楊 珂,呂 琦,王 凡,張 博,高 珍

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概況

渭河楊凌示范區(qū)河道水面及灘面整治植綠工程(以下簡稱渭河水面景觀工程)位于陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)渭河干流上，主要任務是在保障渭河防洪安全的前提下，對工程區(qū)河道進行綜合整治，營造城市生態(tài)蓄水景觀，改善城市區(qū)域水生態(tài)環(huán)境，提升城市生活品質(zhì)。工程主要包括5孔氣動盾形閘工程、左岸護灘工程、右岸護灘工程、河道疏浚工程及泵站工程。

本工程屬于Ⅳ等小(1)型；主要建筑物4級，次要建筑物均為5級。主體工程為5孔氣動盾形閘壩，單孔閘壩過流寬度90 m，5孔合計450 m寬，閘壩擋水高3 m，閘室段過流面高程為435.50 m，壩頂高程為439.50 m，壩頂長度合計461.60 m。正常蓄水位(438.50 m)庫區(qū)回水長度約3 750 m，水域面積168.3 hm2(2 524畝)。本工程壩址下游約4.152 km處已建有2號橡膠壩，回水與氣動盾形閘壩相接，形成連續(xù)水面。工程于2017年9月8日蓄水成功。

已建成的楊凌渭河水面景觀工程氣動盾形閘壩為目前國內(nèi)過流流量最大、跨度最長及形成水域面積最大的跨河水利工程。

2 設(shè)計重難點及創(chuàng)新點分析

渭河壩址區(qū)河床寬715.0～870.0 m，多年平均輸沙量總量10 363萬t，多年平均推移質(zhì)輸沙量為207萬t，是多泥沙河流,具有多泥沙特性和攔河壩大跨度、低水頭等特點，設(shè)計重點、難點問題主要包括：① 壩型、壩體材料的選擇；② 蓄水區(qū)泥沙淤積問題；③ 壩址區(qū)河床左、右側(cè)不對稱問題；④ 汛期泄洪消能問題；⑤ 壩體過流中泥沙對壩身的影響；⑥ 壩基防滲問題；⑦ 長跨度壩體檢修問題。

3 氣盾壩可達性研究

氣動盾形閘壩的可達性主要是對渭河多泥沙、大流量等特性的適應性，對作為城市河流水景觀工程與環(huán)境的協(xié)調(diào)性研究。氣動盾形閘壩主要由固定在壩底的弧形鋼制壩板、橡膠氣袋、基礎(chǔ)錨固螺栓和一套氣動充排氣系統(tǒng)組成，擋水的弧形鋼壩由6～8 m鋼板拼接而成，鋼板與鋼板之間采用P型止水。氣動盾形閘壩采用弧形鋼制壩板擋水，氣囊隱藏在盾板之后支撐鋼板，避免了鋼壩閘和橡膠壩的缺點，兼有兩者的優(yōu)點。

氣動盾形閘壩較鋼壩、液壓壩等在汛期斷電情況下，可自行排氣塌壩，且不存在液壓油泄露問題，安全性及環(huán)保性能相對較高。在水景觀、使用壽命、快速塌壩拉沙等功能上強于傳統(tǒng)橡膠壩。對比國內(nèi)外氣盾壩技術(shù)及經(jīng)濟指標，該工程選擇國產(chǎn)氣盾壩壩型，在保證工程質(zhì)量的基礎(chǔ)上，大大降低了工程造價，滿足工程可達性要求。

4 氣動盾形閘壩設(shè)計

該工程氣動盾形閘布置于渭河的主河床上，上下游由引渠段、閘室段、消力池段、海漫段組成，全長約192 m左右。壩體布置見圖1、2。

圖1 壩體平面布置圖

圖2 壩體縱剖面圖 單位：cm

4.1 壩址的選擇、閘壩底板高程的確定

該工程在充分考慮了河段整體地形條件、壩址河床地形、地質(zhì)、上游壩址回水，水面景觀以及施工期土方量等因素，滿足上下游河道平順要求，將氣動盾形閘壩布置在距已建成2號橡膠壩約4.152 km處。

根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》要求“壩底板高程應根據(jù)地形、地質(zhì)、水位、流量、泥沙、施工及檢修條件等確定，宜比上游河床地形平均高程適當提高0.3～0.6 m”。由于2號橡膠壩已建，其過流面高程為432.70 m，正常蓄水位為436.00 m，立壩時溢流水位最高為436.50 m左右、塌壩時按小流量運行時水位為433.50～434.00 m。設(shè)計過流面高程考慮到該工程在2號橡膠壩回水水位下進行檢修的要求，綜合考慮以上因素確定渭河水面景觀工程閘壩閘室段底板過流面高程為435.50 m。

4.2 堰閘段設(shè)計

氣動盾形閘閘室段順水流方向長12 m，分5孔，單孔孔口寬90 m，底板以上壩高3 m，泄流總寬為450 m。氣動盾形閘中墩為縫敦，厚1.2 m，兩岸邊墻采用扶臂式擋墻結(jié)構(gòu)。閘室段底板厚度1.8～1.6 m，上下游設(shè)計1.2 m深齒槽、60 cm厚的混凝土防滲墻，左側(cè)深泓段、右側(cè)灘槽段防滲墻基礎(chǔ)深度分別為8.5 m和6 m，防滲墻插入閘室底板混凝土0.2 m(連接部位采用SR柔性填縫材料填充)，防滲墻向兩岸壩肩延長20 m。堰閘段設(shè)計剖面見圖3。

考慮到氣動盾形閘泄洪流態(tài)、枯期檢修以及導流問題，各壩段之間下游布置有中隔墻，承擔枯水期導流以及后期深泓段、灘地段過流分割流態(tài)的任務，中隔墻高2.5 m，順消力池體型布置。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，考慮到大跨度長距離壩體檢修問題，首次采用氣動盾形閘門與充氣壩袋分離螺栓錨固體型，可保證分離檢修更換、后期維護和檢修。

圖3 堰閘段剖面圖 單位：cm

4.3 消能防沖設(shè)計

氣動盾形閘壩立壩蓄水，下泄徑流流量，汛期塌壩泄洪，下泄設(shè)計洪水。壩體塌壩后，雖不影響泄洪，但在壩址處，由于河床斷面的束窄，已經(jīng)改變了河道天然流態(tài)，同時不同運行工況下水流條件較復雜，不穩(wěn)定的水流會引起對下游河道的沖刷、淘刷，故消能防沖設(shè)計很有必要。

氣動盾形閘采用底流消能，消力池形式為下挖式消力池，總長43 m，總寬462.00 m。根據(jù)水力學計算初步確定坎高為1 m，消力池中部及下游設(shè)置1 m深的齒槽。消力池采用距形斷面，根據(jù)抗沖及抗浮計算，消力池底板左側(cè)深泓段、右側(cè)灘槽段厚度分別按1.0 m和0.8 m進行設(shè)計，消力池設(shè)有縱橫向結(jié)構(gòu)縫，縫面設(shè)銅片止水及BW-Ⅱ止水條。為減小消力池底板的厚度，同時降低消力池底板揚壓力，滿足底板抗浮穩(wěn)定要求，消力池底板采用透水底板，設(shè)計?50 mm排水孔、間排距3.0 m。為了滿足下游消能抗沖要求，消力池末端設(shè)置60 cm厚度的防沖墻，根據(jù)計算防沖墻深度設(shè)計底高程為422.50 m(后期根據(jù)水工模型試驗成果進行局部修改)。防沖墻向兩岸壩肩延長5 m。消力池后接4.2 m長的混凝土護坦及39 m長的格賓籠石海漫段，護坦及海漫段寬度與消力池一致均為462.00 m。海漫段后以1∶5的斜坡與下游河床相接。消力池縱剖面見圖4。

結(jié)合以上布置，分別對不同流量下整體塌壩、立壩，局部塌壩、立壩多種組合進行了水工模型試驗驗證。5孔氣動盾形閘全部塌壩運行時，壩底板、閘墩對河道過流影響較小，樞紐上下游水流流態(tài)及水位仍保持河道水流特性。樞紐上下游水流過渡平順，水面平穩(wěn)；樞紐上游沒有形成明顯壅水，過閘水流沒有形成急流和水躍。5孔閘壩部分立壩、部分塌壩運行對壩體上下游水流流態(tài)及流速分布均產(chǎn)生較大影響。5孔閘壩立壩運行對氣動盾形閘上下游水流流態(tài)及流速分布影響最大。在各運行工況下，護坦下游均形成不同程度擾動沖刷坑，沖刷坑最深點高程430.50 m，最大深度4.50 m。

4.4 基礎(chǔ)處理設(shè)計

在壩基及消力池基礎(chǔ)設(shè)厚度為1.0 m的碎石墊層，以緩解基礎(chǔ)砂礫石不均勻帶來的基礎(chǔ)變形不協(xié)調(diào)問題。

由于砂礫石基礎(chǔ)的承載力相對較弱，閘室段、消力池段分別采用各3排(上下游方向均布)、深度6 m的?800碎石振沖樁(間距2 m，2～8 cm卵石)以及基礎(chǔ)填筑1 m厚的碎石換填(相對密度不小于0.75)解決基礎(chǔ)均一性并提高基礎(chǔ)承載能力。

4.5 防滲設(shè)計

砂礫石基礎(chǔ)相對透水率較高，為避免基礎(chǔ)滲透破壞，在閘壩混凝土基礎(chǔ)上布置混凝土防滲墻(防滲墻中心線壩下0+000.80 m)，防滲墻厚度為60 cm，左側(cè)深泓段、右側(cè)灘槽段防滲墻基礎(chǔ)深度分別為8.5 m和6 m，向兩岸延伸20 m,沿壩軸線方向總長度為525.60 m。為保證防滲墻自身結(jié)構(gòu)安全，防滲墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

圖4 消力池縱剖面圖 單位：cm

4.6 充排氣管路布置

壩址區(qū)左岸布置空壓控制站，通過頂管施工，對氣動盾形閘進行充排氣控制。閘壩充排氣泵站設(shè)一套充排氣系統(tǒng)及管路系統(tǒng)，通過閥門切換來控制充排氣。閘壩分5個壩段，每孔壩段長90 m，每6 m設(shè)計1個強化氣袋，每個強化氣袋采用1個(4.8 cm直徑的不銹鋼管)充排氣口，450 m長合計75個強化氣袋，共設(shè)3臺微油螺桿空壓機(13.4 m3/min、0.7 MPa、75 kW)。

5 運行方式

該工程屬城市河流蓄水工程，運行時應盡量減少泥沙淤積，并利用洪水過程有效地沖淤排沙。運行原則為：① 工程管理充分利用渭河水情預報系統(tǒng)進行洪水預報；② 主汛期(7-9月)不蓄水，全河道過洪；③ 非汛期均立壩蓄水，根據(jù)各月份輸沙量統(tǒng)計，10月份，1、2號壩段氣動盾形閘塌壩運行排沙，3～5號壩段氣動盾形閘立壩運行，處于1/3立壩蓄水狀態(tài)，庫區(qū)景觀水位處于波動狀態(tài)，11月-次年3月，泥沙較小，1～5號壩段氣動盾形閘全部立壩運行。④ 為確保氣盾壩安全運行，壩頂溢流水深控制不超過0.5 m；⑤ 工程立壩蓄水安排在10月初泥沙減少時，運行原則為10月及11月-次年3月方式。

6 結(jié) 語

該工程為解決防洪、泥沙、景觀及大跨度閘壩控制調(diào)度問題，創(chuàng)新性地啟用了氣動盾形閘壩，并改進以往氣盾壩設(shè)計思路，設(shè)計首次采用氣動盾形閘門與充氣壩袋分離螺栓錨固技術(shù)，大大提高后期檢修效率。結(jié)合工程區(qū)主河床左右側(cè)沖刷河道不對稱性，合理提出防滲及消能方案，同時提出創(chuàng)新性的塌壩、立壩運行方案解決行洪及庫區(qū)泥沙淤積問題。

已建成渭河水面景觀工程氣動盾形閘壩為現(xiàn)今中國過流流量最大、跨度最長及形成水域面積最大的跨河水利工程。

該項目要求水利工程建設(shè)在滿足常規(guī)功能的基礎(chǔ)上，還要與城市環(huán)境相協(xié)調(diào)，符合生態(tài)化、景觀化的要求，成為人文景觀。氣動盾形閘門系統(tǒng)水景觀效果好、構(gòu)造簡單、施工期短、環(huán)保性強、易于維護、使用壽命長、安全可靠，各方面優(yōu)勢明顯，為中國水利工程建設(shè)提供了新的設(shè)計理念，社會經(jīng)濟效益和生態(tài)效益顯著。