楊克昌
(河北省水利水電勘測設計研究院,天津 300250)
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。
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:
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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:
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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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