挡水建筑物结构方案的研究比较

李传名

（安徽省阜阳市水利规划设计院 阜阳 236029）

具有挡水、泄水双重作用的低水头水工建筑物，最常见的有橡胶坝、水闸、底横轴旋转闸门。采取何种型式的结构，关系到投资、运行、管理、美观及使用寿命的诸多方面，需要进行详细的方案比选。

1 主要设计参数

阜阳市现代产业园区挡水建筑物位于下游河道、105国道上游处，主要功能是排涝及景观蓄水。该建筑物控制流域面积58.28km2，河道底宽25m，边坡1∶2.5；建筑物附近地面高程28.50m，河底高程23.00m，设计流量为123.53m3/s，其主要规划数据见表1。

2 坝型方案的比较

在平原地区的河道，滚水坝一般适用于泄流量较小而挡水位较低的情况。当泄流量较大时，因受到坝顶以下不能过流的限制，为满足过流量的需求往往使得坝体较长，与河道自身宽度极不相称，也不经济。对于本建筑物而言，因泄流量较大且坝体较高，显然滚水坝是不适宜的。以下就底横轴旋转闸门和橡胶坝进行方案比选。

底横轴旋转闸门是近年来研究开发出的适应现代景观需要的一种新型闸门，尤其适用于城市用水、景观建设、市容环境整治工程中的大跨度河道中。橡胶坝于20世纪60年代中期开始在我国应用，是由高强度织物合成纤维受力骨架与合成橡胶构成，锚固在混凝土基础底板上形成密封的坝袋，通过连接坝袋和充胀介质的管道及控制设备，用水（气）将其充胀形成的袋式挡水坝。

两种坝体挡水高度均能做到可升可降，坝高调节自如，溢流水深可控。均适用于河道截面宽度较大、水位差较小（5m以下）的工况。

底横轴旋转闸门的设计使用寿命为50年，使用中如能很好地保养维护还可以更长。而橡胶坝的使用寿命最长10～15年，且必须更换坝袋。前者投资虽然高于后者，但以前者的使用寿命，长期投入比后者远高于前者。在行洪期间水流中难免有尖锐的漂浮物，橡胶坝容易受到这些物体的损坏，且在洪水过后遗留在坝袋上的各种残骸给景观带来极大影响，运行管理单位每次都需人工进行擦洗，工作量较大。底横轴旋转闸门使用的是液压启闭机，正常只需3～5分钟就可以完成启闭，突发洪水时能及时泄洪。橡胶坝是通过充气或充水来完成开关，需2～3小时才能完成一次开关，而且随着使用次数和时间的增长，坝内及管道内会产生结垢，开关时间会更长。从设备运行可靠性方面而言，底横轴旋转闸门也优于橡胶坝。

综合以上分析和比较，就本建筑物而言，底横轴旋转闸门较橡胶坝更为适宜。

3 闸、坝结构方案比较

3.1 方案一：开敞式水闸（5孔，单孔净宽3.5m）

上游翼墙平面布置采用1/4圆弧式，墙身采用钢筋混凝土扶壁式结构，均分为两段，墙高6.3m，顺水流方向长度为16.0m。上游铺盖采用钢筋混凝土结构，顺水流方向长度与翼墙同长。

闸室为开敞式结构，共分5孔，单孔宽度3.5m，闸底板顶面高程23.00m。闸室顺水流方向长9.0m，垂直水流方向宽度22.9m，采用整体式平底板。底板厚0.7m，其下浇筑0.1m厚C10素混凝土垫层。闸墩为钢筋混凝土实体墩，中墩厚1.0m，门槽处最小厚度0.5m，墩顶与闸顶同高，闸顶高程为28.70m。为改善水流形态，中墩上、下游端外形轮廓皆为半圆弧形。主闸门采用平面定轮钢闸门，单面挡水，其平面尺寸宽×高＝4.02m×4.0m，配一台QLSD2×100kN手电两用螺杆式启闭机，门、机各5套。主闸门槽尺寸为0.51m×0.25m，槽中心距闸室上游面4.605m。在主闸门槽上游1.5m处设置检修门槽，尺寸为0.35m×0.25m，两门槽间净距能满足一般检修工作的需要。检修门采用露顶式平面滑动钢闸门，单面挡水，其平面尺寸宽高＝4.02m×1.8m，配一台250kN电动葫芦起吊，门、葫芦各一套，葫芦悬挂在I32a工字钢上，后者设置在排架悬挑牛腿上。启闭机台采用钢筋混凝土排架支承，排架底部现浇于闸墩上，顶高程为34.50m。启闭机房宽3.5m，长22.9m，净高2.8m，砖混结构。

下游翼墙在消力池段平面布置采用八字形，扩散角为7.67度，顺水流方向长13.0m，墙身采用钢筋混凝土扶壁式结构，墙高6.3～6.9m。岸坡段翼墙平面布置采用一字型，采用浆砌块石重力式结构，均分为两段，墙高分别为5.0m和3.1m。采用挖深式消力池，钢筋混凝土结构，池深0.6m，池长13.0m。

3.2 方案二：底横轴旋转闸门（单孔，净宽17.5m）

上游翼墙平面布置采用1/4圆弧式，墙身采用钢筋混凝土扶壁式结构，均分为两段，墙高6.3m，顺水流方向长度为18.0m。上游铺盖采用钢筋混凝土结构，顺水流方向长度与翼墙同长。

坝体采用底横轴旋转闸门，其主要结构是由土建、门叶、底横轴、液压驱动、启闭机室等组成。单孔，净宽度17.5m，坝体底板顶面高程21.66m，门槛顶面高程23.00m（平河底）。坝体顺水流方向长14.0m，垂直水流方向宽度27.5m，采用整体式平底板。底板厚1.76m（门槛处最大厚度3.1m），其下浇筑0.1m厚C10素混凝土垫层。边墩为启闭机室，钢筋混凝土空箱式，四周侧墙厚度均为0.7m，净空尺寸为3.6m×12.6m。门槛顺水流方向长2.4m，底轴中线距上游面3.1m。底轴采用20号钢钢材，规格为φ780×28。支铰采用ZG30Mn铸件，共7只。门叶采用Q235B钢材，门体高度4.0m，厚度368mm（主梁为热轧普通槽钢，型号为36a）。启闭机选用一台QRWY液压启闭机，最大行程3.65m，持住力2×800kN，启门力2×500kN。启闭机室设液压泵站2座，每座油泵配电动机组2套，互为备用，每台电机配套功率为22kW。

表1 建筑物规划数据表

表2 两方案可比工程量及投资比较表

下游翼墙在消力池段平面布置采用八字形，扩散角为11.77度，顺水流方向长18.0m，分为两段，上游段长10.5m，下游段长7.5m。墙身采用钢筋混凝土扶壁式结构，墙高6.3～6.9m。岸坡段翼墙平面布置采用一字型，采用浆砌块石重力式结构，均分为两段，墙高分别为5.0m和3.1m。采用挖深式消力池，钢筋混凝土结构，池深0.6m，池长18.0m，分成两段，分段长度同下游翼墙。

3.3 方案比较结果

两方案可比工程量及投资比较见表2。

从表2可以看出，方案二比方案一高出216.21万元。

方案一的优点：结构明确，受力条件清楚，无论设计、施工和管理，均有着非常成熟的理论和经验；过闸流量随着孔口开启孔数和开启度的大小容易确定，消能计算简便；建筑物埋深和土方量较小；工程经费较省。缺点：技术上缺乏创新；闸室启闭机层较高，启闭机房因本身结构尺寸的限制，很难做出较好的造型，影响美感。

方案二的优点：技术上有创新，为新型产品；坝体启闭机层较低，启闭机房因较矮而不会影响观瞻；钢坝较为美观，因中间没有闸墩，气势宏阔，且能由坝顶溢流而形成瀑布美景，尤其适用于城市建设。缺点：下泄流量随着开启斜度的不同不容易计算和确定，初始管理期间需要管理单位自行积累经验、统计分析以确定流量与开启斜度的关系；消能计算复杂，目前国内外尚无明确的计算方法，所需消能设施工程量大于前者；建筑物埋深和土方量较大，工程经费较高。

结论：综合以上分析和比较，就本建筑物而言，方案一优于方案二。

4 结语

底横轴旋转闸门适用于较宽的已有河道，尤其是城市中护砌的矩形河道。对于本建筑物而言，断面宽度不大，又是新扩挖的梯形截面河道，造成该方案的优点不能得以发挥，且上、下游连接建筑物的尺寸因连接的需要而比开敞式水闸方案有较大增加。虽然该结构方案在本建筑物中未能使用，但今后在水利建设中一定会得到越来越多的应用