钢坝技术与应用研究

徐运海，从 容，张保祥

(山东省水利科学研究院，山东 济南 250013)

钢坝是十九世纪末、二十世纪初出现的，顾名思义，钢坝是一种由钢材材料做成的坝型，也是一种拦蓄水的结构，不是由一般的砖石、土方工程、混凝土或木建筑材料建设的拦蓄水结构[1]。

目前未见规范对钢坝的定义，根据水工建筑物的定义，意为用钢材建造的、不可转动或移动的具有挡水功能的建筑物。广义上说，以钢材结构为受力主体或传力的固定式挡水建筑物，可称钢坝。目前在水利工程建设中，通常也有把底轴驱动翻板钢闸门叫做钢坝的。特别需要说明的是，本文介绍的钢坝一定是采用钢材建造不可转动或移动的挡水建筑物。

1 结构型式

根据钢材的受力特性，参考一般坝工的特点，钢坝坝型可分为桁架(梁)斜面钢坝、直立面钢坝、拱型钢坝等几种类型。

1.1 桁架(梁)斜面钢坝

(1)斜面钢坝：挡水面板为斜面钢板，面板固定在桁架(梁)上，桁架锚固在基岩面上，面板成连续型布置；可采用连续式或分离式与岸边连接，桁架间距(中心距)一般在3～5 m左右。面板厚度随高度变化。图1为斜面钢坝示意图。坝面上游坡度为1∶1～1∶3。

(2)斜面波纹钢坝：挡水面板为曲面形钢板，其他与斜面钢坝同。图2为该坝型的斜面波纹钢坝示意图。

图1 斜面钢坝示意图

图2 斜面波纹钢坝示意图

1.2 直立面钢坝

(1)桁架(梁)直立面钢坝：挡水面板为直立面钢板，面板固定在桁架(梁)上，桁架底部锚固在基岩面上，面板成连续型布置；面板厚度可随高度变化。该坝型的桁架(梁)直立面钢坝示意图如图3所示。

(2)斜拉直立面钢坝：在库水位较高时，该坝型为在直立面钢坝上游增加一拉杆，以有效抵抗水压力。该坝型的斜拉直立面钢坝示意图如图4所示。

这种型式板块是垂直的，就像钢围堰一样，所有的力都是水平的，需要更大的拉杆和锚，以抵消水平力和弯矩。

图3 桁架(梁)直立面钢坝示意图

图4 斜拉直立面钢坝示意图

1.3 拱型钢坝

(1)拱型钢坝：挡水面板为钢板，面板固定在桁架(梁)上，桁架做成拱圈结构，支撑在两端基岩上，面板成连续型布置；面板厚度可随高度变化。该拱型钢坝示意图如图5所示。

图5 拱型钢坝示意图

(2)柔性反拱钢坝：挡水面板为钢板，面板可连续型布置；固定在桁架(或两岸)上，面板厚度可随高度变化。该坝型的柔性反拱钢坝示意图如图6所示。

图6 柔性反拱钢坝示意图

2 实 例

2.1 早期美国的钢坝工程

自1897年10月世界上第一座钢坝建成以来，钢坝建设的实例较少。美国在1897—1908年分别建设了三座钢坝[3-4]，目前还剩两座。建于1897年亚利桑那州沙漠的阿什福克(Ashfork)钢坝，为艾奇逊机车、托皮卡和圣菲达铁路提供用水；建成于1901年的赤脊山(Redridge)钢坝，在密歇根半岛上向邮政厂提供用水；第三座蒙大拿豪泽湖(Hauser Lake)大坝，于1907年建成但在1908年损坏。早期美国三座钢坝特性参数见表1[3]。

表1 早期美国的三座钢坝特性参数

2.2 现代国内钢坝工程2.2.1 山东莱芜钢坝工程

钢坝工程位于莱芜市栖龙湾小流域内，是栖龙湾流域水土保持治理工程的一部分；坝址以上流域面积0.06 km2；大坝为下弧形溢流钢坝，基础为坚硬完整岩石；大坝最大直线长12.60 m。下弧采用圆弧线反拱式，坝顶高程105.60 m；坝体底部设混凝土底座。为保证坝体稳定，在底座底部及两侧坝坡设锚杆。坝基最低高程100.33 m，最大坝高5.27 m。

大坝采用厚12 mm的Q345钢板，呈下弧形。两侧锚固于岸边；在底部和两侧基钢板底部设混凝土支座，同时两侧设锚杆。钢坝锈蚀防护采用油漆防护体系。

水下部位：表面处理，喷砂至Sa2.5，表面粗糙度25～75 μm；施工环境，环境温度5～40 ℃，环境湿度<85%，基层温度应高于露点温度3 ℃以上；油漆配套，LP147多用途环氧底漆，60～75 μm；LT140高固态环氧涂料，150～180 μm。

水上部位：由于暴露在紫外线下，除以上措施外，增加一层聚氨酯面漆，以增加抗紫外线性能。

2.2.2 山东济南钢坝工程

工程位于济南市长清区南约6 km，属于大汶河流域潘家峪河河道治理的一部分。河道内修建梯级拦蓄坝工程，钢坝为梯级拦蓄坝工程之一。钢板坝桩号0+024.79～0+045.29，轴线长20.50 m，呈5个下弧型，单跨4.00 m，采用坝顶溢流。连接段右岸段长6.09 m，左岸段长5.51 m；连接段顶高程93.20 m。坝体总长32.10 m。为满足人行要求，在钢坝溢流段下游设人行道，桥面宽1.00 m，桥面高程89.90 m，并铺设踏步。

溢流钢坝平面上采用5个下弧形，钢坝底部设混凝土底板，单跨4 m，跨端设钢立柱；最大坝高3.75 m，坝顶高程92.20 m；坝正常挡水位92.20 m，设计洪水位92.99 m，溢流段单跨长4.23 m，总长21.65 m。坝体材料上部为钢板坝、底部为混凝土底板。

钢板厚10.00 mm，钢坝6个支撑柱采用40c普通工字钢，置于钢板下游侧；为安全计，在钢板上游侧设D15钢管拉向库区，钢管底部设d32锚杆，顶高程90.40 m。钢板、工字钢通过螺栓及预埋件与底板连接。钢板下游设角钢固定于预埋钢板上，并在上游侧设胶止水。底板顺水流方向长2.50 m，顶高程89.90 m，厚0.45 m，上游设齿槽，C25钢筋混凝土结构。

底板中间分缝，顺水流方向顶、底层选配Φ16@200钢筋，垂直水流方向顶、底层选配Φ14@200钢筋；底板混凝土采用贝利特低热水泥。混凝土抗渗等级W4，抗冻等级F150。

混凝土底部每隔1.00 m设Φ22螺纹钢锚杆，锚杆长2.50 m，外径93.00 mm。

两座钢坝工程经历了多次洪水考验，目前结构稳定，运行正常。

3 应用分析

3.1 优缺点

钢坝的优缺点如下：

优点：(1)即使是在19世纪初，钢铁制造技术也可以比砖石建筑更快、更便宜。(2)地基是成功的大坝的关键，坝体为静定结构，受力条件明确，计算成果可靠。(3)钢比混凝土更具灵活性，更能抵抗因地面沉降、位移、变形导致的事故。(4)霜冻的影响并不像混凝土或砖石那样显著。(5)非灾难性泄漏可以通过焊接来解决。

缺点：(1)大坝的长期强度尚不清楚，美国早期的两座钢坝目前未见观测资料；国内新建钢坝时间短，缺乏详实的观测资料。(2)钢材轻型结构，比其它类型的大坝更易磨损。(3)维修费用较高，存在锈蚀和腐蚀问题。(4)钢材运行中可能产生应力集中，这可能导致应力开裂而损毁。(5)与其他水坝一样，坝体破坏是一种可能的失败模式，这被认为是Hauser湖大坝失败的原因。由于存在上述不足，导致钢坝技术没有得到相应推广、应用。

3.2 前 景

针对钢坝没有推广应用的问题，今后需要从以下几方面入手：(1)是对已建或新建钢坝进行监测、观测和安全评定。(2)是根据钢材的物理特性和钢坝型式，继续开展钢坝结构特性研究，完善设计理论和设计方法。(3)是开展钢坝防锈蚀研究，提出可行的防锈蚀方法。(4)是总结钢坝施工技术和方法，创造推广条件。(5)是尽快组织编制行业设计规程或规范，推广应用钢坝。(6)是参考现有大坝安全鉴定规范，提出钢坝安全鉴定规程等。

钢坝挡水结构充分利用钢材抗拉能力，突破了传统挡水构件的受力状态。钢坝可用“工厂化加工构件、现场安装”的施工模式，突破了传统水工挡水建筑物现场施工的模式，可以实现快速施工。将钢坝用于河道及景区工程并取得成功，表明该坝型具有一定优越性。英国建于1779年的科尔布鲁克德尔大桥，是世界上最早的铸铁桥，桥跨长约30.0 m、高度12.2 m；距今已有239年，但现在仍在使用，接待世界各地的游客。表明钢材锈蚀今后可以得到有效控制，锈蚀不是影响钢坝发展的制约因素。集成式启闭卧倒式钢坝闸在近几年得到广泛推广应用，钢坝与钢坝闸具有受力特性相似的特点，对钢坝闸的研究已成熟，为钢坝应用提供了借鉴和可能。

目前，随着我国生态文明建设的发展，如何保护好绿水青山，钢坝可以作为一种水利工程建筑型式，也是生态建设发展的需要。因此，钢坝预期具有广阔的应用前景。

4 结 语

自世界上第一座钢坝建成以来，至今已有近120年。随着社会与科技的进步，新的坝型不断出现，人们对河道治理、景区建设提出了更高的要求，要求坝不仅能蓄水，还要更具美观；钢坝技术正是在这一背景下提出的。利用钩螺栓或焊接，将一块块钢面板联结在一起，形成不可分割且具有一定柔性的整体钢坝坝面，将坝体固定在与岸边基岩或连接件上，即为钢坝。作为一种新坝型，它具有工厂化施工、施工工期短、运行可靠、美观、符合环保要求、占地少等特点。