齊靜，高蛟

（1.海河水利委員會科技咨詢中心，天津300170；2.水利部河北水利水電勘測設計研究院，天津300250）

秦皇島市戴河綜合治理工程新建景觀蓄水性建筑物型式比選確定

齊靜1，高蛟2

（1.海河水利委員會科技咨詢中心，天津300170；2.水利部河北水利水電勘測設計研究院，天津300250）

新建景觀蓄水性建筑物位于秦皇島市開發(fā)區(qū)戴河景觀段的中樞部位，它不僅承擔著非汛期攔河蓄水及汛期行洪的重要任務，而且又要與整個開發(fā)區(qū)戴河上下游景觀河道建設融為一體，形成戴河景觀的一個重要節(jié)點。為了與周邊環(huán)境和諧統(tǒng)一、提高區(qū)域品質，分別對橡膠壩方案、傳統(tǒng)水閘方案、新型水閘方案進行了優(yōu)選。采用集成式液壓啟閉機的新型水閘能夠很好地滿足區(qū)域景觀規(guī)劃要求，因此新型水閘方案為推薦方案。

新型水閘；集成式液壓啟閉機；景觀規(guī)劃

1 工程概況

戴河是北戴河地區(qū)的母親河，發(fā)源于河北省撫寧縣，流經(jīng)秦皇島市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)、北戴河區(qū)后入海，全長40 km，流域面積290 km2，是冀東沿海獨流入海河流之一。秦皇島市戴河（開發(fā)區(qū)段）綜合治理工程包括戴河中上游干流及深河支流治理兩部分，治理段總長約11.26 km，其中戴河主河道全長約6.29 km、深河治理全長約4.97 km。工程治理的目的是使戴河、深河滿足清污和防洪的基本要求，并結合河道兩岸景觀改造新建蓄水閘壩，使治理后的戴河、深河能夠蓄水并形成連續(xù)水面，美化地區(qū)環(huán)境，恢復健康的生態(tài)系統(tǒng)。

秦皇島市戴河（開發(fā)區(qū)段）綜合治理工程中戴河干流和深河支流因為所流經(jīng)開發(fā)區(qū)規(guī)劃區(qū)域功能的不同各自分成景觀段與非景觀段。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、城市化進程的加快以及人民生活水平的改善，人們對生活環(huán)境的要求日益提高，更講求生活質量，在城市水利建設園林化方面有了更高的要求。高家店村攔河蓄水建筑物位于戴河開發(fā)區(qū)景觀段的中樞部位，設計樁號5+617，不僅承擔著非汛期攔河蓄水及汛期行洪的重要任務，而且又要與整個開發(fā)區(qū)戴河上下游景觀河道建設融為一體，形成戴河景觀的一個重要節(jié)點，因此該建筑物的建設也應以滿足景觀布局為前提。建筑物所在地河道底寬約為130m，基本上為景觀河道的最寬處，其景觀建設的主要內容為：在構筑物上修建蜿蜒曲折的景觀亭廊及觀景平臺，打造一條貫穿整條河道的文化藝術走廊。人文景點建成后，游客置身于河道水中央，增加了親水感并充分體會戴河河道所帶來的自然美，為居民提供一個休閑、娛樂的好場所。建筑物設計洪水標準為戴河河道20年一遇，設計流量855m3/s，建筑物上游景觀水位9.0m、下游景觀水位7.0m。

2 建筑物型式確定

2.1 橡膠壩方案

橡膠壩是隨著高分子合成材料工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型水工建筑物，由高強度帆布作強力骨架與合成橡膠構成，錨固在基礎底板上，形成密封袋狀，既可滿足河道非汛期攔河蓄水、營造水面景觀的要求又可達到汛期塌壩行洪的目的。橡膠壩具有施工難度低，工期短，占用河道行洪斷面小，技術要求低，運行維修方便，抗震能力強等特點。

根據(jù)參考文獻[2]，橡膠壩塌壩行洪時按寬頂堰泄流考慮，按照橡膠壩泄洪能力計算公式，確定其所需凈寬為90m。橡膠壩設計沿軸線方向分為兩跨，單跨長45m，中間用中墩隔開，中墩墩厚1.0m，其底板對稱于中墩布置，長4.0m，厚1.2m；邊墩采用半重力式擋墻結構，以承擔來自墻后河道堤頂?shù)耐翂毫?。橡膠壩壩底板高程5.5m、厚1.0m，壩頂高程與景觀水位相齊平為9.0m，設計壩高3.5m，根據(jù)橡膠壩安裝、塌壩檢修要求及抗滑穩(wěn)定計算成果，確定底板順水流方向長度為14.0m，壩袋安裝在底板及中、邊墩前趾的錨固槽內；充排水泵房設置在河道左岸，壩袋充水方式采用動力方式，通過泵房內的水泵抽水至壩袋進行充水，并以溢流口高程控制壩袋內壓，其充水時間約為4 h。橡膠壩壩袋排水采用自排和機排相結合的方式，機排排水時間約為4 h，河水水位具備自排條件時可采用自排排水，當排至內外壓相同時，再用水泵將壩袋內水排出。為滿足在橡膠壩壩頂布置景觀亭廊及觀景平臺的景觀規(guī)劃要求，需要設計兩跨單跨45m的橋梁連接橡膠壩的中墩和邊墩，由于橋梁跨度較大，橋梁結構型式需采用箱梁，經(jīng)計算梁高為2m。

2.2 傳統(tǒng)水閘方案

傳統(tǒng)水閘由于所采用啟閉機不同而主要分為螺桿啟閉機和卷揚啟閉機，當水頭低、門體小、所需啟門力小時一般采用平板門，啟閉機采用螺桿啟閉機和卷揚啟閉機均可；當水頭較高、門體較大、所需啟門力較大時，一般采用平板鋼閘門或弧形鋼閘門，啟閉機采用卷揚啟閉機。高家店攔河蓄水閘在滿足河道行洪855m3/s要求時，閘室總凈寬90m，為減小中墩及閘門數(shù)量，增加閘室有效過流面積，閘室采用10孔4聯(lián)布置，每聯(lián)依次為2、3、3、2孔，單孔寬均為9m，閘底板高程為5.5m、厚1.2m，閘墩墩頂高程為11.5m、高6m，邊墩厚1.2m，中墩厚1.0m，縫墩厚0.8m，單孔閘門尺寸為9.0m×4.0m。由于閘門尺寸較大，因此傳統(tǒng)水閘方案需采用卷揚啟閉機啟閉弧形鋼閘門或者平板鋼閘門的方案，這兩種閘門型式均需要在閘墩墩頂設置排架，排架高度在4m左右，啟閉機需放置在排架頂板上的啟閉機房內。為滿足在閘墩墩頂布置景觀亭廊及觀景平臺的景觀規(guī)劃要求，需要在閘室排架下游設計10跨單跨9m的橋梁，由于橋梁跨度較小，橋梁結構型式需采用板梁，經(jīng)計算梁高為0.7m。

2.3 新型水閘方案

近些年來，液壓啟閉機在水閘中的應用日漸增多，尤其是江浙滬沿海發(fā)達地區(qū)，大型河道對閘上景觀布置有較高要求，當建筑物所需水頭較高、門體較大、所需啟門力較大時，液壓啟閉機應用更為普遍。液壓啟閉機的工作原理是用液壓泵把原動機輸出的機械能變?yōu)橐簤耗?，然后由管道、液壓閥入液壓缸，經(jīng)過液壓缸把液壓能變成工作機的機械能，從而驅動水工閘門完成啟門和閉門等動作。新型水閘方案閘孔布置采用同傳統(tǒng)水閘一致的10孔4聯(lián)布置，每聯(lián)依次為2、3、3、2孔，單孔寬均為9m，閘底板高程上游部分為5.5m、下游下臥槽部分為4.7m，槽深0.8m，水閘在啟門行洪時鋼閘門可以平放在下臥槽內；閘墩墩頂高程為11.5m，邊墩厚1.2m，中墩厚1.0m，縫墩厚0.8m，單孔閘門尺寸為9.0m×4.0m。閘門型式采用平面臥倒鋼閘門，啟閉機采用集成式液壓啟閉機。新型閘門采用的集成式啟閉機是一種機電液一體的新型啟閉機構，它以液壓缸為主體，是油泵、電動機、油箱、濾油器、液壓控制閥組合的總成，工作原理是以電機為動力源，電機帶動雙向油泵輸出壓力油，通過油路集成塊等元件驅動活塞桿來控制閘門的開關。集成式啟閉機同常規(guī)液壓站分體啟閉機相比，具有現(xiàn)場安裝工作量小、能耗小、啟閉機控制方式更加簡單可靠等特點。由于新型水閘閘門通過埋設于閘墩內的液壓桿件來控制，因此閘墩墩頂無需設置排架。

集成式液壓啟閉系統(tǒng)具有布置緊湊、承載力大，調速和換向方便，運行平穩(wěn)，容易實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點。整個閘室啟閉系統(tǒng)操控將通過位于河道左岸的中控室統(tǒng)一調控來實現(xiàn)，閘門控制采用分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，同時保留手動控制功能，通過建立一套視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用即時畫面監(jiān)視，提高閘站運行管理水平，增加了閘站運行管理的便利性。

3 方案優(yōu)選

橡膠壩方案雖然能夠滿足建筑物非汛期攔河蓄水及汛期行洪的要求，但建筑物景觀布置要求在每跨橡膠壩上布設板梁來作為上部亭廊的基礎，由于橡膠壩單跨45m，為大跨度箱梁結構，梁高需2m。大跨度高梁布置需加大橡膠壩中墩及邊墩的斷面面積并且采用灌注樁地基處理方式提高地基承載力，這樣不僅會增加工程總投資，更重要的是橋梁梁高遠遠超過了河道兩岸地面高程，景觀建筑物布置在高梁上，無法達到與周圍景觀的和諧統(tǒng)一。

弧形鋼閘門的啟閉均需要在閘墩上設置排架及啟閉機房，平板鋼閘門相對于弧形鋼閘門來說所需要的排架高度要高，對結構穩(wěn)定更為不利。閘墩上部排架及啟閉機房的布置總高度約為8m左右，遠遠超出了景觀亭廊的高度，也與景觀總體規(guī)劃要求水閘附近不允許有高大建筑物的原則相違背。

新型水閘與傳統(tǒng)水閘的不同點是：啟閉機采用集成式液壓啟閉機，閘門采用平面臥倒鋼閘門，打破了有閘必有排架和啟閉機房的常規(guī)，體現(xiàn)了一種新型設計理念，水流流態(tài)較好，自動化程度較高，運行管理方便可靠，能夠滿足戴河景觀建筑物布置的各項要求。集成式啟閉機同螺桿式、卷揚式啟閉機功能比較，見表1。

表1 集成式啟閉機和螺桿式、卷揚式啟閉機比較

4 新型水閘閘室布置

閘室分4聯(lián)布置，總計10孔，單孔9m，閘室總凈寬90m。閘室2個中聯(lián)均布置3孔，單個中聯(lián)底板寬度為30.8m；2個邊聯(lián)均布置2孔，單個邊聯(lián)底板寬度為21.1m，3聯(lián)閘室底板總寬為103.8m。閘室底板順水流方向長度為16.0m，為滿足閘門布置要求，其頂面采用折線布置，上游部分順水流方向長8.8m；底板頂高程為5.5m，其上游部分通過56 cm寬的斜坡過渡到底板閘門下臥槽，槽深0.8m，其底板頂高程為4.7m；汛期行洪時景觀蓄水閘閘門便臥倒在下臥槽內，下臥槽長6.64m，其底板頂高程為5.5m。各聯(lián)閘室閘墩在有閘門下臥槽部分高度均為6.8m，其余部分均為6.0m；閘門采用下傾式平板鋼閘門，啟動方式為液壓啟閉，閘門尺寸為9.0m× 4.0m。新型水閘閘室縱剖面，如圖1所示。

5 新型水閘閘室穩(wěn)定計算

新型水閘結構型式確定后，把邊聯(lián)閘室及中聯(lián)閘室各自作為一個整體計算單元，分別進行閘室穩(wěn)定計算，驗算新型閘室的閘室抗滑穩(wěn)定和基底應力情況。

5.1 荷載組合

景觀蓄水閘穩(wěn)定計算荷載組合，見表2。

圖1 新型水閘閘室縱剖面

表2 景觀蓄水閘穩(wěn)定計算荷載組合

5.2 穩(wěn)定應力計算

5.2.1 閘室抗滑穩(wěn)定計算

式中：Kc為沿閘基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；ΣG為作用在閘室上的全部豎向荷載（kN）；ΣH為作用在閘室上的全部水平向荷載（kN）；φ0為閘室基礎底面與土質地基之間的摩擦角（°）；C0為閘室基礎底面與土質地基之間的粘結力（kPa）；A為閘室基礎底面的面積（m2）。

5.2.2 中聯(lián)閘室基底上、下游邊緣垂直應力計算

5.2.3 邊聯(lián)閘室基底上、下游邊緣垂直應力計算

5.3 計算成果

中聯(lián)和邊聯(lián)的閘室穩(wěn)定應力計算成果，見表3-4。

表3 景觀蓄水閘中聯(lián)閘室抗滑穩(wěn)定和基底應力計算成果

表4 景觀蓄水閘邊聯(lián)閘室抗滑穩(wěn)定和基底應力計算成果

由表3-4可知，在采用新型水閘后，中聯(lián)及邊聯(lián)閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)遠遠大于其允許值；基底應力值偏低，在很大范圍內能夠滿足地基允許承載力要求。由此可見，新型水閘閘室結構能夠很好地滿足穩(wěn)定及應力要求。

6 結語

橡膠壩方案和傳統(tǒng)水閘方案均能夠滿足建筑物非汛期攔河蓄水、汛期塌壩及開閘行洪的要求，其不足之處是不能滿足建筑物所處區(qū)域的景觀規(guī)劃要求。采用集成式液壓啟閉機的新型水閘不僅在結構穩(wěn)定及地基應力方面很大程度上滿足了規(guī)范要求，更加重要的是達到了與周圍環(huán)境和諧統(tǒng)一的目的，特別是其液壓新技術（如同步技術、插裝技術、比例控制技術等）的成功運用將會使產(chǎn)品越來越能夠得到保障。由于液壓技術與電子技術相結合的優(yōu)勢，液壓啟閉機更加適應現(xiàn)代工程建設的發(fā)展要求，在要求較高的景觀規(guī)劃和建設方面新型的液壓啟閉機取代傳統(tǒng)的螺桿式、卷揚式啟閉機將成為趨勢。

全國各地城市，尤其是沿海旅游城市，都把在城市河道興建景觀建筑物作為改善城市環(huán)境，謀求社會、經(jīng)濟效益以及綜合開發(fā)城市河道及河道兩岸土地資源的主要措施之一。高家店村景觀蓄水閘作為一道景觀閘建成后將大大增強戴河河道的環(huán)境配置，提高環(huán)境競爭力，既能改善區(qū)域品質，又能帶動周邊建設項目的發(fā)展，對開發(fā)區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展將起到積極的推動作用。

[1]SL265-2001，水閘設計規(guī)范[S].

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[3]JTGD63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范[S].

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[11]馬文英，劉建中，李顯軍.水工建筑物[M].河南：黃河水利出版社，2003.

TV222;TV85

B

1004-7328（2014）03-0031-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.03.012

2014-01-15

齊靜（1979-），女，碩士，工程師，主要從事水利規(guī)劃、水資源方面研究工作。