气盾坝在得胜河综合治理工程设计中的应用

郭攀攀 焦 洁 裴珺

(河海大学设计研究院有限公司，江苏 南京 210098)

近年来，随着城市化建设和水环境治理的推进，大跨度、低水头的拦河闸坝发展迅速。气盾坝兼有钢坝闸和橡胶坝的优点，刚柔并济，自北京清水河环境治理工程首次从国外引进气盾坝技术以来，国内已进行了众多研究，基本建立较完整的理论体系，关键设备也实现了国产化。登科气盾坝从地基条件、景观效果、运行管理等方面，对气盾坝、钢坝闸和橡胶坝等三种坝型进行综合比较，进一步归纳总结气盾坝的使用范围，并对气盾坝底板设计、气囊及锚固件设计中存在的一些问题进行分析，提出设计改进方案。

1 应用背景

得胜河为含山、和县两县的母亲河，上游为山丘区，中下游为冲积平原，地势平缓，于金河口汇入长江，流域面积427.3km2。含山县得胜河水环境治理工程中，新建登科和谢墩两座气盾坝，利用河槽蓄水，抬高城区河道水位，扩大河道水域面积，结合滩地改造和周边环境整治改变沿河水景观，体现人水和谐，促进县城的可持续发展。

登科气盾坝长60m、坝高4.0m，谢墩气盾坝长40m、坝高4.0m，控制景观水位分别为7.5m和9.5m，门顶溢流水深不超0.5m，达到人工调控河道蓄水位的目的，满足城市景观用水需求。两座气盾坝高度相同，本文以登科气盾坝为例，控制流域面积133.8km2，拦蓄库容98万m3，是安徽省第一座大跨度气盾坝的实践应用。

2 坝型方案比选

2.1 气盾坝

气盾坝也称气动盾形闸坝，结合了传统钢闸门和橡胶坝的特点，刚柔并济。气盾坝主要由盾板、气囊、埋件、空压系统及控制系统等组成，通过对气囊的充气与排气，使盾板升起与倒伏，维持特定的水位。

气盾坝主要由盾板主体工程、上游铺盖、消能防冲设施组成。坝体底板为折线型，长16.0m，厚1.1～1.6m，坝顶高程3.6～3.1m，分缝间距18～20m。边墩为悬臂式挡墙，墙顶高程8.10m。盾板布置于坝轴线偏下游侧，倒伏时板面与底板齐平，不阻碍行洪。充排气管布置于底板内，每个气囊布置一根充排气管，气盾坝纵剖面见图1。

图1 气盾坝纵剖面 (尺寸单位：mm)

2.2 钢坝闸

钢坝闸是一种底横轴的翻转门，由带固定底轴的钢闸门门体、液压启闭设备和配套土建结构工程三部分组成。底轴由闸室两侧的液压启闭机驱动，带动悬臂式闸门转动，调节河道水位。

钢坝闸主要由上游连接段、闸室控制段、消能防冲设施等组成。闸室控制段底板顶高程3.60m，顺水流方向长16.0m，垂直水流方向总长73.0m，采用C30钢筋混凝土空箱式底板，厚3.7～4.7m，不分缝。闸门布置于底板偏上游侧，底轴直径约1.0m，门库深度约1.0m。闸室两侧为空箱式闸墩，分为上下两层设备间，内置液压启闭机及自动控制等设备。钢坝闸横剖面见图2。

图2 钢坝闸横剖面 (尺寸单位：mm)

2.3 橡胶坝

橡胶坝是以高强度合成纤维为骨架，内外涂敷橡胶保护层，形成胶布，按设计尺寸锚固于基础底板上形成封闭空间。由充排系统向坝袋内充水或排水，充胀立坝挡水，排空塌落泄水，控制河道设计水位。

橡胶坝主要由坝袋主体工程、上游铺盖、消能防冲设施组成。坝袋底板长16.0m，坝顶高程3.6m，厚1.2m，分缝间距18～20m。边墩为悬臂式挡墙，墙顶高程9.0m。坝袋选用双锚固充水式，坝轴线布置于底板中心线偏下游侧。坝袋内压比取1.25，胶布设计强度为60.0kN/m2。充排水设施布置于河槽右岸堤后，包括泵房和集水井等。橡胶坝方案纵剖面见图3。

图3 橡胶坝方案纵剖面 (尺寸单位：mm)

2.4 方案比选

登科拦河闸坝方案综合比选见表1。

表1 登科拦河闸坝三种方案综合比选

经比较分析，气盾坝方案有如下特点：ⓐ土建结构简单，景观效果较好，对地基承载力要求不高；ⓑ启闭速度快，基本不影响河道行洪，能适应山丘区峰高、量小、历时短的洪水特性；ⓒ随着国产设备费用的逐步降低，运行维护成本也相应下降。

3 气盾坝底板设计

3.1 底板结构计算

坝体底板结构承上启下，将水重、闸门及气囊等荷载传递至地基，关系到气盾坝的整体安全。目前，气盾坝无专门的设计规范，底板结构计算内容和计算原理参考水闸及橡胶坝设计规范，包括防渗、抗滑、基底应力、不均匀系数等。坝体20m标准段各工况计算结果见表2。

表2 坝体底板稳定及内力计算结果

通过表2可知，气盾坝底板的抗滑稳定与底板长度和防渗布置相关，基底应力和弯矩均小于传统水闸结构，理论上可不进行地基处理，按构造配筋即可。

3.2 底板分缝

本案例设计底板采用分缝结构，每隔20m设置一道横向伸缩缝，则底板中间跨与边墩之间因墙后土压力和地基不均匀性存在一定沉降差，易引起上部盾板间止水错位，导致渗水，影响挡水效果。针对底板不均匀沉降有以下两种处理方法：ⓐ将底板分缝处设置成凹凸榫接，形成简支铰仅传递剪力，使缝两侧的底板趋于同步沉降，减小不均匀沉降量；ⓑ当坝体跨度不超过60m时，可将底板做成整体式U形结构不设缝，并设置后浇带减轻底板开裂。因整体式底板跨度超出规范规定，且受地质条件影响受力复杂，实践案例较少，有待进一步研究，本文采用凹凸榫接减小底板不均匀沉降。

4 气囊和锚固件设计

4.1 单元长度和安全系数

气囊和锚固件的计算包括气囊、铰链盖板、夹铸具、锚栓、安全抑制带等，取单元长度分别建立各部件的受力计算简图求解，类似文章较多，已有成熟的计算公式，本文不再赘述。根据分析，挡水盾板所能承受的总水压力与气囊充气压力和接触面积成正比，在一定的充气压力时接触面积的大小直接关系着气囊及锚固件的受力强度，而接触面积与气囊的单元制造长度、充气形状等相关。本文对气囊的单元长度进行比较，考虑国内气囊硫化罐制造工艺以及本案例坝体长度60m，选用以下两种方案分别计算对比各项最大值，见表3。

气囊的内外压比远大于橡胶坝设计规范推荐的0.75～1.10，安全抑制带的计算张力最大，铰链盖板的计算张力最小，锚栓均选用高强度螺栓。考虑国产气囊制造能力，本案例推荐选用单元长度为6.67m的气囊。

参考橡胶坝设计规范，充气式坝袋安全系数不小于8，则气囊制造张力不小于17.55kN/cm，设计选用十布十一胶，厚度24mm，理论抗拉强度可达18kN/cm。铰链盖板承受盾板传递的全部水压力，安全抑制带防止盾板向上游侧倾倒，且位于水下较难维修保养，但安全系数没有相关规定，制造张力难以选定。本文根据设计要求，气囊现场试验耐高压达0.8MPa，则铰链盖板和安全抑制带的制造张力须为计算值4倍，分别为7.29kN/cm和15.17kN/cm，均小于气囊的制造张力。考虑加工制造方便，铰链盖板与安全抑制带均选用气囊同材质，制造张力为18kN/m，则反推安全系数分别为9.8和4.7。

4.2 气囊优化设计

目前，气囊封端中间高两头尖的“枕式”，不能与盾板充分接触，造成一定的浪费。可用采用以下两种方法气囊进行优化：ⓐ参考表3计算成果，增加气囊单元制造长度，可有效降低气囊制造张力，减小胶布厚度，但制造设备要求相应提高；ⓑ改进气囊制造工艺，改变气囊形状，参考堵头式橡胶坝将封端改为“平堵式”，可使气囊与盾板的接触面积增加约20%，提高支撑力，降低投资。

5 结 语

a.气盾坝是一种新型挡水坝，立坝挡水、倒伏泄洪，水面以上可见设备少，景观效果好，随着国产设备的批量生产，工程投资逐步下降，竞争优势越来越明显，在城市河道治理中具有较好的应用前景。

b.气盾坝底板为土建核心，结构 稳定性以及内力计算与传统水闸计算相同，但其内力远小于传统水闸。

c.气盾坝所能承受的设计水头，与气囊的充气压力、单元制造长度、充气形状等相关，须对有关参数进行分析计算，合理选取安全系数。

d.本文结合工程实践，对气盾坝底板分缝处理、铰链盖板和抑制带的安全系数等，提出了设计优化措施；但大跨度整体式底板受力分析和气囊形状改进等问题尚待进一步研究，须经实践检验后优化设计。