紅英攔河閘除險(xiǎn)加固工程氣盾閘設(shè)計(jì)

鐘燦文，鄭希娟，潘永慶，于 淼

紅英攔河閘除險(xiǎn)加固工程氣盾閘設(shè)計(jì)

鐘燦文，鄭希娟，潘永慶，于 淼

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

文章以紅英攔河閘除險(xiǎn)加固工程為實(shí)例，闡述了氣盾閘在北方地區(qū)的可行性。設(shè)計(jì)過程中擬定了3種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，并經(jīng)過過流能力、抗?jié)B穩(wěn)定、閘室穩(wěn)定等水力計(jì)算，確定氣盾閘的布置是合理的。

氣盾閘；紅英攔河閘；除險(xiǎn)加固；設(shè)計(jì)；遼寧省

0 引言

氣盾閘門系統(tǒng)是由鋼護(hù)板、橡膠氣囊、抑制帶、錨固件、空壓系統(tǒng)和閘門控制系統(tǒng)組成。利用空氣壓縮原理，通過給氣囊充氣與排氣，使鋼護(hù)板升起與倒伏，以維持特定的水位高度，并可在設(shè)計(jì)水位內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意水位高度的調(diào)節(jié)，且允許閘頂溢流。閘門全開時(shí)，門體全部倒臥在河底，可高效泄水。閘門全關(guān)閉時(shí)，可以蓄水，超過設(shè)定水位時(shí)，可形成溢流。

氣盾閘門系統(tǒng)利用橡膠氣囊支撐鋼護(hù)板擋水，安全性高，無需使用高精密部件及軸承，因而服務(wù)年限長，使用年限可達(dá)30年以上。組合式的設(shè)計(jì)和安裝，形成各自獨(dú)立的模塊單元，結(jié)構(gòu)簡單，抗震強(qiáng)，模塊重量輕，安裝省時(shí)省力，維修方便，不需要整體系統(tǒng)更換，故障率低。

氣盾閘門系統(tǒng)主要是通過由環(huán)氧樹脂或無收縮水泥填漿的錨錠螺栓固定于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，所有氣袋則覆以底樞蓋板再以夾鑄具通過錨錠螺栓鎖固而形成強(qiáng)固持久且富彈性的閘門系統(tǒng)。

1 工程概況

紅英攔河閘位于遼寧省昌圖縣寶力鎮(zhèn)境內(nèi)，地處二道河中游，距昌圖縣城35 km，閘址處集水面積1 523 km2，河道長約126.7 km。主要工程結(jié)構(gòu)有2孔自動(dòng)翻板閘及4孔不可翻閘門板、3扇平板調(diào)節(jié)閘、左岸提水站。紅英攔河閘始建于1974年，在多年的運(yùn)行中出現(xiàn)較多的問題，已經(jīng)影響到流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全。1994年7月該閘進(jìn)行了全面加固。將2扇人工翻板閘改為自動(dòng)翻板閘，并對產(chǎn)生裂縫的工作橋橫梁進(jìn)行了加固。重新更換了啟閉設(shè)備和閘門，并建立了配電室，同時(shí)對交通橋進(jìn)行了加固。經(jīng)過1998年大洪水沖擊，閘體混凝土普遍剝蝕，粗骨料外露，局部混凝土振搗不實(shí)，粗骨料集中，水平施工冷縫明顯?，F(xiàn)河道翻板閘下游土體淤積成堆，嚴(yán)重影響河道及閘室的過流能力。水閘自投入運(yùn)用至今，現(xiàn)狀兩岸翼墻多處發(fā)生裂縫、側(cè)傾，由于受資金等因素影響，問題一直未得到徹底解決攔河閘帶病運(yùn)行。

遼寧省鐵嶺市水利勘測設(shè)計(jì)院于2009年對紅英攔河閘進(jìn)行了安全鑒定，遼寧省水利水電科學(xué)研究院核查組于2011年對該工程進(jìn)行了書面核查及現(xiàn)場核查，確定水閘安全類別評定為三類。

于2014年完成了紅英攔河閘除險(xiǎn)加固工程的初步設(shè)計(jì)工作，僅對2孔自動(dòng)翻板閘及4孔不可翻閘門板的閘室設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 工程等別及洪水標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB50201-94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》及SL265-2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，依據(jù)最新水文數(shù)據(jù)及規(guī)范要求，復(fù)核紅英攔河閘工程規(guī)模為中型；根據(jù)SL252-2000《水利水電工程等別劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，紅英攔河閘主要功能是灌溉，控制灌溉面積1 334 hm2。經(jīng)綜合分析復(fù)核確定紅英攔河閘工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時(shí)性建筑物級別為5級。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計(jì)洪峰流量536 m3/s，設(shè)計(jì)洪水位86.30 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪峰流量849 m3/s，校核洪水位87.10 m。

2.2 方案比選

結(jié)合工程實(shí)際情況，綜合考慮投資、施工難易程度和運(yùn)行管理等方面因素，在保證工程安全的情況下，盡量利用原用結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)閘段保持原有結(jié)構(gòu)僅更換閘門及啟閉設(shè)備，翻板閘段影響過流的部分全部改造為具備擋泄2種功能的閘段。除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)擬定以下3種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，即拆除原有2孔自動(dòng)翻板閘及4孔不可翻閘門板，按原有布置形式重建為平板閘、液壓翻板閘、氣盾閘，每孔凈寬為9.0 m，閘室底板頂高程為83.8 m，擋水高度為2.5 m。因除翻板閘段除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案不一致，其他工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一致，下文僅說明翻板閘段。各方案對比見表1。

綜上所述，上述3種方案都滿足攔河閘的設(shè)計(jì)要求，也各有優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工條件等多方面比較，考慮到上游河道雜物較多及春季冰凌，氣盾閘方案解決問題徹底，過流條件好，施工較為方便，工期較短，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)小，后期維護(hù)費(fèi)用較少，運(yùn)行管理相對便利。故選定氣盾閘方案為紅英攔河閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案。

2.3 氣盾閘布置

紅英攔河閘為除險(xiǎn)加固工程，新閘軸線與原閘一致。

原有翻板閘前混凝土鋪蓋長度為8.0 m，拆除與閘室段連接的3.5 m長鋪蓋，對剩余的4.5 m長混凝土鋪蓋清淤后，鑿除表面5 cm厚的混凝土，現(xiàn)澆25 cm厚的鋼筋混凝土，混凝土強(qiáng)度等級C25，抗凍等級F250。鋪蓋頂高程為83.0 m，每2孔設(shè)置一個(gè)結(jié)構(gòu)縫。

氣盾閘段閘室長12.0 m，堰頂高程83.8 m，6孔，單孔凈寬9.0 m。原有閘室底板長8.5 m，鑿除表面5 cm厚的混凝土，上游部分現(xiàn)澆25 cm厚的鋼筋混凝土，下游部分采用5 cm厚的環(huán)氧砂漿進(jìn)行加固處理。在拆除的上游鋪蓋位置現(xiàn)澆厚1.7 m，長3.5 m的鋼筋混凝土并用錨筋與原有閘室底板連接為一個(gè)整體，與上游混凝土鋪蓋連接的斜坡式進(jìn)口坡度為1.0∶2.5，進(jìn)口前端頂高程為83.0 m，末端高程為83.80 m，每2孔設(shè)置一個(gè)結(jié)構(gòu)縫。新建閘室段下設(shè)0.1 m厚C15素混凝土墊層、0.2 m厚砂礫石墊層和土工布各一層。上游設(shè)有齒墻，齒墻深度為0.8 m。為滿足氣盾閘金屬結(jié)構(gòu)的要求，鑿除閘墩表面5 cm厚的混凝土，并打入膨脹螺栓。

表1 各方案對比表

2.4 水力計(jì)算

2.4.1 過流能力計(jì)算

共分兩部分計(jì)算，分別為氣盾閘過流和調(diào)節(jié)閘過流。氣盾閘過流能力計(jì)算，依據(jù)《水力計(jì)算手冊》（武漢水利水電學(xué)院水力學(xué)教研室編1983版）有關(guān)堰流流量的公式進(jìn)行氣盾閘過流流量與上游水位關(guān)系計(jì)算：

式中：Q——流量，m3/s；σs——淹沒系數(shù)；σc——側(cè)收縮系數(shù)；m——流量系數(shù)；n——閘孔孔數(shù)；b——每孔凈寬，m；g——重力加速度，9.8 m/s2；H0——包括行近流速水頭的閘前水頭，m。

計(jì)算結(jié)果見表2，3。

表2 氣盾閘過流能力流量與上游水位關(guān)系表

表3 總過流能力流量與上游水位關(guān)系表

2.4.2 抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)SL265-2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行抗?jié)B穩(wěn)定復(fù)核。按最不利工況進(jìn)行復(fù)核：上游鋪蓋段長4.5 m，閘室段長12.0 m。上游水位與閘頂高程齊平，下游無水，此時(shí)上游水位86.3 m，下游河床83.6 m，滲透水頭2.7 m，計(jì)算圖見圖1。

圖1 抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算圖（單位：m）

經(jīng)計(jì)算，出口段滲流平均坡降J=0.16＜[J]=0.60，水平段滲流坡降Jk=0.08＜[Jk]=0.30，抗?jié)B穩(wěn)定性滿足SL265-2001的要求。

2.4.3 閘室穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算工況與荷載組合：

1）Ⅰ基本組合。工況1：完建期，閘前、后無水，不考慮地下水作用；工況2：正常蓄水位，前水位86.30 m，閘門全關(guān)，閘后無水；工況3：設(shè)計(jì)洪水位，閘前水位86.30 m，閘門全開，閘后水位85.69 m。

2）Ⅱ特殊荷載組合。工況4：校核洪水位+正常運(yùn)用條件，堰前水位87.10 m，閘門全開，閘后水位86.41 m。

根據(jù)SL265-2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，對閘室的抗滑穩(wěn)定、基底應(yīng)力、抗浮穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4，5。

表4 氣盾閘段閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表

表5 氣盾閘段閘室基底應(yīng)力計(jì)算成果表

由以上計(jì)算成果可以看出，氣盾閘段閘室的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)、閘室基底應(yīng)力及基底應(yīng)力不均勻系數(shù)等均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

紅英攔河閘位于遼寧省昌圖縣，春季河道中存在浮冰，上游河道雜物較多。氣盾閘鋼護(hù)板可對于任意位態(tài)凸懸於其下的氣囊起保護(hù)作用，使氣囊免受浮冰、浮木及碎屑、礫石的破壞。同時(shí)可充分利用現(xiàn)有的閘墩及閘底板，減少工程結(jié)構(gòu)部分的投資。采用氣盾閘方案是可行的，合適的。

TU457+.3 < class="emphasis_bold"> ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B

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2017-07-28