渭河杨凌段水景观工程气动盾形闸坝设计

杨 珂,吕 琦,王 凡,张 博,高 珍

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概况

渭河杨凌示范区河道水面及滩面整治植绿工程(以下简称渭河水面景观工程)位于陕西省杨凌农业高新技术产业示范区渭河干流上，主要任务是在保障渭河防洪安全的前提下，对工程区河道进行综合整治，营造城市生态蓄水景观，改善城市区域水生态环境，提升城市生活品质。工程主要包括5孔气动盾形闸工程、左岸护滩工程、右岸护滩工程、河道疏浚工程及泵站工程。

本工程属于Ⅳ等小(1)型；主要建筑物4级，次要建筑物均为5级。主体工程为5孔气动盾形闸坝，单孔闸坝过流宽度90 m，5孔合计450 m宽，闸坝挡水高3 m，闸室段过流面高程为435.50 m，坝顶高程为439.50 m，坝顶长度合计461.60 m。正常蓄水位(438.50 m)库区回水长度约3 750 m，水域面积168.3 hm2(2 524亩)。本工程坝址下游约4.152 km处已建有2号橡胶坝，回水与气动盾形闸坝相接，形成连续水面。工程于2017年9月8日蓄水成功。

已建成的杨凌渭河水面景观工程气动盾形闸坝为目前国内过流流量最大、跨度最长及形成水域面积最大的跨河水利工程。

2 设计重难点及创新点分析

渭河坝址区河床宽715.0～870.0 m，多年平均输沙量总量10 363万t，多年平均推移质输沙量为207万t，是多泥沙河流,具有多泥沙特性和拦河坝大跨度、低水头等特点，设计重点、难点问题主要包括：① 坝型、坝体材料的选择；② 蓄水区泥沙淤积问题；③ 坝址区河床左、右侧不对称问题；④ 汛期泄洪消能问题；⑤ 坝体过流中泥沙对坝身的影响；⑥ 坝基防渗问题；⑦ 长跨度坝体检修问题。

3 气盾坝可达性研究

气动盾形闸坝的可达性主要是对渭河多泥沙、大流量等特性的适应性，对作为城市河流水景观工程与环境的协调性研究。气动盾形闸坝主要由固定在坝底的弧形钢制坝板、橡胶气袋、基础锚固螺栓和一套气动充排气系统组成，挡水的弧形钢坝由6～8 m钢板拼接而成，钢板与钢板之间采用P型止水。气动盾形闸坝采用弧形钢制坝板挡水，气囊隐藏在盾板之后支撑钢板，避免了钢坝闸和橡胶坝的缺点，兼有两者的优点。

气动盾形闸坝较钢坝、液压坝等在汛期断电情况下，可自行排气塌坝，且不存在液压油泄露问题，安全性及环保性能相对较高。在水景观、使用寿命、快速塌坝拉沙等功能上强于传统橡胶坝。对比国内外气盾坝技术及经济指标，该工程选择国产气盾坝坝型，在保证工程质量的基础上，大大降低了工程造价，满足工程可达性要求。

4 气动盾形闸坝设计

该工程气动盾形闸布置于渭河的主河床上，上下游由引渠段、闸室段、消力池段、海漫段组成，全长约192 m左右。坝体布置见图1、2。

图1 坝体平面布置图

图2 坝体纵剖面图 单位：cm

4.1 坝址的选择、闸坝底板高程的确定

该工程在充分考虑了河段整体地形条件、坝址河床地形、地质、上游坝址回水，水面景观以及施工期土方量等因素，满足上下游河道平顺要求，将气动盾形闸坝布置在距已建成2号橡胶坝约4.152 km处。

根据《橡胶坝技术规范》要求“坝底板高程应根据地形、地质、水位、流量、泥沙、施工及检修条件等确定，宜比上游河床地形平均高程适当提高0.3～0.6 m”。由于2号橡胶坝已建，其过流面高程为432.70 m，正常蓄水位为436.00 m，立坝时溢流水位最高为436.50 m左右、塌坝时按小流量运行时水位为433.50～434.00 m。设计过流面高程考虑到该工程在2号橡胶坝回水水位下进行检修的要求，综合考虑以上因素确定渭河水面景观工程闸坝闸室段底板过流面高程为435.50 m。

4.2 堰闸段设计

气动盾形闸闸室段顺水流方向长12 m，分5孔，单孔孔口宽90 m，底板以上坝高3 m，泄流总宽为450 m。气动盾形闸中墩为缝敦，厚1.2 m，两岸边墙采用扶臂式挡墙结构。闸室段底板厚度1.8～1.6 m，上下游设计1.2 m深齿槽、60 cm厚的混凝土防渗墙，左侧深泓段、右侧滩槽段防渗墙基础深度分别为8.5 m和6 m，防渗墙插入闸室底板混凝土0.2 m(连接部位采用SR柔性填缝材料填充)，防渗墙向两岸坝肩延长20 m。堰闸段设计剖面见图3。

考虑到气动盾形闸泄洪流态、枯期检修以及导流问题，各坝段之间下游布置有中隔墙，承担枯水期导流以及后期深泓段、滩地段过流分割流态的任务，中隔墙高2.5 m，顺消力池体型布置。在结构设计中，考虑到大跨度长距离坝体检修问题，首次采用气动盾形闸门与充气坝袋分离螺栓锚固体型，可保证分离检修更换、后期维护和检修。

图3 堰闸段剖面图 单位：cm

4.3 消能防冲设计

气动盾形闸坝立坝蓄水，下泄径流流量，汛期塌坝泄洪，下泄设计洪水。坝体塌坝后，虽不影响泄洪，但在坝址处，由于河床断面的束窄，已经改变了河道天然流态，同时不同运行工况下水流条件较复杂，不稳定的水流会引起对下游河道的冲刷、淘刷，故消能防冲设计很有必要。

气动盾形闸采用底流消能，消力池形式为下挖式消力池，总长43 m，总宽462.00 m。根据水力学计算初步确定坎高为1 m，消力池中部及下游设置1 m深的齿槽。消力池采用距形断面，根据抗冲及抗浮计算，消力池底板左侧深泓段、右侧滩槽段厚度分别按1.0 m和0.8 m进行设计，消力池设有纵横向结构缝，缝面设铜片止水及BW-Ⅱ止水条。为减小消力池底板的厚度，同时降低消力池底板扬压力，满足底板抗浮稳定要求，消力池底板采用透水底板，设计Ø50 mm排水孔、间排距3.0 m。为了满足下游消能抗冲要求，消力池末端设置60 cm厚度的防冲墙，根据计算防冲墙深度设计底高程为422.50 m(后期根据水工模型试验成果进行局部修改)。防冲墙向两岸坝肩延长5 m。消力池后接4.2 m长的混凝土护坦及39 m长的格宾笼石海漫段，护坦及海漫段宽度与消力池一致均为462.00 m。海漫段后以1∶5的斜坡与下游河床相接。消力池纵剖面见图4。

结合以上布置，分别对不同流量下整体塌坝、立坝，局部塌坝、立坝多种组合进行了水工模型试验验证。5孔气动盾形闸全部塌坝运行时，坝底板、闸墩对河道过流影响较小，枢纽上下游水流流态及水位仍保持河道水流特性。枢纽上下游水流过渡平顺，水面平稳；枢纽上游没有形成明显壅水，过闸水流没有形成急流和水跃。5孔闸坝部分立坝、部分塌坝运行对坝体上下游水流流态及流速分布均产生较大影响。5孔闸坝立坝运行对气动盾形闸上下游水流流态及流速分布影响最大。在各运行工况下，护坦下游均形成不同程度扰动冲刷坑，冲刷坑最深点高程430.50 m，最大深度4.50 m。

4.4 基础处理设计

在坝基及消力池基础设厚度为1.0 m的碎石垫层，以缓解基础砂砾石不均匀带来的基础变形不协调问题。

由于砂砾石基础的承载力相对较弱，闸室段、消力池段分别采用各3排(上下游方向均布)、深度6 m的Ø800碎石振冲桩(间距2 m，2～8 cm卵石)以及基础填筑1 m厚的碎石换填(相对密度不小于0.75)解决基础均一性并提高基础承载能力。

4.5 防渗设计

砂砾石基础相对透水率较高，为避免基础渗透破坏，在闸坝混凝土基础上布置混凝土防渗墙(防渗墙中心线坝下0+000.80 m)，防渗墙厚度为60 cm，左侧深泓段、右侧滩槽段防渗墙基础深度分别为8.5 m和6 m，向两岸延伸20 m,沿坝轴线方向总长度为525.60 m。为保证防渗墙自身结构安全，防渗墙采用钢筋混凝土结构。

图4 消力池纵剖面图 单位：cm

4.6 充排气管路布置

坝址区左岸布置空压控制站，通过顶管施工，对气动盾形闸进行充排气控制。闸坝充排气泵站设一套充排气系统及管路系统，通过阀门切换来控制充排气。闸坝分5个坝段，每孔坝段长90 m，每6 m设计1个强化气袋，每个强化气袋采用1个(4.8 cm直径的不锈钢管)充排气口，450 m长合计75个强化气袋，共设3台微油螺杆空压机(13.4 m3/min、0.7 MPa、75 kW)。

5 运行方式

该工程属城市河流蓄水工程，运行时应尽量减少泥沙淤积，并利用洪水过程有效地冲淤排沙。运行原则为：① 工程管理充分利用渭河水情预报系统进行洪水预报；② 主汛期(7-9月)不蓄水，全河道过洪；③ 非汛期均立坝蓄水，根据各月份输沙量统计，10月份，1、2号坝段气动盾形闸塌坝运行排沙，3～5号坝段气动盾形闸立坝运行，处于1/3立坝蓄水状态，库区景观水位处于波动状态，11月-次年3月，泥沙较小，1～5号坝段气动盾形闸全部立坝运行。④ 为确保气盾坝安全运行，坝顶溢流水深控制不超过0.5 m；⑤ 工程立坝蓄水安排在10月初泥沙减少时，运行原则为10月及11月-次年3月方式。

6 结 语

该工程为解决防洪、泥沙、景观及大跨度闸坝控制调度问题，创新性地启用了气动盾形闸坝，并改进以往气盾坝设计思路，设计首次采用气动盾形闸门与充气坝袋分离螺栓锚固技术，大大提高后期检修效率。结合工程区主河床左右侧冲刷河道不对称性，合理提出防渗及消能方案，同时提出创新性的塌坝、立坝运行方案解决行洪及库区泥沙淤积问题。

已建成渭河水面景观工程气动盾形闸坝为现今中国过流流量最大、跨度最长及形成水域面积最大的跨河水利工程。

该项目要求水利工程建设在满足常规功能的基础上，还要与城市环境相协调，符合生态化、景观化的要求，成为人文景观。气动盾形闸门系统水景观效果好、构造简单、施工期短、环保性强、易于维护、使用寿命长、安全可靠，各方面优势明显，为中国水利工程建设提供了新的设计理念，社会经济效益和生态效益显著。