鐘燦文，鄭希娟，潘永慶，于 淼

紅英攔河閘除險加固工程氣盾閘設(shè)計

鐘燦文，鄭希娟，潘永慶，于 淼

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

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

氣盾閘；紅英攔河閘；除險加固；設(shè)計；遼寧省

0 引言

氣盾閘門系統(tǒng)是由鋼護板、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，使鋼護板升起與倒伏，以維持特定的水位高度，并可在設(shè)計水位內(nèi)實現(xiàn)任意水位高度的調(diào)節(jié)，且允許閘頂溢流。閘門全開時，門體全部倒臥在河底，可高效泄水。閘門全關(guān)閉時，可以蓄水，超過設(shè)定水位時，可形成溢流。

氣盾閘門系統(tǒng)利用橡膠氣囊支撐鋼護板擋水，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30年以上。組合式的設(shè)計和安裝，形成各自獨立的模塊單元，結(jié)構(gòu)簡單，抗震強，模塊重量輕，安裝省時省力，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月該閘進行了全面加固。將2扇人工翻板閘改為自動翻板閘，并對產(chǎn)生裂縫的工作橋橫梁進行了加固。重新更換了啟閉設(shè)備和閘門，并建立了配電室，同時對交通橋進行了加固。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，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行。

遼寧省鐵嶺市水利勘測設(shè)計院于2009年對紅英攔河閘進行了安全鑒定，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加固工程的初步設(shè)計工作，僅對2孔自動翻板閘及4孔不可翻閘門板的閘室設(shè)計進行說明。

2 工程設(shè)計

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，臨時性建筑物級別為5級。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計洪峰流量536 m3/s，設(shè)計洪水位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)合工程實際情況，綜合考慮投資、施工難易程度和運行管理等方面因素，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。除險加固設(shè)計擬定以下3種方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較，即拆除原有2孔自動翻板閘及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。因除翻板閘段除險加固設(shè)計方案不一致，其他工程結(jié)構(gòu)設(shè)計一致，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)計要求，也各有優(yōu)缺點，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟、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，社會風(fēng)險小，后期維護費用較少，運行管理相對便利。故選定氣盾閘方案為紅英攔河閘除險加固設(shè)計方案。

2.3 氣盾閘布置

紅英攔河閘為除險加固工程，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整體，與上游混凝土鋪蓋連接的斜坡式進口坡度為1.0∶2.5，進口前端頂高程為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 水力計算

2.4.1 過流能力計算

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

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)定計算

根據(jù)SL265-2001《水閘設(shè)計規(guī)范》，采用改進阻力系數(shù)法進行抗?jié)B穩(wěn)定復(fù)核。按最不利工況進行復(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，此時上游水位86.3 m，下游河床83.6 m，滲透水頭2.7 m，計算圖見圖1。

圖1 抗?jié)B穩(wěn)定計算圖（單位：m）

經(jīng)計算，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)定計算

計算工況與荷載組合：

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)計規(guī)范》，對閘室的抗滑穩(wěn)定、基底應(yīng)力、抗浮穩(wěn)定進行計算，結(jié)果見表4，5。

表4 氣盾閘段閘室穩(wěn)定計算成果表

表5 氣盾閘段閘室基底應(yīng)力計算成果表

由以上計算成果可以看出，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。氣盾閘鋼護板可對于任意位態(tài)凸懸於其下的氣囊起保護作用，使氣囊免受浮冰、浮木及碎屑、礫石的破壞。同時可充分利用現(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"> ［文獻標(biāo)識碼］B

B

1002—0624（2017）12—0001—03

2017-07-28