蔡金麗 孟建發(fā)
(太原市水利勘測設(shè)計院 太原 030002) (河北省石津灌區(qū)管理局 石家莊 050000)
鋼壩閘
——一種新型擋水結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用
蔡金麗 孟建發(fā)
(太原市水利勘測設(shè)計院 太原 030002) (河北省石津灌區(qū)管理局 石家莊 050000)
鋼壩閘作為一種新型的擋水結(jié)構(gòu),克服了橡膠壩容易被尖銳物刺破、易老化、充塌壩時間長影響行洪等不利條件,是一種新型可調(diào)控溢流閘門,啟閉簡單,使用維護便利,非常適用于北方多泥沙河流的擋水蓄水工程,近年來得到了較多的應(yīng)用。
鋼壩閘 橡膠壩 擋水 結(jié)構(gòu)原理
在水利水電建設(shè)中,隨著城市用水、景觀建設(shè)及環(huán)境整治和灌溉、發(fā)電工程的需要,翻板閘、水閘和橡膠壩得到廣泛的運用。近年來,由于橡膠壩具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、可按需要調(diào)節(jié)水位、操作靈活、節(jié)省鋼材、造價低廉等優(yōu)點,被廣泛運用于水利水電工程建設(shè)中。尤其是其壩體能自由充脹和塌縮、蓄泄控制自如,以及跨度大、景觀協(xié)調(diào)性好、壩頂可溢流等諸多特點,使橡膠壩在防洪河道治理及城市生態(tài)景觀建設(shè)中得到了更為廣泛的應(yīng)用。
然而,橡膠壩也有其自身的弱點,由于橡膠壩是由高分子合成材料聚合而成,壩袋容易被尖銳物刺破,長期在室外環(huán)境中壩袋易老化,同時運行時充水(充氣)升壩或放水(放氣)塌壩時間較長,影響快速截流或泄洪,給河道行洪帶來一定的安全隱患?,F(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)閘門,無論是提升式水閘還是臥倒式翻板閘,由于受閘門自重和提升設(shè)備的限制,單孔孔徑都很小,加之上部啟閉設(shè)備復(fù)雜,很難適應(yīng)城市河道景觀美化的要求。
鋼壩閘既克服了傳統(tǒng)鋼閘門孔徑小、啟閉設(shè)備復(fù)雜等缺點,又克服了橡膠壩易老化、塌立壩速度慢等缺點,是一種新型可調(diào)控溢流閘門。它由帶固定軸的鋼閘門門體、液壓啟閉設(shè)備和配套土建結(jié)構(gòu)工程等組成。這種建筑物適合于閘孔較寬(10~100m)而水位差比較小(1~7m)的工況,由于它可以設(shè)計得比較寬,可以省掉數(shù)孔閘墩,因此不僅結(jié)構(gòu)簡單美觀,而且可以立門蓄水,臥門行洪排澇,適當(dāng)開啟調(diào)節(jié)水位,還可以利用閘門門頂過水,形成瀑布的景觀效果(見圖1)。
圖1 鋼坎閘景觀
鋼壩閘不同于以往的鋼閘門,它是由底部帶固定軸,并與鋼閘門門葉鉚接在一起組成,閘門的啟閉靠埋設(shè)于兩側(cè)邊墩內(nèi)的液壓啟閉機帶動軸轉(zhuǎn)動,從而達到使閘門立門蓄水、臥門行洪排澇的目的。它在擋水時還可以適當(dāng)調(diào)節(jié)一定開啟角度來調(diào)節(jié)水位,同時可以利用閘門門頂過水,形成瀑布的景觀效果。
鋼壩閘是一種特殊結(jié)構(gòu)的水閘型式,它沒有底門槽和側(cè)門槽,是門葉圍繞底軸心轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)。上游止水壓在圓軸上,當(dāng)門豎起或倒下時,止水不離圓軸的表面,始終保持密封止水狀態(tài);側(cè)止水固定在門的兩側(cè),采用“Π”形止水形式,依靠橡皮止水與側(cè)墻的擠壓力達到止水的目的。閘門臥倒時,止水面始終不離開側(cè)胸墻(不銹鋼埋件),因此不會造成側(cè)漏水,也不會影響鋼壩閘門的開啟和關(guān)閉。
傳統(tǒng)的閘門啟閉機有卷揚式和螺桿式兩種,這兩種啟閉機不僅外形復(fù)雜,不能滿足景觀要求,安裝也極不方便,需要大量的土建支持和許多輔助設(shè)施。
鋼壩閘的突出優(yōu)點就是采用了集成式啟閉機。這是一種新型的機電液一體化的液壓啟閉機,通過液壓桿的平行移動帶動鋼壩閘底軸轉(zhuǎn)動,完成閘門的啟閉(見圖2)。它只需要簡單的預(yù)埋就可以實現(xiàn)長期穩(wěn)定地工作,既達到了其他啟閉形式無法達到的景觀效果,也減少了工程投資額,更為將來極少的維護減少了許多管理工作。
鋼壩閘所需配套土建工程與一般水閘大致相同,有鋪蓋段、底板段、消力池段等。其中底板為臺階式,將轉(zhuǎn)軸置于設(shè)計底板高程以下,以便閘門在臥倒時與底板面齊平,有利于河道泄洪、排沙。由于底止水和側(cè)止水與常規(guī)水閘設(shè)置不同,所以不需設(shè)底門槽和側(cè)門槽,邊墩與啟閉機室布置為一體。鋼壩閘相對于一般水閘的突出優(yōu)點就是它能適用于跨度較大的河道,其單孔閘孔寬度可50~60m,因此其中墩設(shè)置較少,對河床的束窄率低,能滿足河道泄洪要求。
相對于常規(guī)水閘和橡膠壩,鋼壩閘無論是從結(jié)構(gòu)型式還是美觀實用上,都有著諸多優(yōu)點:
圖2 鋼壩閘啟閉設(shè)備
a.從美觀和安全適用情況來看,常規(guī)水閘由于受啟閉設(shè)備的限制,單孔尺寸一般都不超過10m,這樣不僅需要設(shè)置很多的中墩,土建工程增加,而且對河道行洪和美觀上都有一定的影響。橡膠壩克服了以上缺點,但是橡膠壩壩袋易被尖銳物刮破,且其充塌壩時間較長,對于北方季節(jié)性河道來說,一是洪水期河道內(nèi)夾雜的大石塊或樹枝等較多,壩袋容易被刮破,二是塌壩時間長(約30~80min左右),容易對防洪留下隱患。同時橡膠壩還存在被人為造成破壞、被漂浮物刺破、壩體振動磨損、壩與兩岸的磨損、火災(zāi)等諸多隱患。鋼壩閘很好地解決了上述幾方面的問題,剛性的門體本身就具有較強的堅硬性,不易被損壞,而且鋼性閘門采用液壓啟閉機啟閉,運行速度可達1~2m/min,經(jīng)計算不超過2min即可完成開閘和閉閘,可有效地保證突發(fā)洪水時能及時泄洪。
b.從使用耐久性來看,鋼壩閘的設(shè)計使用壽命可達50~60年,當(dāng)前國際上最長壽命的閘為近百年。而橡膠壩10~15年就必須更換一次壩袋。
c.從運行可靠性上分析,橡膠壩一般須建一座供氣站或抽排水泵房,管路多且復(fù)雜,而鋼壩閘門僅僅配套二臺集成式啟閉機,該種啟閉機是一種新型啟閉機,它結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,無需油管、泵站等附屬設(shè)施,另外該啟閉機配備了手動裝置,操作力只需50N,可以有效保證塌壩時能塌壩、立壩時能立壩,安全性極高。
d.從運行能耗上來看,100m長的鋼壩閘只需要4臺液壓啟閉機,每臺液壓啟閉機的額定最大功率為15kW。100m的鋼壩閘用電負(fù)荷量只需60kW·h左右,每次升壩時間約為2~3min;而100m橡膠壩的用電負(fù)荷量最少要在100kW·h左右,每次升壩時間約為3~6個h或更長。因此鋼壩閘比橡膠壩可節(jié)省相當(dāng)大的用電量。
e.從管理上看,鋼壩閘操作簡單,僅需配備一兩名運行維護人員,還可以實現(xiàn)先進的自動化網(wǎng)絡(luò)控制,相比橡膠壩可大大減少運行管理人員。
f.在冬季運行的問題上,鋼壩閘可以輕松安全地度過冬季,一般情況下鋼壩閘的蓄水位比橡膠壩高幾十厘米,所以到了冬季,將鋼壩閘傾斜一定角度,此時若結(jié)冰,冰層可以沿著斜角向上延伸,從而有效地釋放冰的膨脹力,這樣鋼壩閘不會受到任何破壞。另外由于鋼材本身的堅硬特質(zhì),每年春天的凌汛均可以完全在壩頂泄洪。而橡膠壩根據(jù)實際使用情況,冬季一旦結(jié)冰就必須做好刨冰工作,否則將對橡膠壩造成致命的損壞,而刨冰工作完全依靠人工完成,既耗時又耗力,且給管理帶來極大的不便。到春天解凍時,冰凌不能在橡膠壩上溢流,結(jié)實而鋒利的冰塊很可能把橡膠壩劃破。
鋼壩閘的缺點主要表現(xiàn)在門體需要耗費大量的鋼材,一次性投資較大。橡膠壩工程(含土建及泵站工程)擋水高度3m時,每延米投資約4.8萬元,同樣情況下鋼壩閘每延米投資約8萬元,高于橡膠壩工程。
鋼壩閘作為一種新型的擋水結(jié)構(gòu),克服了橡膠壩容易被尖銳物刺破,易老化,充塌壩時間長影響行洪等不利條件,是一種新型可調(diào)控溢流閘門,可以立門蓄水、臥門行洪排澇,啟閉閘門靠隱藏在邊(中)墩的液壓設(shè)備,啟閉簡單,適當(dāng)開啟可以調(diào)節(jié)水位,還可以利用閘門門頂過水,形成瀑布的景觀效果,非常適用于北方多泥沙河流的擋水蓄水工程。
由于鋼壩閘為一新興的事物,目前還沒有國家統(tǒng)一設(shè)計規(guī)范,生產(chǎn)廠家也較少,據(jù)了解其底部采用的滾軸國內(nèi)還不能生產(chǎn),只能從德國進口,但考慮到其與橡膠壩相比有諸多優(yōu)點,相信在不遠的將來,隨著鋼壩閘技術(shù)的日臻成熟,鋼壩閘的應(yīng)用會越來越廣泛。