尚常清 崔瑞香

（1.吉林省四平市水利勘測設(shè)計研究院，吉林四平 136000； 2.北京市首都規(guī)劃設(shè)計工程咨詢開發(fā)公司，北京市 100045）

鋼壩學(xué)術(shù)名稱為底軸驅(qū)動翻板閘門，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閘門。它不僅結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省土建投資，而且可以立門蓄水，臥門行洪排澇，適當(dāng)開啟調(diào)節(jié)水位，還可以利用閘門門頂過水，形成人工瀑布的景觀效果。

黑河溝又稱門頭溝或黑水河，位于門頭溝區(qū)東南部，起源于官廳村南絕石梁，經(jīng)東店街、東辛房，穿過門城鎮(zhèn)入永定河?，F(xiàn)狀河道過水?dāng)嗝妾M小，上游河道兩岸房屋建筑密集，植被凌亂，多數(shù)堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，河道構(gòu)筑物壅水、阻水現(xiàn)象嚴(yán)重，門頭溝黑河溝已遠(yuǎn)不能滿足城市防洪排水要求。本次治理起點為圈門橋上游約50m處（樁號0+000），治理終點為河灘橋（樁號4+100），治理總長4.1km。

1 節(jié)制閘位置及標(biāo)準(zhǔn)

新建節(jié)制閘位于門頭路橋～河灘橋之間，河灘橋上游84m處，即樁號4+016為閘門位置。節(jié)制閘為3級建筑物，按20年一遇洪水設(shè)計，50年一遇洪水校核。20年一遇設(shè)計洪峰流量218m3/s，設(shè)計洪水位104.45m；50年一遇校核洪峰流量306m3/s，校核洪水位104.90m。

2 地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)鉆探資料，地層巖性由上至下敘述如下。

（1）卵漂石填土：雜色，稍密～中密，表層松散，稍濕，級配差，以大粒徑為主，含砂量少，夾雜少量磚塊、灰渣、植物根系。地表出露最大粒徑約50cm。局部地段該層下部分布有雜填土層①1，成份以粉質(zhì)粘土為主，夾卵礫石、生活垃圾、橡膠等，揭露雜填土厚度1.1m。

分布于場區(qū)近地表，局部厚度較大，其物理力學(xué)性質(zhì)差異較大。

（2）卵漂石：雜色，稍濕，中密～密實，亞圓形，根據(jù)地表出露情況，最大粒徑約50cm，中砂充填，含量約5%～20%，級配較好。該層上部粒徑大，鉆進(jìn)時易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，動探擊數(shù)大于50擊。

該層內(nèi)摩擦角經(jīng)驗值φ=32°～34°。重型動力觸探擊數(shù)大于50擊，承載力標(biāo)準(zhǔn)值fka大于300kPa。該層上部鉆進(jìn)時易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，漏漿嚴(yán)重。

該層滲透系數(shù)較大，滲透系數(shù)經(jīng)驗值10-1～10-2cm/s，具強透水性。由滲漏引起的滲透變形破壞類別為管涌型，依據(jù)相關(guān)規(guī)范，及結(jié)合經(jīng)驗數(shù)值， 建議允許水力比降值為J允許＝0.15。

漂卵石層與基礎(chǔ)混凝土的摩擦系數(shù)可采用0.5。

場區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍土深度為0.80m。

3 閘型比選

黑河溝節(jié)制閘位于河道樁號4+016處，現(xiàn)狀河底寬度為30m。本閘屬新建工程，水閘設(shè)計功能為非汛期滿足河道上游景觀蓄水，汛期排泄河道洪水。

閘室設(shè)計布置為單孔開敞式，閘孔凈寬30.0m。底檻高程102.7m，上游正常蓄水位104.7m，閘門設(shè)計高度2.0m。閘門型式比選考慮氣動盾形閘門、水力自動翻板門及鋼壩閘門三種門型。

根據(jù)本工程景觀要求，綜合分析比較氣動盾形閘門、水力自動翻板閘門及鋼壩閘門的優(yōu)缺點，閘門型式采用鋼壩閘門。

表1 閘門型式比選表

3.1 主要設(shè)計特點

鋼壩閘門為多主梁焊接結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動支承設(shè)在門葉底部，當(dāng)閘門豎起或倒下時，門葉圍繞底軸心旋轉(zhuǎn)；閘門允許門頂溢流，形成人工瀑布的景觀效果；可以局部開啟，調(diào)節(jié)上游水位；倒下時，門葉與上游閘底板處于同一高程，泄洪時不阻水。

鋼壩閘門方案，由于單孔凈寬可以達(dá)到30.0m，無需設(shè)置中間閘墩，泄水時對流態(tài)有利，又能達(dá)到通透的視覺效果，滿足景觀要求。鋼壩閘門檢修時，采用在低水位時搭建臨時圍堰擋水的方式。

3.2 啟閉設(shè)備

鋼壩閘門采用液壓啟閉機(jī)控制，液壓啟閉機(jī)容量及行程由鋼壩閘門廠家配套提供。液壓啟閉機(jī)主要包括1座液壓站、2支液壓缸、1套電氣控制裝置等設(shè)備。2支液壓缸分別安裝在左、右岸閘墩內(nèi)，液壓缸的活塞桿端部通過支臂裝置等與閘門底軸相連接，活塞桿的伸縮帶動閘門底軸旋轉(zhuǎn)，控制閘門啟閉。液壓站及電氣控制裝置等設(shè)備設(shè)置在岸邊管理房內(nèi)。

液壓啟閉機(jī)現(xiàn)地控制，預(yù)留遠(yuǎn)控接口，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)方自動化控制。

3.3 防冰設(shè)計

冬季運行時，閘前破冰采用壓縮空氣射流法，選用空氣壓縮機(jī)等配套設(shè)施，在閘前冰層之間以壓縮空氣射流吹開一條不結(jié)冰的水域，防止冰的凈壓力作用到閘門上。

空氣壓縮機(jī)及控制裝置等設(shè)備安裝在岸邊管理房內(nèi)。

4 鋼壩閘設(shè)計

在常水位以下時，閘門關(guān)閉。當(dāng)洪水期時，液壓啟閉機(jī)控制閘門打開，閘門下翻進(jìn)行泄洪。

工程總體布置根據(jù)功能需要和閘址地形、地質(zhì)、水流及運用條件而確定，力爭做到緊湊、合理、經(jīng)濟(jì)、協(xié)調(diào)、美觀。閘軸線選擇與河道中心線正交，考慮閘門型式的設(shè)計，閘門底板盡量減少分縫。為滿足工程管理和運用的要求，在閘室左右岸設(shè)置地下啟閉機(jī)設(shè)備室，整體景觀外形美觀大方，經(jīng)濟(jì)實用。

本次設(shè)計為1孔鋼壩閘門，閘孔總凈寬30.0m。閘順?biāo)飨蚩傞L68.77m，其中上游連接段長20m，閘室段11m，下游連接段37.77m。

設(shè)計閘底板高程102.70m，上游正常蓄水位104.70m，閘門頂高程為104.70m。

上游連接段為長20m鋼筋混凝土鋪蓋，厚度為0.4m，兩側(cè)為C20重力式混凝土擋土墻，頂高程為105.60m，進(jìn)口處與河道擋墻順接。

閘室段長度11m，底板為C25鋼筋混凝土厚1.80mm，兩側(cè)為C25鋼筋混凝土箱式擋墻，箱式擋墻厚0.80m。

消力池段長15m，池深0.5m，底板為C25鋼筋混凝土厚0.60m，消力池池底高程為101.50m，末端設(shè)梅花狀排水孔，排水孔底部設(shè)反濾及排水體，消力池上游側(cè)采用1：4的斜坡段與閘室段連接。

海漫為水閘的防沖刷部分，該段與消力池段共同承擔(dān)消能防沖要求，設(shè)置22.77m長的鋼筋混凝土海漫，厚度為0.40m，垂直水流方向?qū)挾扔?0m變?yōu)?6.71m寬；下游與設(shè)計河道的0.2m厚現(xiàn)澆素混凝土板連接。兩岸采用C20素混凝土重力式擋土墻結(jié)構(gòu)型式，墻頂寬0.50m，頂高程為105.00m，出口擋墻與河道岸墻順接。

5 水力設(shè)計計算

5.1 過流能力計算

節(jié)制閘采用平底寬頂堰形式，其水力計算依據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）附錄A有關(guān)公式計算，閘孔總凈寬計算公式如下：

對于單孔閘：

結(jié)果見下表2。

表2 黑河溝鋼壩閘特征水位成果表

經(jīng)計算，水閘總凈寬為30m。

5.2 消能防沖計算

鋼壩閘下游消能采用底流式消能設(shè)計，其消能設(shè)施的布置型式采用下挖式消力池消能，消力池用斜坡面與閘底板相連接，斜坡面的坡度為1：4。

5.2.1 消力池深確定

擬采用底流消能方式，其水力計算根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）附錄B有關(guān)公式計算。

消力池深度可用下式計算：

5.2.2 消力池長度計算

消力池長度按下式計算：

5.2.3 消力池底板厚度計算

消力池底板厚度可根據(jù)抗沖和抗浮要求，分別按下列公式計算，并取其大值。

經(jīng)計算，20年一遇、50年一遇洪水時，閘門全開泄流情況下，水閘下游基本上不產(chǎn)生水躍，不需修建消力池。

但為了與下游河道河底順接，同時防止閘門下淤堵，此處設(shè)置消力池。設(shè)計消力池深度為0.5m，消力池長度為15.0m。經(jīng)消力池底板厚度抗沖及抗浮穩(wěn)定計算，底板厚度取為0.6m。

5.2.4 海漫長度計算

根據(jù)計算結(jié)果，海漫長度取32m。消力池后接22.77m長鋼筋混凝土護(hù)底，下游10m為設(shè)計河道的0.2m厚現(xiàn)澆素混凝土板。

表3 海漫長度計算表

5.3 滲透穩(wěn)定計算

根據(jù)地質(zhì)資料，閘基位于卵石層上，地基承載力大。建議作為閘基基礎(chǔ)承力層。但卵石層滲透系數(shù)較大，具強透水性。根據(jù)水閘閘基地下輪廓線各點的滲壓水頭，滲流坡降，采用阻力系數(shù)法判別閘基滲流穩(wěn)定。

（1）地基有效深度計算。 （2）阻力系數(shù)及水頭損失計算。

（3）水平及出口段滲流坡降計算。

（4）進(jìn)出口處水頭損失值修正。

根據(jù)以上計算各工況下出口的水力坡降J均小于允許水力坡降0.15，說明出口處不會產(chǎn)生滲透破壞。

6 閘室穩(wěn)定計算

閘室穩(wěn)定計算分別采用下列公式：

地基允許承載力 ［R］=300kPa

計算結(jié)果見表4。

表4 閘室穩(wěn)定計算成果表

通過計算，以上工況計算結(jié)果均滿足要求，基礎(chǔ)應(yīng)力均小于地基允許值，不會發(fā)生不均勻沉降及抗滑危險。

[1] 門頭溝新城防洪及河道治理專項規(guī)劃(2007～2020年）(評審稿).北京市城市規(guī)劃設(shè)計研究院,北京市規(guī)劃委員會門頭溝規(guī)劃分局

[2] 黑河溝水環(huán)境治理工程項目建議書(代可行性研究報告).北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院.2011.03

[3] 黑河溝水環(huán)境治理工程初步設(shè)計報告.北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院.2012.05

[4] 防洪標(biāo)準(zhǔn)(GB50201-94)

[5] 水閘設(shè)計規(guī)范(SL265-2001)