红英拦河闸除险加固工程气盾闸设计

钟灿文，郑希娟，潘永庆，于 淼

红英拦河闸除险加固工程气盾闸设计

钟灿文，郑希娟，潘永庆，于 淼

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

文章以红英拦河闸除险加固工程为实例，阐述了气盾闸在北方地区的可行性。设计过程中拟定了3种方案进行技术经济比较，并经过过流能力、抗渗稳定、闸室稳定等水力计算，确定气盾闸的布置是合理的。

气盾闸；红英拦河闸；除险加固；设计；辽宁省

0 引言

气盾闸门系统是由钢护板、橡胶气囊、抑制带、锚固件、空压系统和闸门控制系统组成。利用空气压缩原理，通过给气囊充气与排气，使钢护板升起与倒伏，以维持特定的水位高度，并可在设计水位内实现任意水位高度的调节，且允许闸顶溢流。闸门全开时，门体全部倒卧在河底，可高效泄水。闸门全关闭时，可以蓄水，超过设定水位时，可形成溢流。

气盾闸门系统利用橡胶气囊支撑钢护板挡水，安全性高，无需使用高精密部件及轴承，因而服务年限长，使用年限可达30年以上。组合式的设计和安装，形成各自独立的模块单元，结构简单，抗震强，模块重量轻，安装省时省力，维修方便，不需要整体系统更换，故障率低。

气盾闸门系统主要是通过由环氧树脂或无收缩水泥填浆的锚锭螺栓固定于基础结构上，所有气袋则覆以底枢盖板再以夹铸具通过锚锭螺栓锁固而形成强固持久且富弹性的闸门系统。

1 工程概况

红英拦河闸位于辽宁省昌图县宝力镇境内，地处二道河中游，距昌图县城35 km，闸址处集水面积1 523 km2，河道长约126.7 km。主要工程结构有2孔自动翻板闸及4孔不可翻闸门板、3扇平板调节闸、左岸提水站。红英拦河闸始建于1974年，在多年的运行中出现较多的问题，已经影响到流域农业生产的安全。1994年7月该闸进行了全面加固。将2扇人工翻板闸改为自动翻板闸，并对产生裂缝的工作桥横梁进行了加固。重新更换了启闭设备和闸门，并建立了配电室，同时对交通桥进行了加固。经过1998年大洪水冲击，闸体混凝土普遍剥蚀，粗骨料外露，局部混凝土振捣不实，粗骨料集中，水平施工冷缝明显。现河道翻板闸下游土体淤积成堆，严重影响河道及闸室的过流能力。水闸自投入运用至今，现状两岸翼墙多处发生裂缝、侧倾，由于受资金等因素影响，问题一直未得到彻底解决拦河闸带病运行。

辽宁省铁岭市水利勘测设计院于2009年对红英拦河闸进行了安全鉴定，辽宁省水利水电科学研究院核查组于2011年对该工程进行了书面核查及现场核查，确定水闸安全类别评定为三类。

于2014年完成了红英拦河闸除险加固工程的初步设计工作，仅对2孔自动翻板闸及4孔不可翻闸门板的闸室设计进行说明。

2 工程设计

2.1 工程等别及洪水标准

根据GB50201-94《防洪标准》及SL265-2001《水闸设计规范》中的规定，依据最新水文数据及规范要求，复核红英拦河闸工程规模为中型；根据SL252-2000《水利水电工程等别划分及洪水标准》规定，红英拦河闸主要功能是灌溉，控制灌溉面积1 334 hm2。经综合分析复核确定红英拦河闸工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时性建筑物级别为5级。设计洪水标准为20年一遇，设计洪峰流量536 m3/s，设计洪水位86.30 m；校核洪水标准为50年一遇，校核洪峰流量849 m3/s，校核洪水位87.10 m。

2.2 方案比选

结合工程实际情况，综合考虑投资、施工难易程度和运行管理等方面因素，在保证工程安全的情况下，尽量利用原用结构，调节闸段保持原有结构仅更换闸门及启闭设备，翻板闸段影响过流的部分全部改造为具备挡泄2种功能的闸段。除险加固设计拟定以下3种方案进行技术经济比较，即拆除原有2孔自动翻板闸及4孔不可翻闸门板，按原有布置形式重建为平板闸、液压翻板闸、气盾闸，每孔净宽为9.0 m，闸室底板顶高程为83.8 m，挡水高度为2.5 m。因除翻板闸段除险加固设计方案不一致，其他工程结构设计一致，下文仅说明翻板闸段。各方案对比见表1。

综上所述，上述3种方案都满足拦河闸的设计要求，也各有优缺点，经技术、经济、施工条件等多方面比较，考虑到上游河道杂物较多及春季冰凌，气盾闸方案解决问题彻底，过流条件好，施工较为方便，工期较短，社会风险小，后期维护费用较少，运行管理相对便利。故选定气盾闸方案为红英拦河闸除险加固设计方案。

2.3 气盾闸布置

红英拦河闸为除险加固工程，新闸轴线与原闸一致。

原有翻板闸前混凝土铺盖长度为8.0 m，拆除与闸室段连接的3.5 m长铺盖，对剩余的4.5 m长混凝土铺盖清淤后，凿除表面5 cm厚的混凝土，现浇25 cm厚的钢筋混凝土，混凝土强度等级C25，抗冻等级F250。铺盖顶高程为83.0 m，每2孔设置一个结构缝。

气盾闸段闸室长12.0 m，堰顶高程83.8 m，6孔，单孔净宽9.0 m。原有闸室底板长8.5 m，凿除表面5 cm厚的混凝土，上游部分现浇25 cm厚的钢筋混凝土，下游部分采用5 cm厚的环氧砂浆进行加固处理。在拆除的上游铺盖位置现浇厚1.7 m，长3.5 m的钢筋混凝土并用锚筋与原有闸室底板连接为一个整体，与上游混凝土铺盖连接的斜坡式进口坡度为1.0∶2.5，进口前端顶高程为83.0 m，末端高程为83.80 m，每2孔设置一个结构缝。新建闸室段下设0.1 m厚C15素混凝土垫层、0.2 m厚砂砾石垫层和土工布各一层。上游设有齿墙，齿墙深度为0.8 m。为满足气盾闸金属结构的要求，凿除闸墩表面5 cm厚的混凝土，并打入膨胀螺栓。

表1 各方案对比表

2.4 水力计算

2.4.1 过流能力计算

共分两部分计算，分别为气盾闸过流和调节闸过流。气盾闸过流能力计算，依据《水力计算手册》（武汉水利水电学院水力学教研室编1983版）有关堰流流量的公式进行气盾闸过流流量与上游水位关系计算：

式中：Q——流量，m3/s；σs——淹没系数；σc——侧收缩系数；m——流量系数；n——闸孔孔数；b——每孔净宽，m；g——重力加速度，9.8 m/s2；H0——包括行近流速水头的闸前水头，m。

计算结果见表2，3。

表2 气盾闸过流能力流量与上游水位关系表

表3 总过流能力流量与上游水位关系表

2.4.2 抗渗稳定计算

根据SL265-2001《水闸设计规范》，采用改进阻力系数法进行抗渗稳定复核。按最不利工况进行复核：上游铺盖段长4.5 m，闸室段长12.0 m。上游水位与闸顶高程齐平，下游无水，此时上游水位86.3 m，下游河床83.6 m，渗透水头2.7 m，计算图见图1。

图1 抗渗稳定计算图（单位：m）

经计算，出口段渗流平均坡降J=0.16＜[J]=0.60，水平段渗流坡降Jk=0.08＜[Jk]=0.30，抗渗稳定性满足SL265-2001的要求。

2.4.3 闸室稳定计算

计算工况与荷载组合：

1）Ⅰ基本组合。工况1：完建期，闸前、后无水，不考虑地下水作用；工况2：正常蓄水位，前水位86.30 m，闸门全关，闸后无水；工况3：设计洪水位，闸前水位86.30 m，闸门全开，闸后水位85.69 m。

2）Ⅱ特殊荷载组合。工况4：校核洪水位+正常运用条件，堰前水位87.10 m，闸门全开，闸后水位86.41 m。

根据SL265-2001《水闸设计规范》，对闸室的抗滑稳定、基底应力、抗浮稳定进行计算，结果见表4，5。

表4 气盾闸段闸室稳定计算成果表

表5 气盾闸段闸室基底应力计算成果表

由以上计算成果可以看出，气盾闸段闸室的抗滑稳定安全系数、抗浮稳定安全系数、闸室基底应力及基底应力不均匀系数等均满足规范要求。

3 结语

红英拦河闸位于辽宁省昌图县，春季河道中存在浮冰，上游河道杂物较多。气盾闸钢护板可对于任意位态凸悬於其下的气囊起保护作用，使气囊免受浮冰、浮木及碎屑、砾石的破坏。同时可充分利用现有的闸墩及闸底板，减少工程结构部分的投资。采用气盾闸方案是可行的，合适的。

TU457+.3 < class="emphasis_bold"> ［文献标识码］B

B

1002—0624（2017）12—0001—03

2017-07-28