楊克昌

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

1 工程概況

河北省唐山市環(huán)城水系由陡河、李各莊河、新開河、青龍河、東湖、西湖、南湖組成的河河相連及河湖相通的大小不一的水循環(huán)體系。水源包括陡河、城市中水及區(qū)域雨水。其中陡河是循環(huán)水系中最大河流，城區(qū)段15.28km，市區(qū)上游至陡河水庫段11km，總長26.28km。陡河水庫以下至市區(qū)自然徑流流量少，已成一條季節(jié)性河流。為滿足環(huán)城水系景觀的需要，除了依靠陡河水庫調(diào)節(jié)向環(huán)城水系補水外，當前重點是需對陡河進行綜合整治，以使河道常年流水，確保河流的景觀價值。

整治陡河的主要任務不僅擴挖河槽斷面、調(diào)整及加固兩岸堤防，還要保證在河道整體防洪標準不降低前提下在河道上修建蓄水工程，以利于河槽蓄水，改善河道水生態(tài)及兩岸生態(tài)環(huán)境。

本次確定在陡河上修建6座蓄水建筑物。為使整個河道蓄水建筑物多樣化，增加景觀效果，建筑物分別采用3座橡膠壩和3座鋼壩的結(jié)構(gòu)型式。橡膠壩分別為后屯橋橡膠壩、北外環(huán)橋橡膠壩和建華橋橡膠壩；鋼壩分別為河茵橋鋼壩、華新橋鋼壩和勝利橋鋼壩。河茵橋鋼壩壩長45m，擋水高度2.8m；華新橋鋼壩壩長55m，擋水高度3.2m；勝利橋鋼壩壩長40m，擋水高度3.2m。

2 鋼壩的特點

鋼壩是一種新型的擋水建筑物，其結(jié)構(gòu)新穎，外形美觀，性能可靠，運用靈活，較好地解決了河道蓄水與行洪的矛盾，有利保護河道自然環(huán)境，是城市景觀河道建設的一個亮點。鋼壩的結(jié)構(gòu)型式既不同于水閘，又不同于橡膠壩。鋼壩與橡膠壩相比，具有如下特點：

2.1 防洪安全

橡膠壩通過排氣或排水塌壩所用時間較長，遇突發(fā)洪水時易帶來安全隱患；鋼壩通過啟閉機運行速度快，幾分鐘內(nèi)就臥倒至閘底板以下，能及時泄洪。

2.2 景觀效果

橡膠壩直立擋水后，靠開度來調(diào)節(jié)蓄水量和溢流泄量，用時較長，過程緩慢，水流景觀不好；鋼壩是一種新型的可調(diào)控溢流閘門，用門頂過水，能在任一傾斜角度根據(jù)流量確定開度形成理想的水舌，造出很好的瀑布景觀效果。

2.3 管理維護和密封

橡膠壩易受到人為破壞和泄洪過程中尖利或有尖角的物體的損壞，修復較困難；鋼壩則是一種特殊的水閘形式，沒有門槽，底止水壓在支鉸軸上，側(cè)止水壓在側(cè)墻上，當門葉升起或臥倒時，始終處于密封止水狀態(tài)且鋼壩的底軸采用自潤滑材料，管理維護方便。

2.4 自動化控制

橡膠壩通過泵房和管路進行充水，一般難以實現(xiàn)集中網(wǎng)絡控制；鋼壩采用液壓啟閉機操作，自動化程度高，通過電氣控制柜的PLC系統(tǒng)對其進行控制。

2.5 使用壽命

橡膠壩易老化，使用壽命相對較短；鋼壩主材為鋼，軸承采用工程塑料合金，防腐采用噴鋅加涂料的雙重防腐，使用壽命長。

2.6 投資和施工

橡膠壩主要為橡膠壩袋和各種管路，對土建無特殊的要求，一般投資小且安裝方便；鋼壩制造、安裝要求精度較高，對基礎要求嚴格，投資大，對于基礎好的河道，鋼壩的投資一般為橡膠壩的4～5倍，對于軟基河道，鋼壩的投資一般為橡膠壩的8～15倍。

3 鋼壩設計工況

整治后的陡河不僅是景觀河道，而且仍要承擔泄洪任務，因此要求鋼壩平時擋水，汛期時臥倒行洪。為保持較好的景觀效果，設計鋼壩在全關(guān)擋水時與水平線成70°。經(jīng)綜合分析，本工程確定了鋼壩的4種設計工況。

工況1：鋼壩在立門70°擋水時，門前為上游景觀水位，門后（即下游）無水。

工況2：鋼壩在立門70°擋水時，門頂最大溢流水深為30cm，門后為下游景觀水位。

工況3：鋼壩在立門45°擋水時，門前為上游景觀水位，門后為下游景觀水位。

工況4：鋼壩在門前為上游景觀水位、門后為下游景觀水位條件下臥倒；在下游景觀水位條件下立門。

4 鋼壩總體布置

鋼壩總體布置主要特點是將整個閘室設為1孔，設置1扇閘門，門葉為通過螺栓固定在底軸上的懸臂結(jié)構(gòu)，底軸靠支鉸提供支撐，支鉸固定在閘底板下的凹槽內(nèi)；啟閉機采用液壓活塞式啟閉機，雙吊點布置，設置在閘門的上游側(cè)；啟閉機室布置在兩側(cè)的閘墩內(nèi)部，閘墩頂部預留進人孔，與啟閉機室相通。啟閉機室內(nèi)設有液壓啟閉機、液壓泵站及閥組、支鉸軸、拐臂及鎖定等結(jié)構(gòu)；由于啟閉機室頂可能過洪水，因此啟閉機室內(nèi)所有設備均應滿足過水要求；啟閉機室內(nèi)最低處設置集水井和潛水泵，以排除積水；鋼壩閘門允許門頂溢流，為避免門后負壓，在閘門門頂設有破水器。具體布置如圖1所示。

圖1 鋼壩閘門布置圖

5 鋼壩底軸設計

鋼壩門葉、拐臂均與底軸剛性連接，液壓啟閉機與拐臂鉸接，液壓啟閉機通過底軸轉(zhuǎn)動來驅(qū)動門體的開啟和關(guān)閉。在閘門運行過程中，底軸處于受扭狀態(tài)。除承受扭矩作用外，底軸自重、水體荷載和門體自重在底軸上還產(chǎn)生垂直彎矩，而拐臂與軸連接處產(chǎn)生水平力，從而產(chǎn)生水平彎矩。計算模式為不等跨連續(xù)梁在垂直和水平方向上受彎。另外，影響底軸彎矩的因素除水荷載和自重外，還有支座沉降的影響。

底軸是鋼壩設計中的重要部件，其受力情況復雜，不僅要滿足抗扭和抗彎要求，還要有較好的變形能力，以適應地基的不均勻沉降和兩臺液壓啟閉機不同步帶來的偏差。同時如何防止底軸在運行過程中出現(xiàn)卡阻，是該閘門的設計難點之一。設計中采取的主要措施：

5.1 嚴格控制閘底板不均勻沉降差

3座鋼壩的地基均為淤泥或淤泥質(zhì)土，屬于軟基，在底板設計中，閘底板不分縫，采用整體結(jié)構(gòu)，并在底軸下設一通長混凝土大梁，梁下采用樁基礎，以確保閘底板和啟閉機室的整體性。

5.2 鉸座采用合理的結(jié)構(gòu)型式

底軸的軸承座與軸承間在鉛垂方向留有一定的間隙，以適應閘底板的變形，即使閘底板產(chǎn)生小的不均勻變形，也不至于軸與軸承座間產(chǎn)生別勁而增大地基反力。

5.3 采用新型的軸承材料

底軸結(jié)構(gòu)應具有良好的變位適應性，材料具有較高的物理、化學及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有較低的吸水率和良好的自潤滑能力，具有較強的抗泥沙特性，具有較長的使用壽命。工程中采用了工程塑料合金自潤滑軸承這一新型材料。該軸承是一種單體復合材料，不僅硬度小，而且耐磨性更為優(yōu)越，有一定的彈性變形能力，較好地適應了大跨度變形的需要。雖然該軸承變形能力強，但其抗壓強度大，達到50MPa。同時該軸承具有自潤滑性能，不需添加潤滑劑，給管理維護帶來了方便，有利于閘門的安裝及安全運用。除此之外，軸承與軸的摩擦系數(shù)小，無潤滑時為0.16，水潤滑時為0.05，油潤滑時為0.02，降低了鋼壩的啟門力。

5.4 合理設置支座數(shù)量，嚴格控制安裝精度

綜合考慮底軸受扭、彎及傳給土建的作用力，并考慮制作、安裝及運輸要求，孔口凈寬范圍內(nèi)華新橋鋼壩設置8個支鉸座，河茵橋鋼壩設置7個支鉸座，勝利橋鋼壩設置6個支鉸座。對底軸同軸度提出要求，在制造安裝過程中嚴格控制偏差。

5.5 控制底軸剛度，適應啟閉機偏差

為適應兩臺液壓啟閉機不同步帶來的偏差，華新橋和勝利橋鋼壩在孔口中心處分為相對獨立的兩段，通過波紋管加滑動止水套的柔性連接形式將左右兩段底軸連接起來。河茵橋鋼壩底軸為通過法蘭連接在一起的通軸，通過軸的變形協(xié)調(diào)來適應兩啟閉機的偏差。

6 啟閉機布置選型與控制

6.1 布置選型

鋼壩啟閉機采用液壓式啟閉機，鋼壩放水時，液壓啟閉機操作固定在啟閉機室底軸上的拐臂使鋼壩向下游側(cè)傾倒，臥倒后門葉面板低于閘室底板以下。蓄水時，液壓啟閉機操作拐臂將鋼壩拉起至與水平方向成70°擋水。當遇到突發(fā)洪水，事先沒有應對而出現(xiàn)緊急狀況時，打開油缸常閉球閥，鋼壩在水壓力的作用下自動向下游側(cè)傾倒，達到泄洪要求。液壓啟閉機電氣控制柜布置在右岸堤頂?shù)目刂剖覂?nèi)，其余設備分別布置在左右岸閘墩啟閉機室內(nèi)。液壓缸活塞和活塞桿主密封均采用德國MERKEL公司進口的優(yōu)質(zhì)多唇V型組合密封圈，靜密封采用美國PARKER公司進口的O型密封圈，密封性好，使用壽命長。油箱、油管全部采用不銹鋼材料制造。

6.2 控制方式

啟閉機控制采用現(xiàn)地手動和現(xiàn)地自動兩種方式，每種方式互為閉鎖，對兩臺油泵電機設置一個選擇開關(guān)，這樣可以方便實現(xiàn)油泵、閘門的單步手動操作和閘門自動操作控制；在設備調(diào)試、檢修階段，以及在自動操作失靈的緊急情況下，將控制開關(guān)打在手動方式，采用手動操作，可實現(xiàn)閘門的單步啟閉控制。在設備調(diào)試正常后，將閘門控制開關(guān)打在自動方式，采用PLC自動操作，實現(xiàn)閘門的啟閉控制。

7 結(jié)語

（1）鋼壩在應用時操作簡便，啟閉速度快，特別是門頂溢流可以形成瀑布景觀，既有防洪功能，又有景觀效果。

（2）鋼壩底軸對地基要求嚴格，對于巖石基礎較宜采用，對于軟基和單跨跨度大時，地基處理費用和設計難度會大幅增加，成為投資敏感項目時不宜采用。

（3）底軸軸承結(jié)構(gòu)要具有良好的變位適應性，具有較高的物理、化學及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有較低的吸水率和良好的自潤滑能力至關(guān)重要，將直接影響到鋼壩運用的可靠性。

（4）與側(cè)止水接觸的閘墩采用大理石鋪面可方便施工。

（5）盡可能選用優(yōu)質(zhì)原材料和優(yōu)質(zhì)先進產(chǎn)品，以確保工程質(zhì)量和運用安全。

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