李 權

(中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

1 鋼壩工作原理

鋼壩是一種能夠實現(xiàn)雙向擋水、靈活啟閉、閘門開度無級可調、方便調度、工程隱蔽、無礙防汛和通航、改善河道景觀的新型溢流壩體，它由土建結構、金屬結構、啟閉機室、控制室等組成。

金屬結構主要由門葉、底軸、鉸座、拐臂等組成。門葉是由鋼板、鋼梁焊接而成的連續(xù)擋水板，門葉與底軸、底軸與拐臂均為剛性連接，底軸通過帶軸承的鉸座固定在底板上。拐臂與位于啟閉機室的液壓啟閉機活動連接。啟閉機通過拐臂驅動底軸旋轉，從而帶動門葉翻轉。

底軸與底板、門葉與兩端側墻之間均設止水裝置，保證鋼壩運行過程中壩體不產生漏水。見圖1-圖3。

圖1 鋼壩金屬結構組合示意圖

圖2 閘孔橫斷面示意圖

圖3 啟閉機室橫斷面示意圖

2 鋼壩整體布置

鋼壩閘孔總寬度需綜合考慮過流能力、河道寬度、景觀要求等因素。根據實踐經驗，目前國內鋼壩單孔閘門最大寬度不超過50 m。如閘孔總寬較大，可通過考慮增設中墩，采用多孔布置。閘孔數(shù)量的確定需綜合考慮閘室過流能力、結構穩(wěn)定、投資經濟、管理維護方便等因素。

每孔閘室兩側需布置啟閉機室，啟閉機室寬度需滿足啟閉機安裝、檢修及附屬設施布置要求，左右壩肩啟閉機室寬度一般為2～3 m，中墩(兼做相鄰兩孔閘室啟閉機室)寬度一般為4～5 m。

鋼壩由于其特殊的運行方式，對結構不均勻沉降較為敏感。根據國內相關研究[1]，當?shù)纵S變位超過2 mm時，底軸受力瞬間陡增，甚至抱死，引起設備及結構破壞，故鋼壩設計中應充分考慮結構的不均勻沉降問題。當閘室寬度較小時，盡量采用整體式底板；當閘室寬度較大，超過規(guī)范[2]允許的分段上限時，經技術論證，也可采用分離式底板，底板間可考慮采用鍵槽縫、騎縫筋等消除不均勻變位的措施。無論底板如何布置，均應做好地基處理工作。

3 鋼壩相關計算模型與方法

3.1 水力計算

鋼壩水力計算內容主要包括泄流能力計算和下游消能計算。

3.1.1 泄流能力計算

鋼壩正常擋水溢流時，其門葉直立在河道內，可近似當做薄壁堰處理[3]；河道過洪時，門葉橫臥于底板上，不侵占行洪斷面，門葉可與底板看做一個整體，當做寬頂堰處理。

無論哪種堰型，其泄流能力均可按下式[4-5]進行計算：

式中：ε為側收縮系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)；b為堰寬，m；m為流量系數(shù)；n為閘孔數(shù)目；H0為計入行進流速的堰上總水頭，m。

鋼壩正常擋水溢流時，為減小壩頂過流產生明顯的震動，壩頂溢流水深宜控制在0.5 m以內。

門葉橫臥于底板上時，閘室的最大過流能力應大于壩體所在河段的最大設計洪峰流量。

3.1.2 消能防沖計算

鋼壩的消能工布置應根據其運用條件選擇最不利的水位和流量組合，按水閘設計規(guī)范[2]進行計算。一般分為以下3種工況：

工況一：壩頂最大溢流工況

上游水位為壩頂高程加壩頂溢流水深，下游水位為相應計算水位。

工況二：敞泄工況

門葉全部橫臥于底板上，上下游水位為相應計算水位。

工況三：上游水位驟降工況

門葉降落瞬間，上游蓄水頃刻下泄，此時壩體單寬流量、上下游水頭差均較大，對于消能工而言屬于最不利工況。

上游水位驟降屬于小概率事件，按其運行條件布置下游消能工往往不太經濟，可通過控制門葉的下降速率等措施改善泄水條件。通過比較壩頂溢流和閘孔敞泄選擇下游消能工的控制條件即可滿足一般項目的需求。

消能工的布置除應滿足消能防沖要求外，還應考慮采取減輕和防止壩體震動的措施。對于壩頂經常溢流的工程，壩后宜設陡坡與下游消能工銜接。

3.2 金屬結構計算

鋼壩金屬結構的強度計算目的為確定鋼材規(guī)格和厚度，明確受力關鍵部位，作為設計、制造、安裝、運營及維護的參考。

3.2.1 門 葉

門葉可簡化為固定在底板上的懸臂板，主要受靜水壓力、動水壓力和門體自身重力。

門葉強度應滿足閘門在不同開度及不同溢流水深的各組合工況下均能安全運行。

根據工程實踐，門葉的薄弱部位主要為其焊縫位置，設計施工時應予以高度重視。見圖4。

圖4 門葉強度計算受力分析圖

3.2.2 底 軸

底軸的主要受力情況有兩種。

1) 門葉由靜水壓力和自重共同作用，對底軸產生力偶，液壓啟閉機的推力通過拐臂對底軸產生阻抗力偶，這兩個大小相等、方向相反的力偶，使底軸發(fā)生繞軸線的相對轉動，產生扭轉變形。

天葬師此時身體尚未完全直起，眼見上方黑影一晃，一道黑芒掛著尖銳的破空聲插下，他心知不妙，急忙向旁擰身躲避，卻終究慢了一步。

2) 底軸通過軸承固定在鉸座上，在水平方向受水推力作用，垂直方向受自重與水壓力的組合作用，可簡化為不等跨連續(xù)梁在垂直和水平荷載共同作用下的彎曲變形問題。

故底軸的強度計算屬于扭轉與彎曲的組合問題，可根據材料力學方法[6]進行強度計算。

3.2.3 液壓啟閉機

液壓啟閉機強度計算目的是確定其所需的最大推力，方便設備選型。可按平衡門葉各運行工況對底軸施加的力矩反推啟閉機的所需推力，啟閉機型號不可選擇過大，考慮一定的安全富余即可，防止門葉或底軸因意外卡?；虮罆r過大的啟閉力對結構造成損害。

3.3 閘室結構計算

鋼壩各工況所受的力，均通過底軸和鉸座傳遞給閘室底板。閘室底板除受閘門傳遞的力外，還應考慮不同荷載組合下的結構自重、水重、靜水壓力、揚壓力、土壓力等[2]。

閘室底板也可簡化為不等跨連續(xù)梁在垂直和水平荷載共同作用下的受彎問題，按彈性地基梁進行結構分析計算[7]。

3.4 其他計算

其他相關計算，如滲透壓力計算、地基計算等可參考《水閘設計規(guī)范》[2]進行。

4 細節(jié)設計

4.1 集水坑

啟閉機室的滲水主要來自3個方面：底軸下穿邊墻的孔洞部位；邊墻、底板的裂縫、施工縫、變形縫等縫隙部位；上部蓋板漏水等。

啟閉機室滲水量一般不會太大，1臺小型潛水泵即可滿足要求，根據工程等級和實際需要也可布置為1用1備，并配置浮球式液位開關，做到自動控制。

4.2 換氣孔

啟閉機室內的環(huán)境相對潮濕和封閉，檢修人員進入后很可能因缺氧而產生眩暈等癥狀，設計時應考慮預留一定尺寸的換氣孔，用于交換機室內外的空氣。

換氣孔可布置在機室迎水側邊墻設計洪水位以上，也可直接布置在蓋板上。見圖5。

圖5 邊墻換氣孔

4.3 補氣措施

鋼壩門頂過流過程中，門后會產生負壓，從而產生氣蝕和震動，尤其對于北方河道，河道下游水位較低，這種現(xiàn)象更為明顯。

可通過在門葉上設置破水器，或在兩側邊墻設置通氣孔的方式進行補氣。

通氣孔不同于換氣孔，換氣孔為連接啟閉機室內外環(huán)境的換氣管道，多為水平布置；而通氣孔是連接壩后水簾下負壓空腔與外部環(huán)境的補氣管道，多為豎向布置。見圖6。

圖6 壩頂破水器和壩后通氣孔

4.4 側向止水

門葉的側向止水安裝在閘門的兩側，通過與側墻的擠壓達到止水的目的。

為延長側向止水的使用壽命和達到理想的止水效果，側墻的止水貼面必須光滑、平整。常見的側向止水貼面有大理石和不銹鋼鋼板，大理石可通過砂漿直接粘貼在邊墻上，不銹鋼鋼板則需要與預埋件焊接固定。大理石貼面在北方容易遭受凍融破壞而剝落，故北方地區(qū)宜使用不銹鋼鋼板貼面，南方地區(qū)可根據當?shù)夭牧瞎闆r靈活選擇。見圖7。

根據工程實踐，鋼壩邊墻在澆筑時經常因為模板固定不牢靠或澆筑方法不當，導致外立面不平整甚至傾斜，安裝貼面時二次鑿削邊墻混凝土，費時費料，設計及施工時均應引起一定的重視。

圖7 門葉側向止水實景(大理石貼面)

4.5 檢修通道

鋼壩啟閉機室由于布置在閘門兩端，可根據以下情況設置檢修通道：

1) 利用壩址區(qū)現(xiàn)有交通道路。當壩體沒有中墩，兩岸交通較為便利，檢修人員能及時通往兩岸壩肩的啟閉機室時，可利用壩址區(qū)現(xiàn)有交通道路，無需單獨布置檢修通道。

2) 壩頂設置交通橋，兼顧兩岸交通。當壩體設有中墩，兩岸交通不便時，可考慮在壩頂設置交通橋連接各啟閉機室，也可作為兩岸的交通便道。見圖8。

圖8 中墩頂部交通橋實景

3) 壩體底板設置交通廊道。當壩體設有中墩，兩岸無其他交通需求時，可考慮在壩體底板內設置交通廊道。見圖9。

這種布置方式既可減少壩體混凝土用量，又能結合交通廊道統(tǒng)一收集各啟閉機室滲水，簡化抽排水系統(tǒng)。

4.6 景觀設計

1) 挑水構件。門葉頂部的挑水構件不僅有破水補氣的功能，更有營造動水效果的作用，可通過設置固定或活動的挑水構件，合理設置其大小間距，在壩頂過流時形成豐富的流水景觀。

2) 門葉背部裝飾。在季節(jié)性河流的枯水季，鋼壩正常擋水時其門葉背部經常裸露，可結合工程區(qū)的傳統(tǒng)文化和民俗特色，在門葉背部進行景觀噴涂或材料裝飾，能起到很的景觀效果。

3) 景觀照明。在水流穩(wěn)定的情況下，通過在壩后設置景觀照明燈，燈光投射在水簾上，可營造出流光溢彩般的夜景效果。見圖10。

圖10 壩下照明實景

4) 音樂噴泉鋼壩。目前的新型鋼壩可以做到在門葉內安裝噴水系統(tǒng)和景觀照明等設備，輔以室外音響效果，集中控制，構成集聲、光、電、音為一體的音樂噴泉鋼壩，在夜晚可營造出絢麗多彩的視聽氛圍。見圖11。

這種壩體也有曝氣充氧、促進區(qū)域水體流動、凈化水質的作用。

圖11 音樂噴泉鋼壩實景

5 結 語

1) 鋼壩對地基的不均勻沉降較為敏感，設計中要做好底板的布置工作，并做好地基處理。在鉸座的選型與布置上要科學合理，鉸座與底軸的連接不可過于封閉，應預留適當?shù)淖冃慰臻g。

2) 可根據門葉的啟閉情況將鋼壩簡化為薄壁堰或寬頂堰，按堰流進行水力計算；門葉可簡化為固定在底板的懸臂板，按受彎構件進行計算；底軸受力屬于扭轉與彎曲的組合問題，可根據材料力學方法進行強度計算；閘室底板可簡化為不等跨連續(xù)梁在垂直和水平荷載共同作用下的彎曲變形問題，按彈性地基梁進行結構分析計算。

3) 可通過在壩頂設置破水器或邊墻設置通氣孔的方式防止壩體過水時發(fā)生氣蝕和震動；由于啟閉機室環(huán)境相對潮濕和封閉，設計中可通過設置換氣孔或“天窗”的形式進行換氣。

4) 側向止水貼面應充分考慮冬季凍融的影響，并在結構設計時預留足夠的貼面空間。

5) 根據工程總體布置，結合實際需要，靈活設置壩體的檢修通道。

6) 鋼壩設計中還應注重景觀元素，可通過挑水構件、門葉裝飾、景觀照明、音樂噴泉等手段豐富水體景觀。