張文欽,莊才寶

(1.山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250013;2.沂水縣跋山水庫管理處,山東 沂水 276400)

水閘是調(diào)節(jié)水位、控制流量的低水頭水工建筑物，是水資源合理調(diào)配的有效手段，在防洪、治澇、灌溉、供水、航運、發(fā)電等方面應用十分廣泛。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展和城市化進程的加快，各地對水閘建設(shè)如何融入環(huán)境提出了更高的要求，新頒布的SL265—2016《水閘設(shè)計規(guī)范》也提出了環(huán)境協(xié)調(diào)要求的條款。目前國內(nèi)外有關(guān)水閘的研究大都停留在對水閘基礎(chǔ)布置以及機電設(shè)備的革新和應用上，這些設(shè)施大都處在地下、半地下或隱蔽的內(nèi)部位置，而對如何協(xié)調(diào)橋頭堡建筑與環(huán)境的問題的研究還處于起步階段。對于不同地形地理條件的水閘橋頭堡的型式尚無系統(tǒng)研究。為此，研究不同地形地理條件下的各種水閘橋頭堡的型式和設(shè)計要點，可為大型水閘的型式設(shè)計研究開創(chuàng)新的思路，為相關(guān)部門提供工程的可行性研究、水閘工程的選址、方案比選等方面提供決策參考，提升大型水閘設(shè)計水平，促進大型水閘與生態(tài)環(huán)境的融合。

1 橋頭堡的作用

本文所指的大型水閘橋頭堡是指位于交通橋或水閘一端(或兩端)，具有房屋屬性、能夠放置水工機電設(shè)備、控制該水閘水工機械的功能，具備大型水閘工作或觀光人員出入且兼有一定審美功能的水工建筑物、構(gòu)筑物。

各類水閘的工程規(guī)模應嚴格按現(xiàn)行SL265—2016的規(guī)定劃定水閘工程等級。大型水閘按閘門啟閉機形式劃分可分為固定卷揚式啟閉機、液壓式啟閉機和螺桿式啟閉機等多種形式，其中液壓式啟閉機水閘可不設(shè)機房，只設(shè)橋頭堡和電氣設(shè)備間。近年來，由于新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，大跨度閘門的技術(shù)形式不斷推陳出新，但現(xiàn)在大型水閘最常用的還是固定式啟閉機。這種形式的水閘設(shè)有機房，可方便工作人員操作、運行、檢修，且運行故障較少，維護費用低，使用壽命較長，雖略顯傳統(tǒng)，但在當前和今后相當長的時間內(nèi)仍將更多地使用這種橋頭堡和機房相連的形式。

橋頭堡依附于大型水閘，相互作用，缺一不可。大型水閘橋頭堡(以下簡稱橋頭堡)一般具有四種功能：實用、警示、疏散和審美功能。這四種功能相互依存，缺一不可。實用功能：安放機電、配電設(shè)備、布置線路；是連接閘室和地面的紐帶，便于操控人員集中控制，保證大型水閘正常的調(diào)度運行。警示功能:由于橋頭堡常建于道路與河流的交界處，往往可以成為道路與河流的分界點，車輛、行人在道路上距離橋很遠的地方就可以看見橋頭堡，警示和提醒車輛、行人通過交通橋注意安全。疏散功能：一般情況下，橋頭堡人流的主要出入口和應急消防疏散通道位于機房兩側(cè)，發(fā)揮著重要的人員疏散作用。審美功能：在當前生態(tài)景觀水利的大背景下，橋頭堡的美觀越來越受到人們的重視。結(jié)合水利風景區(qū)建設(shè)，橋頭堡常常成為一個景區(qū)的焦點、亮點。很多大型水利樞紐在不影響正常調(diào)度運行的前提下開發(fā)旅游，收到了很好的經(jīng)濟和社會效益。

2 不同地形地理條件下橋頭堡設(shè)計

按照不同的地形地理條件把橋頭堡設(shè)計分成五類進行論述。①平原地區(qū)橋頭堡；②丘陵地區(qū)橋頭堡；③高山地區(qū)橋頭堡；④地震設(shè)防級別較高區(qū)域的水閘暗堡；⑤水網(wǎng)交錯的立交式橋頭堡。

設(shè)計原則：橋頭堡的設(shè)計應遵循實用、節(jié)能、美觀、協(xié)調(diào)的原則。實用是各類工程設(shè)計的根本目的。節(jié)能、美觀、協(xié)調(diào)是在實用功能基礎(chǔ)上的更高要求。

各類帶有吊裝式閘門的橋頭堡主要應考慮以下設(shè)計要素：①橋頭堡控制室的標高，是由啟閉機房的高度決定的。一般應將控制室布置在緊靠啟閉機房，這樣布線較短，便于直接操控。②較重的柴油發(fā)電機等重型設(shè)備一般應放在一層，以減輕橋頭堡的設(shè)備重力對梁板柱的荷載和震動。③橋頭堡一層的室外地坪應具有通往交通橋和橋頭堡各層的樓梯或電梯疏散通道。④為便于機房頂部維修，觀景層一般應有通往機房頂?shù)耐ǖ馈＂輰ΨQ式橋頭堡是大型水閘常用的形式，當不完全對稱時水閘的另一端應具有機房通往交通橋或地面的樓梯或電梯。

橋頭堡室外地坪的確定往往是橋頭堡設(shè)計的關(guān)鍵一環(huán)，本文所指的基于不同地形地理條件，可以認為是橋頭堡的室外地面標高，而這個標高的不同，決定著橋頭堡的造型的千差萬別。依據(jù)以上五種要素，無論橋頭堡處于何種地形地理條件，都可以布置出適應該條件的橋頭堡。

2.1 平原地區(qū)橋頭堡設(shè)計

平原地區(qū)的大型水閘是目前水閘地形的基本形式。目前山東境內(nèi)80%的大型水閘是平原水閘。這種形式的橋頭堡設(shè)計一般應遵循下列程序：①設(shè)定橋頭堡的室外標高，一般與交通橋同高或略有高差，以方便人員、車輛出入和逗留。②橋頭堡軸網(wǎng)的設(shè)定，應兼顧機房位置、寬度，同時依據(jù)電氣所提尺寸確定控制層控制室、低壓配電室的開間進深。同時還應兼顧一層發(fā)電機組和高壓配電室的外形尺寸來確定軸網(wǎng)。③確定主入口。一般情況下，因機架橋與交通橋的垂直距離較近，橋頭堡的主入口不宜正對交通橋，以防止人員和車輛的流動交叉。當必須向交通橋開門時，門前應留有足夠的安全距離，一般應距交通橋邊緣2m以上。④橋頭堡層數(shù)的設(shè)定。橋頭堡建筑設(shè)計思路常常需要采用倒推法，即依機架橋端部而建，由控制層向一層推進。按照每層3.6m左右的原則，一般情況下，當控制層標高與橋頭堡室外地坪標高超過6～9m則控制層以下可作兩層。9～12m則可以考慮做三層，以此類推。⑤依據(jù)控制層和發(fā)電機層布置輔助層(常在二層或觀景層)?？刂茖右韵碌妮o助層常是起到調(diào)節(jié)橋頭堡層高的樓層。而控制層以上的樓層多為觀景層，觀景層多數(shù)是為了觀光和審美上的需要，它是整個橋頭堡的視覺中心，它的立面、屋頂造型和色彩的美觀至關(guān)重要。⑥兼顧機房，和周圍環(huán)境設(shè)定橋頭堡的立面風格。如圖1所示。

圖1 平原地區(qū)的水閘立面型式

2.2 丘陵地區(qū)橋頭堡設(shè)計

圖2 橋頭堡室外地坪標與機架橋相當?shù)乃l立面

圖3 橋頭堡高于交通橋而低于機架橋的水閘立面

這種地形又分為了3種。①橋頭堡室外地坪標高大致與機架橋相當，如圖2所示。這種情況下橋頭堡的室外應具有足夠的空間，以保證布置柴油發(fā)電機組和備用機組，以及控制室、高低壓配電室，柴油發(fā)電機組應布置在距離交通橋較遠的相對隱蔽的地方，以減少噪聲對交通、控制室、配電室的噪聲污染，同時應注意發(fā)電機室的通風良好。②橋頭堡室外地坪雖然高于交通橋，但又低于機架橋。當橋頭堡的室外地坪距機架橋3.6m以上，則可仍將發(fā)電機室布置在一層，將控制層布置在與機架橋?qū)膶?，如圖3所示。③室外地坪低于交通橋的橋頭堡的設(shè)計應考慮以下因素：第一，擋水墻的處理。當橋頭堡室外地坪低于交通橋，且低于預期洪水位時，應在隱蔽的位置設(shè)置集水坑和備用排水裝置，同時將周圍的墻壁做嚴密的防水處理。或?qū)蝾^堡低于預期水位的樓層建成封閉的地下室的形式，以保證雨水全部排出橋頭堡周圍區(qū)域。第二，首先基于電氣資料布置控制層平面，再由控制層推導出一層位置。在機房和橋頭堡之間留出變形縫，一般為100mm。再向外偏移120mm的位置上確定橋頭堡的近機房側(cè)軸線。各層相互兼顧，向外推進布置軸網(wǎng)。第三，軸網(wǎng)布置好后，確定橋頭堡的主入口。主入口的位置應當既方便通往交通橋，又方便進入橋頭堡各層?？梢允褂檬覂?nèi)主樓梯加室外輔助樓梯的方案，或者室內(nèi)電梯加室外輔助樓梯的方案進行設(shè)計。第四，根據(jù)控制層和一層平面，結(jié)合立面造型推導出中間層的平面布置。在控制層以上的部分，雖然實用功能較小，卻是審美視覺中心，決定著整個水閘的美觀程度。這個部分常與屋面結(jié)合，還要綜合考慮外立面的整體格調(diào)，與整個水閘風格相協(xié)調(diào)。使整個橋頭堡、機房渾然一體，如圖4所示。

圖4 室外地坪低于交通橋的水閘橋頭堡

2.3 高山地區(qū)橋頭堡設(shè)計

這種橋頭堡又分為以下三類。

(1)騎跨交通橋的橋頭堡。當大型水閘位于險要的山川之間，交通橋又位于類似關(guān)隘的交通要道上，橋頭堡常采用騎跨交通橋的形式。設(shè)計要點如下：①橋頭堡的軸網(wǎng)常以交通橋中心線為對稱軸將橋頭堡的一層分為兩部分。一般情況下將水流上游側(cè)的橋頭堡一層布置柴油發(fā)電機組、備用機組和控制室，另一部分可用于布置關(guān)隘稽查、檢查辦公室、通訊室、安全保衛(wèi)室等。②設(shè)置電梯和輔助樓梯進入設(shè)備間、控制室、機房和堡頂。③橋頭堡的騎跨交通橋的門洞應充分滿足規(guī)定的通行車輛或貨車的外形尺寸，以保證車輛正常通行。門洞內(nèi)可設(shè)電動伸縮門，醒目的位置可設(shè)電子警示牌，及時通知交通信息。④涉密工程文件應單獨編制，并注意登記分發(fā)信息。⑤為操控方便，可將控制層布置在距機房較近一側(cè)的二層，并有通道與機房相連。當控制室與機房直接相連時，中間應設(shè)置防火門。⑥當騎跨式橋頭堡機房為仿古建筑時，橋頭堡的屋頂部分造型、選材、及顏色應與機房屋頂協(xié)調(diào)一致，以突出該建筑物的整體感。如圖5所示。

圖5 關(guān)隘式橋頭堡騎跨交通橋的水閘鳥瞰圖

(2)山澗隧道跨河節(jié)制閘的橋頭堡。①當大型水閘位于交通橋連通山澗隧道位置，而兩側(cè)的陡峭山崖無法設(shè)置橋頭堡時，可將橋頭堡建于河道中間水位較淺的位置上，兩側(cè)聯(lián)通機房。②在布置橋頭堡、機房軸網(wǎng)時，應將橋頭堡機房與交通橋之間留出充足的緩沖空間，以保證工作人員出入橋頭堡而不影響交通。交通橋與機房之間的平行距離不應小于3m。③橋頭堡的一層應設(shè)置柴油發(fā)電機組和備用機組，以及通往橋頭堡各層的電梯或輔助樓梯。當面積需要增加時，應盡量向河流的順水流方向擴展面積，以減少對河道的水流阻力。當橋頭堡基礎(chǔ)完全位于淹沒線以下的情況下，應在橋頭堡的基礎(chǔ)部分設(shè)置分水墻或魚脊式分水塹，以減輕水流對橋頭堡基礎(chǔ)的沖刷，保證橋頭堡的安全性。④當機房的總長度超過60m時，應設(shè)置雙側(cè)橋頭堡、不完全對稱雙側(cè)橋頭堡，或在機房末端設(shè)置通往交通橋或室外的樓梯或鋼梯出入，以滿足消防疏散的需要。⑤當確有需要，還可以建成橋頭堡同時騎跨交通橋的形式，這樣既擴大了二層以上橋頭堡的面積，又有助于把控整個隧道間的交通橋。如圖6所示。

圖6 交通橋連接隧道的水中橋頭堡的布置(可騎跨交通橋)

(3)崖壁上的暗堡。這種水閘位于高山之澗，跨河兩端只有隧道相通，且水流湍急，不具備修建橋頭堡的條件，這種情況只能開鑿崖壁上的暗堡。暗堡應注意以下幾點：①測定需要開鑿暗堡的山體巖層的相關(guān)參數(shù)，以確定開鑿方式。②放置設(shè)備的暗堡應充分滿足機電設(shè)備需要的空間，并設(shè)置全天候的通風措施。③操控室應盡量靠近機房，以便于布線和操控，應能夠直接(或間接通過高清設(shè)備)觀測到啟閉機和閘門的運行情況。④開鑿空間一般應為圓滑的拱形頂，并嚴格按照山體開鑿空間的相關(guān)規(guī)范設(shè)計施工。⑤崖壁上的窗口不宜太大，也不宜太密集，以防削弱崖壁外側(cè)的巖體承載力。⑥應設(shè)置通往安全地帶的應急安全通道。⑦這種形式施工工期長，開鑿難度大，不經(jīng)濟。若非萬不得已不宜采用。如圖7所示。

圖7 開鑿于山體內(nèi)的暗堡

2.4 地震設(shè)防級別較高區(qū)域暗堡設(shè)計

在有些地區(qū)，地震的設(shè)防級別較高，而水流的垂直落差較大，這種情況下不宜建設(shè)較高的橋頭堡，可以設(shè)置與壩體、機房一體的交通橋下的暗堡。以保證設(shè)備的布置和工作人員的出入。所謂暗堡，也并不是說完全不能有高于交通橋的建筑物，可建成較為低矮、而又具有觀光效果的出入口，設(shè)置樓梯貨電梯，以便于出入交通橋下的設(shè)備暗堡。設(shè)計這種橋頭堡應注意以下幾點：①出入口應設(shè)在距設(shè)備間較近的位置；橋頭堡的室內(nèi)外高差應不小于450mm，并且出入口周圍平臺應設(shè)置排水暗溝以便于雨水迅速排走，嚴防雨水倒灌進出入口。②進入設(shè)備暗堡的走廊寬度不得低于2100mm，以保證設(shè)備應急更新和維修。③可在出入口外的平臺上設(shè)置垂直吊裝井，吊裝井上口安裝可開啟、能防水的井蓋，以保證大型機械、電氣設(shè)備的吊裝更換。④設(shè)計前應進行充分的論證和嚴格的計算，確保暗堡設(shè)備間在可預見的洪水位線以上，以防被汛期洪水威脅。⑤在設(shè)計交通橋路面時，應按照大型橋梁的施工工藝，除保證足夠的荷載外，還應做好全面的橋面防水，防止雨水滲透至交通橋下帶有設(shè)備間的暗堡。如圖8所示。

圖8 抗震級別較高的區(qū)域可采用交通橋下的暗堡

2.5 水網(wǎng)交錯的立交式橋頭堡設(shè)計

近年來由于跨流域調(diào)水的需要，出現(xiàn)了大型河流交織、并行的狀況。南水北調(diào)工程中就有多處出現(xiàn)交叉式立體水網(wǎng)的構(gòu)建形式。江蘇省淮安運河水利樞紐工程，被認為是亞洲規(guī)模最大的敞開式立交式水利樞紐工程。它的建成滿足了淮河入海水道泄洪和京杭大運河通航的需要。其下部為15孔大型涵洞，上部為寬80m的京杭大運河渡槽，位于涵洞和渡槽交叉的四個角設(shè)有兩大兩小4座橋頭堡，其中運河渡槽兩側(cè)的對稱式大型橋頭堡高33m，采用密檐式古建筑與江南民居相融合的建筑形式，起到畫龍點睛的作用，成為該工程的亮點。

3 幾種后現(xiàn)代風格大型水閘型式設(shè)計

大型水工建筑物的橋頭堡設(shè)計同樣會受到不同建筑理念、新材料、新技術(shù)的影響，設(shè)計風格呈現(xiàn)出多元化的局面。設(shè)計中應遵循經(jīng)濟、美觀、適用的原則，同時又要大膽想象、勇于創(chuàng)新。這就給設(shè)計人員提出了更高要求。設(shè)計中應充分考慮以下幾個方面：①在確保功能需求的前提下注重外部造型，彰顯建筑個性。②橋頭堡控制室應靠近機房，便于操控。③出入口應明顯易找，出入方便。④無論外形如何變幻，不能違反建筑、水工、結(jié)構(gòu)、電氣金屬結(jié)構(gòu)等專業(yè)的相關(guān)規(guī)范。以下是幾種流派橋頭堡建筑的構(gòu)想圖。如圖9—12所示。

圖9 現(xiàn)代派對稱式倒椎體水閘橋頭堡

圖10 流線型未來派非對稱式水閘橋頭堡

圖11 后現(xiàn)代對稱式水閘橋頭堡

圖12 立體派對稱式水閘橋頭堡

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)研究了大型水閘橋頭堡建筑的功能和分類，重點研究了具有代表意義的幾種不同地形地理條件下橋頭堡的設(shè)計要點和注意事項，以作者彩繪示意圖的形式展現(xiàn)了不同地形地理條件下的橋頭堡的幾種形式和造型設(shè)計，以及鳥瞰圖的形式展現(xiàn)了現(xiàn)代派、未來派建筑等幾種造型，能夠為大型水閘建設(shè)決策提供參考，為設(shè)計人員增強造型觀念、提高審美意識、創(chuàng)新設(shè)計思路提供指導和借鑒，為大型水閘更好地融入生態(tài)環(huán)境，大幅降低工程成本提供新的范例。由于我國地形地理條件復雜多樣，還有很多沒能涵蓋的類型，文中不足之處敬請各位同仁指正。