洛河东湖拦河坝工程选型及设计

霍香丽 田金钢 王家会

摘要：围绕洛河东湖建设目标，结合洛河东湖段河道条件，通过研究、论证，从防洪、景观、运行、使用维护等方面进行综合权衡，确定了气动盾形闸坝方案。结合工程的水文、地质情况，进行了洛河东湖拦河坝防渗、防冲、坝体、围堰、金属结构、电气自动化及观测等设计。所选用的气盾坝兼具了钢坝闸与橡胶坝的特点，具有安全、可靠、环保、使用维护方便等优点。

关键词：气盾坝；工程设计；电气自动化；安全观测；洛河东湖

中图分类号：TV644 文献标志码：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.019

1 工程概况

洛河洛阳市区段已经建成9级水面工程，目前洛阳市洛浦公园已经形成“一蓝两绿”的景观带。随着洛阳城市区向东进一步发展，白马寺经济带已初步形成，为把洛阳建成最佳人居城市，配合洛阳水生态文明示范区建设，开发建设东湖，修建东湖拦河坝工程是必要的。该工程主要任务是增加洛河河道拦蓄水量，抬高水位，在可持续补充地下水、保持水生态的同时形成水面景观，改善两岸环境，为进行旅游资源开发提供基本条件。其属中型工程，工程等别为Ⅲ等，其主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。拦河坝工程设计防洪标准采用50a一遇，对应洪峰流量为7880m3/s；校核洪水标准为100a一遇，对应洪峰流量为9770m3/s。坝址位于白马寺下游（洛河桩号283+415处），工程总长508.0m。

2 拦河坝坝型的选择

拦河坝工程可供选择的水工建筑物型式一般有坝和闸。根据河道现状分析，从防洪的角度出发，在洛河上建固定坝方案无法满足要求，固定坝方案首先被否定，考虑建活动坝或闸，对翻板门闸坝、平板钢门闸坝、气动盾形闸坝3个坝型进行了比较。

2.1 翻板门闸坝

传统的水力自控翻板闸运行边界条件要求相当苛刻，尤其在多泥沙河流其运行条件限制因素很多，临界水位下的拍打损坏、漂浮物导致支铰破坏等情况将使得其运行保证率低，运行情况不理想，维护也很困难[1]。该工程防洪等级高，对安全运行的可靠性要求极高，故水力自控翻板闸不符合要求。

液压控制翻板闸是水力自动控制翻板闸门技术改造的升级产品，在一定程度上解决了混凝土材料在翻转、拍打、受到水流中杂物撞击时容易损坏的问题。但其需要在闸门后设置数量较多的支承墩结构，闸门开启泄洪时门体横卧于水中，门顶与門底处于同时过水状态，门体等结构会受到复杂的门顶和门底同时通过高速水流的影响，对河道泄洪及河道景观会有一定程度的影响和破坏，安全性及可靠性也较低。

2.2 平板钢门闸坝

闸门门体采用钢结构，利用液压启闭机进行操作，控制闸门的开启泄水和关闭挡水，可分为前倾式、后倾式及上翻式等型式。

前倾式闸门开启时采用液压启闭机控制闸门门体向上游前倾至几乎完全平卧于河道底面，不会影响河道景观，闸门底部参与泄洪，形成冲沙闸孔，冲淤效果较为明显，但闸门前堆积体积较大的杂物时易造成卡阻，检修条件不好。

后倾式闸门开启时采用液压启闭机控制闸门门体向下游方向后倾至几乎完全平卧于河道底面，其受闸前泥沙及杂物等的影响较小，不会影响河道景观。闸门在关闭挡水状态时，上游水压力所产生的向下游倾倒的力只能够完全依靠液压启闭机的活塞杆产生的向上的推力来克服，使得启闭机设备长期处于带负荷工作状态，长久运行对液压杆及启闭设备的其他相关机构较为不利[2]。当上游水压力较大时，锁定装置可能会出现打不开的情况，存在一定的安全隐患，锁定装置加装后必须依赖电力进行解锁，当控制系统完全失电时手动进行解锁比较困难和复杂，闸门检修条件不好。

上翻式闸门开启时采用液压启闭机控制闸门门体上翻至一定高度以打开闸门孔口泄放水流，其支承结构为闸门钢结构支臂及设置于闸墩侧墙上的支承铰。受工程建设条件的限制，该工程采用低堰高闸方案，要求闸门高度大才能满足防洪要求，而这种闸门型式的运行方式则要求布置很大功率的启闭设备，不便于闸门的同步运行，闸门举起时影响河道景观。

2.3 气动盾形闸坝

气动盾形闸坝为引自美国的新型产品，其各个部件均为预制部件，安装工期短；盾板及气囊模块化，便于修复[3]。目前国内已投入运行的气动盾形闸坝闸门高度为2.5～3.0m。东湖拦河坝工程设计坝高6.0m，其规模在国内是最大的，可为以后相似工程设计提供借鉴。

气动盾形闸坝由钢结构的盾形门板、充气坝袋、空压系统和闸门控制系统等组成。利用空气压缩的原理，通过气袋的充气与排气，使闸门升起和倒伏，维持特定的水位，并可在设计水位内实现任意水位高度的调节。挡水时的支承结构主要为充气坝袋，整套气动闸系统可由若干模块化的钢盾板及气袋组合而成，拦河宽度不受限制，且中间不需要设置闸墩及支墩结构，泄水面几乎与河道宽度一致，对河道泄水几乎不产生影响，可实现大面积高效率泄水，且不影响河道景观效果，不影响河道的通航过船。气动闸盾形门体和闸底铰链的设计亦使得泥沙、树枝、冰块、浮木及其他杂物容易流过，不易造成阻塞[4]。气动闸的门体加筋板兼导流功能，可平顺水流并减少冲刷。使用的气袋以压缩干净空气作为驱动，没有任何机械用油，不会造成水体和周围环境的污染，环保性能较好。气动闸完全倒伏时不影响泄洪，可通过手动紧急排放气袋内的空气实现安全泄洪。气动闸采用组合式设计，模块单元各自独立，结构简单，质量轻，不需要大中型起重设备，安装较为省时省力。气动闸故障率较低，且维修方便，不需要整体系统更换。气动闸门不需要启闭机械等设备，对土建基础要求不高，只需简单地基，不需设置中间闸墩或设少量中墩，对河道泄洪有利。

从景观、运行、维护等方面综合考虑，推荐采用气动盾形闸坝（见图1）。

3 拦河坝工程设计

3.1 工程设计

拦河坝工程总长度为508.0m，由气盾坝段和固定堰段两部分组成，其中气盾坝段长度为278.0m，两侧固定堰总长230.0m（其中左侧固定堰长80.0m，右侧固定堰长150.0m）。工程主要包括上游防渗段、气盾坝段、下游消能段、海漫段和控制室5部分。

（1）上游防渗段。坝底板上游防渗采用水平黏土防渗铺盖（黏土加土工膜）、高喷灌浆防渗墙以及水平混凝土铺盖[5]。

水平黏土防渗铺盖厚80cm，上下游铺设长度为80m，垂直水流方向宽度为274.0m，顶面高程109.0m，末端以及两侧以1：5坡比过渡到110.8m高程。采用黏土分层压实，压实度为0.920

高喷灌浆防渗墙位于水平黏土防渗铺盖下游端，深度15.0m，垂直水流方向宽度为398.0m，单排孔，孔距1.0m。高喷灌浆采用旋摆搭接方式，分为两序孔施工：先灌注一序孔，孔中心距为2.0m，采用旋喷施工；再灌注二序孔，采用摆喷施工，终孔中心距为1.0m。

水平混凝土铺盖位于闸室底板上游，顺水流方向长18.0m，垂直水流方向宽度为274.0m，厚度为60cm。采用C25钢筋混凝土，每10.0m设一道伸缩缝，缝内设橡胶止水带，采用闭孔低发聚乙烯板填缝。

铺盖段两岸边坡坡比为1：3，与亲水平台（高程119.0m）相连，高程117.0m以下采用现浇C20混凝土板护砌，板块3m×2m（水平长×斜坡长），混凝土板厚度为15cm。混凝土板接缝宽8cm，其间填充无砂混凝土，纵横缝底部铺设40cm宽的反滤布（300g/m2），下设10cm厚粗砂垫层；高程117.0m至119.0m采用生态种植池驳岸，种植池采用C25钢筋混凝土，壁厚20cm，种植池内设天然置石与种植土；坡脚设C20混凝土齿墙，齿墙深2.5m，齿墙均采用仰斜式，坡比1：0.5，厚度50.0cm。上游与护坡连接部分采用圆弧式翼墙布置，圆弧段长38.64m，圆弧内半径为24.6m，圆心角为900，翼墙高度为8.2m，采用C25钢筋混凝土扶壁式挡土墙。

（2）气盾坝段布置。气盾坝分为3跨，每跨净长90m，两边墩及两中墩厚均为2.0m，气盾坝高度为6m，坝顶最大溢流深度0.5m。坝底板厚度为4.5～2.8m，采用C25钢筋混凝土，每10.0m设一道伸缩缝，缝宽2cm，缝内设橡胶止水带和低发闭孔聚乙烯板。闸墩厚2.0m，闸墩高7.0～8.7m，采用C25钢筋混凝土结构，边墩顶设青石栏杆，栏杆高1.0m。

（3）下游消能防冲布置。气盾坝下游布置消能防冲设施，包括消力池段、海漫段，顺水流方向长87.5m，垂直水流方向宽274.0m。

消力池段总长47.5m，包含陡坡段和水平段两部分，其中陡坡段水平投影长16.0m，底板高程110.8m到106.8m，坡比1：4，底板厚1.0m，陡坡末端设齿墙，墙深2.8m，厚1.5m；水平段长度30m，池深2.0m，底板厚1.0m，底板下游设齿坎，坎高2.0m，坎厚1.5m，深1.3m。陡坡和水平段材料均采用C25现浇钢筋混凝土，下铺设10cm厚C15混凝土垫层、针刺无纺布一层、10cm厚粗砂垫层。

消力池陡坡段和水平段边墙顶高程118.0～116.0m，墙高7.2～9.2m，采用扶壁式擋土墙。

消力池后海漫段垂直水流方向长274.0m，顺水流方向长40.0m，包含15m长浆砌石段、15m长干砌石海漫段、10m长抛石防冲槽段。浆砌石和干砌石厚度均为60cm，防冲槽深2.5m。

在海漫段采用圆弧翼墙与边滩连接，翼墙后边滩与主槽采用1：3边坡连接。两岸翼墙采用圆弧布置，下游与护坡连接，翼墙高7.2m，采用C25钢筋混凝土挡土墙；下段采用边坡坡比为1：3的混凝土护坡，与亲水平台连接，护砌高度7.2m、厚度15cmo

（4）固定堰。固定堰总长230.0m，左侧固定堰长80.0m（其中预留船闸段长20m，采用黏土回填），右侧固定堰长150.0m，堰顶高程为120.5～119.0m。固定堰采用两种型式：一种为高固定堰，左岸布置长60m，右岸布置长40m，堰高7.2m，固定堰顶宽1.0m，上下游宽10.0m；另一种为低固定堰，右岸布置长110m，堰高3.0m，固定堰顶宽1.0m，上下游宽5.0m。两岸采用扶壁式挡土墙和护坡与滩地连接，在翼墙范围内固定堰上下游采用铰接连锁混凝土块护面。

（5）控制室。根据东湖拦河坝的控制与管理要求，在拦河气盾坝工程位置左岸设控制室一座，其建筑面积为500m2。

3.2 金属结构及电气自动化设计[6]

（1）金属结构。气盾闸门规格尺寸为270m×6m（宽×高），分为3跨，每跨净长90m，设计水头为6.5m。闸门及埋件外露金属材料部分均采用不锈钢材料，支承结构采用双气袋支承，考虑制造、安装及运输等因素，门体分节制造安装及运输，单节门体宽度为10m，门体共分为27节，运行条件为动水启闭。

（2）机电。该工程用电负荷为二级负荷，设应急备用柴油发电机组一套。工程用电负荷包括3台75kW气盾坝用空压机及500m2管理房照明等用电设施，设一箱式变电站ZBW-500/ 10，电源引自附近10kV高压电缆。

（3）自动化控制系统。工程以“无人值班，少人值守”为原则进行设计，建立一套远程工业电视图像监控系统，实现运行的可视化监控，并通过通信网络对所属的气盾坝及管理所等重要建筑物和主要运行设备实现远程实时图像监控、远程故障和意外情况告警接收处理。

监控系统采用符合国际标准的、开放的、分层分布式的系统结构，分为2个监视层次。第一级监视站层，在左右岸管理所各设置1个工业电视图像监控服务器及2台监视主机，全天候实时采集现场图像信息，包括气盾坝工况、机电设备运行状况、库区图像信息等，将图像信息切换给所辖监视终端，并可对图像切OAR序和周期进行编程控制。第二级现地控制单元层，根据建筑物的布置及数量，该工程工业电视图像系统共设置20个现地图像监控单元，包含气盾坝及管理所等重要位置。

3.3 观测设计

该工程安全观测内容主要包括水位观测、位移观测和渗流观测三方面，均采用自动化监测。根据需要工程自动观测的水位、位移及渗流观测点共16个，由于观测点不多，因此无须采用单独的计算机数据采集系统，利用水位计和渗压计的智能仪表输出4～20mA模拟信号至启闭室的计算机监控系统，并在计算机监控系统中编程，对水工建筑物进行安全分析。

4 结语

综合考虑城市的防洪、景观、环境保护等要求，结合工程的水文、地质情况进行了洛河东湖拦河坝防渗、防冲、坝体、围堰、金属结构、电气自动化及观测等设计。所选用的气盾坝兼具了钢闸坝与橡胶坝的特点，具有安全、可靠、环保、使用维护方便等优点，坝体工程规模较大，可作为类似工程的参考。

参考文献：

[1]华东水利学院.水工设计手册[M].北京：水利电力出版社，1983：50-53.

[2]王明才.下卧式闸门水力特性研究[D].南京：河海大学，2006：56-57.

[3]高本虎.橡胶坝工程技术指南[M].北京：中国水利水电出版社，2006：116-117.

[4]于雪梅，常俊德，于雪枫.齿型堰水力学问题的试验研究与应用[J].中国农村水利水电，2010（4），40-41.

[5]霍香丽，张世强.引黄入洛隧洞工程设计浅析[J].人民黄河，2011，33（1）：17-22.

[6]王博文，韩昌海.橡胶坝技术及应用[M].北京：中国水利水电出版社，2008：165-172.