液压升降坝在城南排水渠景观设计中的应用

陈美华

(江西省水投工程咨询集团有限公司，南昌 330096)

1 工程概况

城南排洪渠沿吉阳路至赣江，长约1.23km，两岸顶为居民区，渠道两边现状为浆砌块石挡墙，挡墙高4-5m，平时渠内水较少，挡墙硬化裸露，渠道景观性较差，影响城市美观。因此有必要在城南排洪渠内新建一座拦河闸，以保证渠内有一定深度的蓄水，形成景观水面，减少硬化挡墙裸露。当新建拦河闸泄水时，渠内水流速较大，可对淤泥进行冲刷，有利于改善渠道淤积问题。

2 拦河闸设计方案比选

2.1 工程选址

拦河闸建立主要是为了在渠道内形成宽阔水面，改善渠道景观效果，提升城市美感，因此闸址的选择偏向渠道下游。根据地勘报告，渠道沿线地层变化不大，闸址将从渠道两岸地形、行洪以及施工可行性等3个方面确定。城南排洪渠龙华北大道下游段两岸防洪墙较高，高出现状地面超过1.5m，闸址选择在此段行人不易看到，达不到预期效果，且该段两岸为吉阳大桥引桥与公路，缺乏有利用地带开展施工，开工成本很大；龙华北大道上游，渠道顶与道路齐平，道路与渠之间有较宽绿化带，有利于施工布置及施工作业开展，因此本次设计拦河闸位于龙华北大道上游，考虑新建拦河闸对龙华北大道桥梁的影响，新建拦河闸选址于桥上游45m，即龙华北大道上游45m处位置。

图1 拦河闸闸址位置图

2.3 闸型比选

城南排洪渠的功能是排洪，从防洪考虑，拦河闸应具有足够的泄水能力，新建拦河闸不能影响渠道排洪；从生态水环境考虑，拦河闸应具有较强的水面污物漂排能力。目前适用于该工程的闸型有平板钢板闸、液压翻板闸、液压升降坝、气动盾形闸门可供选择。平板钢闸门跨度偏小，需设中墩，影响行洪，且平面钢板闸需要设置启闭平台，影响城市美观，不适用于本工程；城南排洪渠上游为山区河流，上游有大量农田，河道内树枝、杂草、杂物等较多，翻板闸门容易卡挂杂物，清污量大，同时影响城市景观和运行安全，也不适用于该工程。因此，该工程拟对液压升降坝、气动盾形闸门两种坝型进行比较。

2.3.1 液压升降坝

液压升降坝是近几年出现的一种新活动坝型，结构坚固可靠；坝面放倒后，活动坝面紧贴河床，过流能力强；上游有漂浮物时，只要操控一下液压系统，即可轻松地冲掉，漂排能力强；上游水量较大时形成瀑布景观和水帘长廊景观。液压升降坝具有象橡胶坝一样紧贴河床而不阻水；像翻板闸一样自动放坝行洪，任意保持水位高度；像水闸一样坚固耐用[1-3]。

2.3.2 气动盾形闸门

气动盾形闸门是结合传统钢闸门及橡胶坝的特点研发出来的新产品。气动盾形闸门系统主要有钢闸门、气袋、埋件、空气压缩系统和控制系统组成。是利用空气的压缩原理，通过对气袋的充气和排气，使闸门升起和倒伏。维持特定的水位高度，可在设计水位内实现任意水位高度的调节。气动闸维持河道净宽，过流能力强；气动闸安全性能高完全倒伏不影响泄洪，在断电时仍可通过手动紧急排放气袋内空气实现安全泄洪；气动闸模块化的设计，结构简单，模块重量轻，使制造方便、安装省时；气动闸维修方便，整体安装和维修费用低；气动闸运行简单方便，既可自动控制，又可手动操作[4-5]。

从投资上来看液压升降坝、气动盾形闸门两种方案布置的主要建筑工程投资相差不大，主要为设备投资，经厂家提供报价，液压升降坝设备投资为77 万，气动盾形闸门设备投资为88 万，气动盾形闸门比液压升降坝投资多11 万。

从施工上来看，两种坝型土建施工相差不大，设备安装由厂家专门派技术人员现场指导，两种坝均较容易施工。

从后期运行管理上看，液压升降坝与气盾坝两种方案安装与后期维修均较简单，但气盾坝闸门关闭时间较长，当钢板后的气囊压力不一致时，可引起钢板之间的密封止水受拉，运行多年后易发生漏水现象。

经综合比较两种闸坝形式的优劣，为了便于后期的运行管理，本工程拦河闸型式拟采用液压升降坝方案。

3 液压升降坝布置

新建拦河闸尽量增加蓄水面积，减少挡墙裸露，回水位置能够到达城南排洪渠北渠，拦河闸坝址处挡墙顶高程为49.3m，设计拦河闸顶高程低于挡墙顶0.8m，故本次设计拦河闸顶高程为48.5m。

液压升降坝呈“一”字形布置，由溢流堰、左右岸边墙、管理房等组成。混凝土溢流堰的溢流宽度按渠宽度确定为10m。混凝土溢流堰下游设消力池，两岸与边墙相接，右岸岸顶设管理房。溢流堰采用宽顶堰，顺水流方向长7.4m，堰顶高程45.00m，长10m，挡水高度3.5m，液压升降坝坝顶高程48.5m，闸底板结构形式为C30 钢筋混凝土结构，溢流堰上拟布置2 扇闸门，净宽10m。

该工程运行调度方式为：当液压升降坝坝顶水头为0.3m 时，即坝上游水位高于48.80m，下泄流量>2.55m3/s 时，闸门开启泄洪，此时水闸下泄流量瞬间变大，溢流坝采用底流式消能，消能防冲设施为消力池。消力池底板高程为44.5m，底板厚0.5m，池长10m，池深0.5m，消力池采用C30 钢筋混凝土结构。

根据厂家图纸布置设备控制检修要求，在拦河闸右侧布置启闭管理房，管理房尺寸为5×3.5m。

4 设计计算

4.1 液压升降坝过流能力计算

城南排洪渠设计20a一遇洪水流量为78.3 m3/s，水闸下游水深为5.1m。本次设计水闸为液压升降坝，当水闸打开时为开敞式平底闸，水闸过流能力按宽顶堰计算，经计算，当水闸过水流量为78.3 m3/s 时，水闸上游水深为5.11m，水位为50.11m，渠顶高程为50.66m，满足设计要求。

4.2 液压升降坝消能计算

液压升降坝运行调度方式为：当液压升降坝上游水位高于坝顶0.3m，即水位为48.80m 时，开启闸门，宣泄洪水，因此考虑两种工况对闸坝进行消能防冲计算。

图2 液压升降坝纵剖面图

工况一：水闸未开启，坝顶水位为48.80m 时，即坝顶水头为0.3m 时，下泄流量为2.55m3/s。液压升降坝消能计算采用单级跌水消力池计算公式计算，计算成果见表1。

表1 工况一消力池计算成果表

工况二：当坝顶水头刚刚超过0.3m时，水闸开启泄洪，液压升降坝消能计算采用底流消能公式计算。

表2 工况二消力池计算成果表

根据表1、表2 计算结果，本次设计消力池底板厚0.5m，池长10m，池深0.5m，消力池采用C30钢筋混凝土结构。

4.3 液压升降坝渗流计算

渗径长度计算以正常蓄水位为控制条件，即水位为48.50m 时，坝地基为强风化岩基，如下：

L=C·ΔH

(1)

式中：L为坝基防渗长度，m；C为渗径系数，取C=4；ΔH为上下游水位差，m；L=4×3.5=14.0m。

本次设计布置渗径长度18.3m，防渗范围内的伸缩缝均设止水，渗流计算按直线法计算渗透压力和渗透坡降。

渗透坡降：J=H/L=3.5/18.3=0.19<[J]=0.50，满足要求。

4.4 液压升降坝结构稳定及基底应力计算

4.4.1 液压升降坝抗滑稳定及基底应力计算

1)荷载计算：

①基本荷载：

a.坝体结构自重；b.土压力：作用于边墩背后的填土压力，按主动土压力计算。本工程堰坝纵向坝体稳定计算可不考虑土压力影响；c.静水压力：计算设计运行工况时的静水压力；d.扬压力；计算设计运行工况时包括渗透压力和浮托力的扬压力；e.水重力：计算设计运行工况时的水重力。

②荷载组合

a.完建工况：液压升降坝初建成尚未挡水时。计算各部分荷载及其对坝底面中点产生的弯矩；b.设计运行工况：液压升降坝建成挡水后，当水位高于水闸顶高程30cm，即水位为48.80m 时，计算各部分荷载及其对坝底面中点产生的弯矩。

4.4.2 坝体稳定计算

1)确定计算单元

取坝体总长10m 整体计算。

2)稳定计算

稳定计算包括坝体沿基础底面的抗滑稳定计算、坝体基底应力、基底应力不均匀系数的计算。本次设计液压升降坝基础为强风化岩，采用闸室沿基础底面的抗滑稳定计算公式进行计算，计算成果见表3。

表3 液压升降坝稳定及基底应力计算成果表

从表3计算成果可以得出，液压升降坝在完建工况和运行工况下，稳定及基底应力计算成果均满足。

5 结 语

为改善城南排洪渠水景观较差的现状，通过方案比选，最终确定采用液压升降坝。液压升降坝施工工艺简单，造价相对较低，后期运营维护费用低；液压升降坝不怕泥砂淤积，放坝迅速，无阻水性，对防洪安全无影响；液压升降坝可做为城市小河道景观抬水首推坝型。