李 禮

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

0 引言

隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)及城市功能的發(fā)展和完善，景觀壩在河流整治、城市供水、生態(tài)水系等方面得到較好的應(yīng)用。攔河閘壩屬于低水頭建筑物，在具有防洪、排澇等基本功能的同時(shí)，還應(yīng)滿足美觀、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境生態(tài)等要求。閘壩工程的建設(shè)，能夠開(kāi)發(fā)水資源利用，形成“水凈、岸綠、湖美”的水生態(tài)環(huán)境，提升城市品位，營(yíng)造人水和諧的氛圍。

為順應(yīng)景觀壩的要求，液壓升降壩逐漸應(yīng)用到城市河流的治理中。該閘壩是一種利用三角支撐原理、結(jié)合臥倒式閘門(mén)特點(diǎn)而形成的新型景觀壩，其構(gòu)造由壩面、液壓桿、支撐桿、液壓缸和液壓泵站組成[1]。液壓升降壩具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、降壩時(shí)間短、景觀效果好等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速實(shí)現(xiàn)立壩溢流、塌壩行洪的目的。作者探究液壓升降壩底板鉸支座受力特性，對(duì)同類工程的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并有助于該閘壩的推廣與應(yīng)用。

1 工程概況

某工程為城市河道整治項(xiàng)目，確定防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，建筑物等級(jí)為Ⅳ等4級(jí)。該工程為堤內(nèi)全斷面蓄水，壅水壩采用利于行洪、蓄水的液壓升降壩，由上游鋪蓋段、液壓壩段、消力池段及海漫段組成，總長(zhǎng)29.3～51.0 m。

蓄水區(qū)域內(nèi)共布設(shè)2座蓄水閘壩，每座壩均由主壩和副壩組成。其中，主壩位于河中間主槽內(nèi)，閘門(mén)高度分別為3.7 m、5.0 m；副壩位于兩側(cè)灘地，閘門(mén)高度均為2.0 m。壩體由多扇閘門(mén)串聯(lián)組成，單扇閘門(mén)長(zhǎng)度6.0 m。每扇閘門(mén)背后均布置兩個(gè)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，壩體面板底部以鉸鏈軸固定在壩的基礎(chǔ)上，通過(guò)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的伸縮帶動(dòng)閘門(mén)作扇形上升、下降運(yùn)動(dòng)，液壓升降壩結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 液壓升降壩結(jié)構(gòu)示意圖

2 計(jì)算結(jié)果

本文首先建立液壓壩鉸支座作用力的計(jì)算模型，并對(duì)其求解方程進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而分析壩高2.0 m、3.7 m、5.0 m三種液壓壩在各工況下底板鉸支座受力特性，最后求得底板鉸支座預(yù)埋件設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.1 計(jì)算模型

蓄水壩由多扇閘門(mén)串聯(lián)形成，每扇閘門(mén)可獨(dú)立升降，因而作者選取單扇閘門(mén)作為分析對(duì)象進(jìn)行受力分析。閘門(mén)寬6 m，由鋼筋混凝土材料制作而成，門(mén)體容重選取25 kN/m3，重7.15 t；閘門(mén)背后兩液壓桿重量相對(duì)較輕，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響甚小，可忽略不計(jì)。閘門(mén)厚度通常較薄，為防止門(mén)體撓度過(guò)大及制造加工方便，門(mén)體立壩時(shí)最大角度為75°。

圖2 液壓升降壩受力示意圖 單位：mm

由于各液壓壩構(gòu)造及運(yùn)行原理基本一致，建立統(tǒng)一的求解方程，使得計(jì)算條理清晰、通俗易懂，并且大幅減少工作量。因此，以2 m高液壓壩堰上最大水頭0.5 m工況為例求解計(jì)算方程，圖2為高2 m液壓壩最高水位工況下結(jié)構(gòu)受力示意圖。由圖可列求解公式（1）～（6）如下：

水壓力至鉸點(diǎn)B的力臂L′=e-Scosθ；

S1=為壩高，H3為堰上水頭0.5 m，HW為堰前水深，F(xiàn)A為閘門(mén)受到的作用力，F(xiàn)B為兩個(gè)液壓支撐桿受到的作用力，為單個(gè)閘門(mén)鉸支座受到的作用力，為單個(gè)液壓桿鉸支座受到的作用力，詳細(xì)符號(hào)含義見(jiàn)圖2。假定X方向順?biāo)鞣较驗(yàn)檎?，Y方向垂直向上為正，經(jīng)計(jì)算求得：水壓力FW=186.23 kN；鉸支座受到的作用力

2.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證計(jì)算模型是否合理可信，本文求得液壓桿與閘底板夾角 β=59.81°，并計(jì)算各方程式（7）～（9）：

由上述計(jì)算可見(jiàn)，計(jì)算值與驗(yàn)證結(jié)果誤差小于0.89‰，表明計(jì)算模型合理可信，求解方程正確，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

2.3 計(jì)算分析

考慮到液壓升降壩枯水期立壩蓄水及汛期塌壩行洪的運(yùn)行特點(diǎn)，將液壓壩分為立壩和塌壩兩種情況進(jìn)行分析。在立壩溢流情況下，堰上水頭分別為0.5 m、0.4 m、0.3 m、0.2 m、0.1 m、0.0 m 共 6個(gè)工況；在塌壩行洪情況下，閘門(mén)每降低10°為一個(gè)工況，直至閘板塌平,共6個(gè)計(jì)算工況。

作者采用方程式（1）～（6）計(jì)算各工況下壩高2.0m、3.7 m、5.0 m液壓壩底板鉸支座作用力，表1為壩高3.7 m各工況下閘底板鉸支座受力情況。

表1 壩高3.7 m液壓壩底板鉸支座作用力

3）隨著壩前水位的增高，底板兩個(gè)鉸支座的作用力基本上符合逐漸增大的規(guī)律，并且堰上水頭0.5 m工況為最不利工況。

4）在堰上水頭0.5 m工況下，壩高2.0 m、3.7 m、5.0 m的閘底板鉸點(diǎn)A受到的作用力分別為50.18 kN、149.76 kN、262.17 kN，表明隨著液壓升降壩壩高的增加，閘底板鉸支座作用力也在逐漸增大。

2.4 預(yù)埋件計(jì)算

根據(jù)上述分析可知壩高2.0 m、3.7 m、5.0 m液壓壩底板鉸支座作用力大小及方向，計(jì)算求得底板鉸支座預(yù)埋鋼板厚度t、鋼筋直徑D、數(shù)量n2及預(yù)埋深度la，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)壩高2.0 m、3.7 m、5.0 m的液壓升降壩底板鉸支座作用力計(jì)算分析得到以下結(jié)論：

1）本文建立的計(jì)算模型合理可信，求解方程正確，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

表2 液壓壩底板鉸支座預(yù)埋鋼筋計(jì)算表

2）立壩運(yùn)行時(shí)閘門(mén)鉸支座受到斜向下游的拉力作用，液壓支撐桿鉸支座受到斜向下游的壓力作用。

3）在降壩行洪過(guò)程中閘門(mén)鉸支座的壓力方向斜向下游，液壓支撐桿鉸支座的壓力方向自斜向下游轉(zhuǎn)變?yōu)樾毕蛏嫌巍?/p>

4）堰上水頭0.5 m工況為液壓升降壩最不利工況，隨閘門(mén)設(shè)計(jì)高度的增加，閘底板鉸支座受到的作用力則逐漸增大。