氣盾壩在得勝河綜合治理工程設計中的應用

郭攀攀 焦 潔 裴珺

(河海大學設計研究院有限公司，江蘇 南京 210098)

近年來，隨著城市化建設和水環境治理的推進，大跨度、低水頭的攔河閘壩發展迅速。氣盾壩兼有鋼壩閘和橡膠壩的優點，剛柔并濟，自北京清水河環境治理工程首次從國外引進氣盾壩技術以來，國內已進行了眾多研究，基本建立較完整的理論體系，關鍵設備也實現了國產化。登科氣盾壩從地基條件、景觀效果、運行管理等方面，對氣盾壩、鋼壩閘和橡膠壩等三種壩型進行綜合比較，進一步歸納總結氣盾壩的使用范圍，并對氣盾壩底板設計、氣囊及錨固件設計中存在的一些問題進行分析，提出設計改進方案。

1 應用背景

得勝河為含山、和縣兩縣的母親河，上游為山丘區，中下游為沖積平原，地勢平緩，于金河口匯入長江，流域面積427.3km2。含山縣得勝河水環境治理工程中，新建登科和謝墩兩座氣盾壩，利用河槽蓄水，抬高城區河道水位，擴大河道水域面積，結合灘地改造和周邊環境整治改變沿河水景觀，體現人水和諧，促進縣城的可持續發展。

登科氣盾壩長60m、壩高4.0m，謝墩氣盾壩長40m、壩高4.0m，控制景觀水位分別為7.5m和9.5m，門頂溢流水深不超0.5m，達到人工調控河道蓄水位的目的，滿足城市景觀用水需求。兩座氣盾壩高度相同，本文以登科氣盾壩為例，控制流域面積133.8km2，攔蓄庫容98萬m3，是安徽省第一座大跨度氣盾壩的實踐應用。

2 壩型方案比選

2.1 氣盾壩

氣盾壩也稱氣動盾形閘壩，結合了傳統鋼閘門和橡膠壩的特點，剛柔并濟。氣盾壩主要由盾板、氣囊、埋件、空壓系統及控制系統等組成，通過對氣囊的充氣與排氣，使盾板升起與倒伏，維持特定的水位。

氣盾壩主要由盾板主體工程、上游鋪蓋、消能防沖設施組成。壩體底板為折線型，長16.0m，厚1.1～1.6m，壩頂高程3.6～3.1m，分縫間距18～20m。邊墩為懸臂式擋墻，墻頂高程8.10m。盾板布置于壩軸線偏下游側，倒伏時板面與底板齊平，不阻礙行洪。充排氣管布置于底板內，每個氣囊布置一根充排氣管，氣盾壩縱剖面見圖1。

圖1 氣盾壩縱剖面 (尺寸單位：mm)

2.2 鋼壩閘

鋼壩閘是一種底橫軸的翻轉門，由帶固定底軸的鋼閘門門體、液壓啟閉設備和配套土建結構工程三部分組成。底軸由閘室兩側的液壓啟閉機驅動，帶動懸臂式閘門轉動，調節河道水位。

鋼壩閘主要由上游連接段、閘室控制段、消能防沖設施等組成。閘室控制段底板頂高程3.60m，順水流方向長16.0m，垂直水流方向總長73.0m，采用C30鋼筋混凝土空箱式底板，厚3.7～4.7m，不分縫。閘門布置于底板偏上游側，底軸直徑約1.0m，門庫深度約1.0m。閘室兩側為空箱式閘墩，分為上下兩層設備間，內置液壓啟閉機及自動控制等設備。鋼壩閘橫剖面見圖2。

圖2 鋼壩閘橫剖面 (尺寸單位：mm)

2.3 橡膠壩

橡膠壩是以高強度合成纖維為骨架，內外涂敷橡膠保護層，形成膠布，按設計尺寸錨固于基礎底板上形成封閉空間。由充排系統向壩袋內充水或排水，充脹立壩擋水，排空塌落泄水，控制河道設計水位。

橡膠壩主要由壩袋主體工程、上游鋪蓋、消能防沖設施組成。壩袋底板長16.0m，壩頂高程3.6m，厚1.2m，分縫間距18～20m。邊墩為懸臂式擋墻，墻頂高程9.0m。壩袋選用雙錨固充水式，壩軸線布置于底板中心線偏下游側。壩袋內壓比取1.25，膠布設計強度為60.0kN/m2。充排水設施布置于河槽右岸堤后，包括泵房和集水井等。橡膠壩方案縱剖面見圖3。

圖3 橡膠壩方案縱剖面 (尺寸單位：mm)

2.4 方案比選

登科攔河閘壩方案綜合比選見表1。

表1 登科攔河閘壩三種方案綜合比選

經比較分析，氣盾壩方案有如下特點：?土建結構簡單，景觀效果較好，對地基承載力要求不高；?啟閉速度快，基本不影響河道行洪，能適應山丘區峰高、量小、歷時短的洪水特性；?隨著國產設備費用的逐步降低，運行維護成本也相應下降。

3 氣盾壩底板設計

3.1 底板結構計算

壩體底板結構承上啟下，將水重、閘門及氣囊等荷載傳遞至地基，關系到氣盾壩的整體安全。目前，氣盾壩無專門的設計規范，底板結構計算內容和計算原理參考水閘及橡膠壩設計規范，包括防滲、抗滑、基底應力、不均勻系數等。壩體20m標準段各工況計算結果見表2。

表2 壩體底板穩定及內力計算結果

通過表2可知，氣盾壩底板的抗滑穩定與底板長度和防滲布置相關，基底應力和彎矩均小于傳統水閘結構，理論上可不進行地基處理，按構造配筋即可。

3.2 底板分縫

本案例設計底板采用分縫結構，每隔20m設置一道橫向伸縮縫，則底板中間跨與邊墩之間因墻后土壓力和地基不均勻性存在一定沉降差，易引起上部盾板間止水錯位，導致滲水，影響擋水效果。針對底板不均勻沉降有以下兩種處理方法：?將底板分縫處設置成凹凸榫接，形成簡支鉸僅傳遞剪力，使縫兩側的底板趨于同步沉降，減小不均勻沉降量；?當壩體跨度不超過60m時，可將底板做成整體式U形結構不設縫，并設置后澆帶減輕底板開裂。因整體式底板跨度超出規范規定，且受地質條件影響受力復雜，實踐案例較少，有待進一步研究，本文采用凹凸榫接減小底板不均勻沉降。

4 氣囊和錨固件設計

4.1 單元長度和安全系數

氣囊和錨固件的計算包括氣囊、鉸鏈蓋板、夾鑄具、錨栓、安全抑制帶等，取單元長度分別建立各部件的受力計算簡圖求解，類似文章較多，已有成熟的計算公式，本文不再贅述。根據分析，擋水盾板所能承受的總水壓力與氣囊充氣壓力和接觸面積成正比，在一定的充氣壓力時接觸面積的大小直接關系著氣囊及錨固件的受力強度，而接觸面積與氣囊的單元制造長度、充氣形狀等相關。本文對氣囊的單元長度進行比較，考慮國內氣囊硫化罐制造工藝以及本案例壩體長度60m，選用以下兩種方案分別計算對比各項最大值，見表3。

氣囊的內外壓比遠大于橡膠壩設計規范推薦的0.75～1.10，安全抑制帶的計算張力最大，鉸鏈蓋板的計算張力最小，錨栓均選用高強度螺栓。考慮國產氣囊制造能力，本案例推薦選用單元長度為6.67m的氣囊。

參考橡膠壩設計規范，充氣式壩袋安全系數不小于8，則氣囊制造張力不小于17.55kN/cm，設計選用十布十一膠，厚度24mm，理論抗拉強度可達18kN/cm。鉸鏈蓋板承受盾板傳遞的全部水壓力，安全抑制帶防止盾板向上游側傾倒，且位于水下較難維修保養，但安全系數沒有相關規定，制造張力難以選定。本文根據設計要求，氣囊現場試驗耐高壓達0.8MPa，則鉸鏈蓋板和安全抑制帶的制造張力須為計算值4倍，分別為7.29kN/cm和15.17kN/cm，均小于氣囊的制造張力。考慮加工制造方便，鉸鏈蓋板與安全抑制帶均選用氣囊同材質，制造張力為18kN/m，則反推安全系數分別為9.8和4.7。

4.2 氣囊優化設計

目前，氣囊封端中間高兩頭尖的“枕式”，不能與盾板充分接觸，造成一定的浪費。可用采用以下兩種方法氣囊進行優化：?參考表3計算成果，增加氣囊單元制造長度，可有效降低氣囊制造張力，減小膠布厚度，但制造設備要求相應提高；?改進氣囊制造工藝，改變氣囊形狀，參考堵頭式橡膠壩將封端改為“平堵式”，可使氣囊與盾板的接觸面積增加約20%，提高支撐力，降低投資。

5 結 語

a.氣盾壩是一種新型擋水壩，立壩擋水、倒伏泄洪，水面以上可見設備少，景觀效果好，隨著國產設備的批量生產，工程投資逐步下降，競爭優勢越來越明顯，在城市河道治理中具有較好的應用前景。

b.氣盾壩底板為土建核心，結構 穩定性以及內力計算與傳統水閘計算相同，但其內力遠小于傳統水閘。

c.氣盾壩所能承受的設計水頭，與氣囊的充氣壓力、單元制造長度、充氣形狀等相關，須對有關參數進行分析計算，合理選取安全系數。

d.本文結合工程實踐，對氣盾壩底板分縫處理、鉸鏈蓋板和抑制帶的安全系數等，提出了設計優化措施；但大跨度整體式底板受力分析和氣囊形狀改進等問題尚待進一步研究，須經實踐檢驗后優化設計。