟閉機(jī)室時(shí)，可利用壩址區(qū)現(xiàn)有交通道路，無需單獨(dú)布置檢修通道。

2) 壩頂設(shè)置交通橋，兼顧兩岸交通。當(dāng)壩體設(shè)有中墩，兩岸交通不便時(shí)，可考慮在壩頂設(shè)置交通橋連接各啟閉機(jī)室，也可作為兩岸的交通便道。見圖8。

圖8 中墩頂部交通橋?qū)嵕?/p>

3) 壩體底板設(shè)置交通廊道。當(dāng)壩體設(shè)有中墩，兩岸無其他交通需求時(shí)，可考慮在壩體底板內(nèi)設(shè)置交通廊道。見圖9。

這種布置方式既可減少壩體混凝土用量，又能結(jié)合交通廊道統(tǒng)一收集各啟閉機(jī)室滲水，簡化抽排水系統(tǒng)。

4.6 景觀設(shè)計(jì)

1) 挑水構(gòu)件。門葉頂部的挑水構(gòu)件不僅有破水補(bǔ)氣的功能，更有營造動(dòng)水效果的作用，可通過設(shè)置固定或活動(dòng)的挑水構(gòu)件，合理設(shè)置其大小間距，在壩頂過流時(shí)形成豐富的流水景觀。

2) 門葉背部裝飾。在季節(jié)性河流的枯水季，鋼壩正常擋水時(shí)其門葉背部經(jīng)常裸露，可結(jié)合工程區(qū)的傳統(tǒng)文化和民俗特色，在門葉背部進(jìn)行景觀噴涂或材料裝飾，能起到很的景觀效果。

3) 景觀照明。在水流穩(wěn)定的情況下，通過在壩后設(shè)置景觀照明燈，燈光投射在水簾上，可營造出流光溢彩般的夜景效果。見圖10。

圖10 壩下照明實(shí)景

4) 音樂噴泉鋼壩。目前的新型鋼壩可以做到在門葉內(nèi)安裝噴水系統(tǒng)和景觀照明等設(shè)備，輔以室外音響效果，集中控制，構(gòu)成集聲、光、電、音為一體的音樂噴泉鋼壩，在夜晚可營造出絢麗多彩的視聽氛圍。見圖11。

這種壩體也有曝氣充氧、促進(jìn)區(qū)域水體流動(dòng)、凈化水質(zhì)的作用。

圖11 音樂噴泉鋼壩實(shí)景

5 結(jié) 語

1) 鋼壩對地基的不均勻沉降較為敏感，設(shè)計(jì)中要做好底板的布置工作，并做好地基處理。在鉸座的選型與布置上要科學(xué)合理，鉸座與底軸的連接不可過于封閉，應(yīng)預(yù)留適當(dāng)?shù)淖冃慰臻g。

2) 可根據(jù)門葉的啟閉情況將鋼壩簡化為薄壁堰或?qū)掜斞撸囱吡鬟M(jìn)行水力計(jì)算；門葉可簡化為固定在底板的懸臂板，按受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算；底軸受力屬于扭轉(zhuǎn)與彎曲的組合問題，可根據(jù)材料力學(xué)方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算；閘室底板可簡化為不等跨連續(xù)梁在垂直和水平荷載共同作用下的彎曲變形問題，按彈性地基梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。

3) 可通過在壩頂設(shè)置破水器或邊墻設(shè)置通氣孔的方式防止壩體過水時(shí)發(fā)生氣蝕和震動(dòng)；由于啟閉機(jī)室環(huán)境相對潮濕和封閉，設(shè)計(jì)中可通過設(shè)置換氣孔或“天窗”的形式進(jìn)行換氣。

4) 側(cè)向止水貼面應(yīng)充分考慮冬季凍融的影響，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留足夠的貼面空間。

5) 根據(jù)工程總體布置，結(jié)合實(shí)際需要，靈活設(shè)置壩體的檢修通道。

6) 鋼壩設(shè)計(jì)中還應(yīng)注重景觀元素，可通過挑水構(gòu)件、門葉裝飾、景觀照明、音樂噴泉等手段豐富水體景觀。