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国产气盾坝在咸阳渭河水生态治理工程中的应用研究

发布日期:2021-06-03   00:00:00  信息来源:青岛华明工业  浏览数:663 次

渭河咸阳城区段水生态治理工程地处陕西省咸阳市区渭河干流,工程的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,利用主河槽筑坝蓄水,营造城市生态蓄水景观,改善城市水生态环境。渭河治理河段采用主河槽筑坝蓄水+两侧滨河生态园的治理方案,坝址位于西宝高速桥以下620 m处,坝高4.0 m,主河槽形成蓄水区长度2.5 km,蓄水面宽300 m~550 m,蓄水面积95.33万m2,蓄水量110万m3。

 

咸阳渭河气盾坝

 

渭河是著名的多泥沙河流,为适应其水沙特性,挡水建筑物前期工作中采用充水枕式橡胶坝,施工图阶段总结渭河干流上多座橡胶坝的运行情况,对坝型再次进行比较论证,设计选择了作为水利部水利技术推广产品的国产气盾坝坝型。

气动盾形闸门系统,简称气盾坝,是由一组橡胶气囊作为支撑,上游临水面采用钢板制作挡水盾板,通过给橡胶气囊充气和排气,实现挡水盾板拦河挡水及泄水塌坝的一种新型挡水建筑物,气盾坝兼顾了传统钢闸门、橡胶坝和翻板闸的优点,其控制系统简单,由美国发明,在美国已经应用30多年[1]。我国多年前开始引进以代销形式进行推广,鉴于价格昂贵,推广缓慢。近年通过我国相关部门的技术攻关,成功实现国产化,使得价格大幅降低,作为水利部新技术推广坝型,开始得到有效推广应用。

咸阳渭河气盾坝坝高4.0 m,坝长300 m,是多泥沙河流上规模最大的国产气盾坝。笔者通过对该气盾坝的应用设计和研究,试图为今后国产气盾坝的推广,特别是在多泥沙河流上的应用积累经验。

1 渭河水沙特性及重点技术问题
渭河是黄河最大的一级支流,本工程处于渭河中游段的末段,工程区河道宽浅,河床平缓,河宽530 m~940 m,比降仅0.65‰,河床质为第四系全新统冲积(Q42al)细砂。工程区河段渭河多年平均实测径流量30.191亿m3,100年一遇设计洪峰流量9 170 m3/s,坝址多年平均输沙总量达12 481万t,为典型的多泥沙河流。渭河泥沙主要集中在汛期6月—10月,汛期悬移质输沙量约占全年的93%,多年平均含沙量28.6 kg/m3,最大含沙量达729 kg/m3。

为适应渭河的水沙特性,以及城市水生态治理工程特性,坝型选择的重点技术问题主要为:(1)洪水泥沙与蓄水的矛盾问题;(2)蓄水区泥沙淤积问题;(3)汛期安全快速塌坝问题;(4)泥沙对坝型的影响问题;(5)坝型自身的景观效果问题。

2 气盾坝适宜性研究
气盾坝的适宜性主要是对渭河特性的适应性,以及本工程作为城市河流水生态景观工程与环境的协调性分析。

气盾坝主要结构是固定在坝底的弧形钢制坝板和橡胶气袋,由一组弧形钢制盾板、一组橡胶气囊、一排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 m~8 m钢板拼接而成,钢板与钢板之间采用P型止水。气盾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。

2.1 气盾坝优点分析

(1)气盾坝相比橡胶坝,具有气囊体积小,充气时间和排气时间都很短,能够实现及时、快速塌坝的特点,一般塌坝时间10 min左右,远远短于渭河洪水演进至工程区的时间,气盾坝可确保汛期安全快速塌坝,更大程度的确保河道行洪安全。

(2)气盾坝的快速塌坝特性,可很好地解决渭河洪水泥沙下泄与主河槽蓄水的矛盾问题。根据渭河水情预报,可在上游洪水泥沙来临前,快速塌坝泄空蓄水区,保障洪水泥沙安全下泄;洪水过后,又可快速立坝蓄水,形成水生态景观。

(3)对于渭河多泥沙河流而言,工程采用非汛期立坝蓄水、汛期视洪水泥沙下泄情况择机蓄水的运行方式,即便如此,蓄水区淤积难免。由于气盾坝可在短时间内快速塌坝,其快速塌坝过程中水流携沙能力大大增强,设计可充分利用塌坝水流的携沙能力,对蓄水区的泥沙进行水力排沙,有效解决蓄水区泥沙淤积问题。

(4)气盾坝相比橡胶坝,支撑气囊隐藏在盾板之后,在行洪塌坝时,水中的推移质泥沙和漂浮物越盾板而过,支撑气囊和附属系统不受水流冲刷和钩挂,气囊不易被扎坏,使用寿命长,一般可达30 a。

(5)气盾坝控制系统简单,采用空压机进行充气排气控制,空压控制站规模小,具有塌坝的低成本特性,运行管理成本低。

(6)气盾坝是一种新型的气盾景观钢坝,在日常泄水时,自然形成景观瀑布,新颖美观,与咸阳城市环境相协调。

2.2 气盾坝主要缺点

(1)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。

(2)由于渭河多泥沙特性,挡水钢盾板存在泥沙冲击和磨损问题,防腐防锈处理技术要求高。

(3)气盾坝价格高,一次性成本较大。

(4)气盾坝目前无国家相关技术标准和规范。

(5)坝顶不溢流时,坝体下游的气囊外露,美观性较差。

基于上述分析,并对国内代理美国气盾坝以及桑尼国产气盾坝的技术经济对比研究后,本工程的坝型选择国产气盾坝坝型,在保证坝体质量的基础上,大大降低了工程价格,气盾坝坝型的技术经济指标趋于合理。

3 渭河气盾坝的特殊技术要求
由于渭河多泥沙特性,挡水钢盾板不同于清水河流上的盾板制作及技术要求,在常规气盾坝的技术要求基础上,需特殊考虑的技术要求为:

(1)钢盾板的厚度及强度设计需考虑汛期推移质对钢板的冲击力问题,以及盾板上游侧泥沙淤积形成的泥沙压力对钢板强度的要求问题。

(2)钢板制作需考虑泥沙对钢板的磨损问题,防腐防锈处理应特别加强。

(3)气囊的设计及空压机的选型需考虑挡水过程中盾板上游泥沙淤积形成的泥沙压力;以及塌平后盾板上可能形成的泥沙淤积层对立坝充气压力的影响。

(4)渭河气盾坝坝长300 m,需考虑挡水时坝前泥沙淤积厚度的不均衡问题,可能对各气囊压力的影响。

(5)边板的止水密封需加强。

4 气盾坝应用设计
4.1 坝体设计
(1)坝体结构布置。渭河气盾坝坝底板高程按坝址处河床平均高程控制,总坝长为300 m,坝高为4.0 m,分4个坝段,各坝段之间设置中墩,自左岸向右岸分别为1#~4#坝段,各坝段长度根据挡水盾板分块长度的要求确定,各坝段长度分别为84 m、84 m、66 m、62.4 m,中墩宽度1.2 m。

气盾坝的挡水盾板挡水高度为4.0 m,挡水高度方向为弧形,弧线总长度为4.6 m,塌坝后塌落长度为4.0 m,为了检修方便,在塌落后的盾板上游及下游各布置2.5 m宽的检修通道。为保护气盾坝锚固螺栓的安全,减少水流冲刷及泥沙磨损,锚固螺栓上游设置15 cm高的保护坎。经过稳定计算,气盾坝螺栓锚固位置距离坝底板上游边缘5.3 m。

根据流速分析,气盾坝坝顶溢流流速约9.0 m/s,水流下落至坝后底板的流速较大,并考虑水流携带泥沙对坝底板的冲击力和磨蚀性强,坝底板采用C35抗冲磨混凝土结构,抗冻等级为F150,抗渗等级为W4。根据消能分析,对坝后进行消能防冲设计。坝体结构布置见图1。
坝体结构布置图

图1 坝体结构布置图

(2)挡水盾板及气囊设计。1#、2#坝段长度均为84 m,挡水盾板每块宽度为6 m,各布置14块挡水盾板及充气气囊;3#坝段长66 m,挡水盾板每块宽度为6 m,布置11块挡水盾板及充气气囊;4#坝段长62.4 m,挡水盾板每块宽度为6.24 m,布置10块挡水盾板及充气气囊,4个坝段共布置挡水盾板及充气气囊49块。在每个坝段,各挡水盾板之间采用橡胶止水带进行止水,止水带用螺栓固定在两侧盾板上。

4.2 充排气管路布置
渭河左岸堤防外侧布置空压控制站,对气盾坝进行充气排气控制。控制室内布置两套充气设备,其中1#、2#坝段采用一套充气设备,3#、4#坝段采用一套充气设备进行控制,每两个气囊采用一根充气管道进行充气控制,如:1#、2#坝段盾板均为14块,各布置7根充气管道,充排气管采用DN50PPR管道。

充排气管道埋置于坝底板内,靠近底板下游侧。左岸边墙外布置一座竖井,坝底板内充排气管道先接至竖井,管道经过竖井再接至控制室。

4.3 充排气设施及控制室
渭河气盾坝规模大,设计采用两套充排气设施,充气设备为罗茨风机和自动螺杆空压机,气囊充气时,首先采用罗茨风机充气,当气囊内压力达到80 kPa后,罗茨风机自动关闭,采用螺杆空压机升压,达到气囊工作压力。

罗茨风机和自动螺杆空压机等设备布置在控制房内,两套设备并排布置,从储气罐内分为多个支管,然后再接至坝底板内的充排气管,对气囊进行控制,在各支管上均需安装气压表,以便对气囊内压力进行测量,便于自动化管理控制。

4.4 运行原则
由于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。主要运行原则为:(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月—9月)原则上不蓄水,根据每年水情预报具体情况可择机蓄水。

(3)非汛期均立坝蓄水,蓄水区应根据泥沙淤积情况适时塌坝冲沙清淤。

(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)非汛期通过对气盾坝的灵活控制,保证蓄水期间下游生态基流的安全下泄。

5 结 语
咸阳渭河气盾坝为渭河干流上首次采用,也是在多泥沙河流中首次设计成功、规模最大的国产气盾坝,标志着气盾坝国产化的成功。