液壓升 壩在城市河 中的 型設(shè)計(jì)

丁 峰 劉月剛 邱象玉

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100048）

近年來，隨著城市功能不斷發(fā)展完善，人民生活水平不斷提高，城市河道整治對河道景觀的要求越來越高。城市河道主要設(shè)計(jì)原則是在保證城市水系防洪、供水標(biāo)準(zhǔn)原則下，并能完美與城市河道景觀相結(jié)合。即在滿足河道基本水利功能的前提下，還要盡可能以水為載體，營造水上河邊景觀，還人以生態(tài)自然的空間環(huán)境，給人以良好的視覺享受。

直升式平面鋼閘門、弧形鋼閘門及人字閘門是水工建筑物常用的幾種閘門型式。但這幾種閘型布置在城市河道上，對有景觀要求的河道有些不盡人意。傳統(tǒng)的平面鋼閘門制造安裝簡單，運(yùn)行管理方便，但孔口上部設(shè)有土建結(jié)構(gòu)和啟閉系統(tǒng)，視覺不通透，影響景觀效果。弧形鋼閘門具有結(jié)構(gòu)簡單、啟閉力小、水流條件好等優(yōu)點(diǎn)，而且弧形鋼閘門的啟閉設(shè)備也得到飛速發(fā)展，液壓啟閉機(jī)取代了部分以機(jī)械傳動方式為代表的傳統(tǒng)的固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)開始應(yīng)用于弧形鋼閘門的啟閉操作上。但是對于較寬河道，需設(shè)置多孔弧形鋼閘門，閘墩的存在減少河道過流斷面，閘門泄流能力有所降低。人字閘門可適用于較寬的航運(yùn)河道，但靜水啟閉的運(yùn)行條件使得其應(yīng)用較為局限。

液壓升降壩是近年來水利行業(yè)新發(fā)明創(chuàng)造的一種新閘型，曾入選為水利部2011年度水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)推廣產(chǎn)品。和傳統(tǒng)擋水型閘壩相比，液壓升降壩具有力學(xué)結(jié)構(gòu)合理、泄水效果好、不易受漂浮物影響和泥沙淤積等優(yōu)點(diǎn)。液壓升降壩現(xiàn)已開始應(yīng)用于城市河道景觀工程、農(nóng)業(yè)灌溉、海水擋潮、山區(qū)河道中。

本文根據(jù)城市河道整治工程設(shè)計(jì)兼顧景觀功能的特點(diǎn)，分析液壓升降壩的原理、結(jié)構(gòu)組成及性能特點(diǎn)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)例，通過對景觀閘型的分析比較，詳細(xì)介紹液壓升降壩在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，從而為類似的工程提供設(shè)計(jì)參考。

1 液壓升 壩20

1.1 液壓升 壩工作原理

液壓升降壩是一種采用液壓系統(tǒng)控制原理和機(jī)械力學(xué)原理，結(jié)合支墩壩水工結(jié)構(gòu)型式的新型活動壩，具備擋水和泄水雙重功能。

液壓升降壩的液壓系統(tǒng)原理簡圖如圖1所示。

圖1 液壓升 壩系統(tǒng)原理簡圖

從圖1可以看出，液壓系統(tǒng)由動力裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、執(zhí)行元件和輔助裝置等組成，液壓泵提供動力，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能。控制調(diào)節(jié)裝置主要指液壓控制閥組，包括溢流閥、節(jié)流閥、換向閥等閥組，其作用是對液壓油的壓力、流量、方向起控制調(diào)節(jié)作用，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的性能要求。液壓缸是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，把液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)液壓升降壩的動作要求。輔助裝置包括油管、管接頭、油箱、濾油器等，油管、管接頭把動力裝置、控制調(diào)節(jié)裝置和執(zhí)行元件連接起來，形成完整的液壓回路。濾油器則對液壓油進(jìn)行過濾，提高液壓系統(tǒng)工作用油的清潔度，防止閥組堵塞，延長各元件使用壽命，保證系統(tǒng)正常工作。

在液壓系統(tǒng)的控制下，液壓缸內(nèi)的活塞沿缸體內(nèi)壁做軸向來回往復(fù)運(yùn)動，從而帶動液壓桿和壩體做直線運(yùn)動，達(dá)到孔口開啟、關(guān)閉的要求。此外，液壓系統(tǒng)還設(shè)置液壓鎖定裝置，從而滿足了液壓升降壩局部開啟的過流要求。

1.2 液壓升 壩結(jié)構(gòu)組成及性能特點(diǎn)

液壓升降壩的構(gòu)造主要由弧形壩面、液壓桿、支撐桿、液壓缸、液壓泵站和油路系統(tǒng)等組成。壩面材料采用鋼筋混凝土。壩面關(guān)鍵參數(shù)如半徑、厚度等均根據(jù)壩前擋水水頭而定。壩面由多扇壩板組成，壩板之間不設(shè)閘墩等阻水建筑物，而設(shè)止水橡皮以滿足壩體止水效果。單扇壩板寬度（標(biāo)準(zhǔn)寬度）為6m，非標(biāo)另行設(shè)計(jì)，壩高從1.5m至6m不等。液壓升降壩底部以鉸鏈軸固定在壩基上，鉸鏈承力桿支撐壩面，并以壩面背后液壓桿的伸縮帶動壩面做扇形上下升降。液壓缸和支撐桿均設(shè)置解鎖裝置控制壩體升降。研制的浮標(biāo)開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)自動坍壩，液壓控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。由于液壓升降壩動力系統(tǒng)采用液壓傳動方式，結(jié)合壩體構(gòu)造，其性能特點(diǎn)有：（1）液壓升降壩跨度較大，結(jié)構(gòu)簡單，支撐牢固可靠，方便制造。（2）液壓升降壩啟閉均由液壓系統(tǒng)控制，自動化程度高，方便無人化管理。（3）液壓升降壩水力條件優(yōu)越。該壩倒伏幾乎完全貼近河床，可暢泄洪水，上游堆積泥沙、卵石、漂浮物均可被沖刷至下游而不阻水。在設(shè)計(jì)水頭范圍內(nèi)，由液壓系統(tǒng)控制壩面在任一位置，靈活有效保證上游蓄水水位和下泄流量。（4）液壓升降壩景觀效果好。活動壩面門前蓄水可形成寬闊水面，增加城市觀光性；門頂溢流可形成瀑布景觀，從而形成良好的景觀效果，改善生態(tài)人文環(huán)境。（5）液壓升降壩耐久性較好。由于活動壩面材料為鋼筋混凝土，只需保證浸泡水中的液壓缸防水密封性能和防腐性能，便可保持液壓升降壩工作持久。（6）液壓升降壩施工簡便，工期較短。和傳統(tǒng)閘門相比，減少閘墩、金屬結(jié)構(gòu)埋件，混凝土工程量小，從而節(jié)約投資成本。

2 液壓升 壩的 型設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

黑河溝又稱門頭溝或黑水河，位于門頭溝區(qū)東南部，起源于官廳村南絕石梁，經(jīng)東店街、東辛房，穿過門城鎮(zhèn)入永定河?，F(xiàn)狀河道過水?dāng)嗝妾M小，多數(shù)堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，局部河段行洪能力僅達(dá)到規(guī)劃的 20~30%，并且河道構(gòu)筑物壅水、阻水現(xiàn)象嚴(yán)重，門頭溝黑河溝已遠(yuǎn)不能滿足城市防洪排水要求。

工程主要任務(wù)是疏挖整治河道，提高河道的行洪排水能力；改善河道水環(huán)境，提高流域范圍的可居住性及提升門頭溝的整體區(qū)域形象；河道形成觀賞水面，堤岸綠化，使黑河溝成為“水清、岸綠、生態(tài)”河道，并為其周邊提供休閑、娛樂、健身場所。根據(jù)工程需要，在河道樁號1+400、1+850、2+422處新建3座節(jié)制閘。節(jié)制閘主要功能為非汛期蓄水擋水，形成景觀水面；汛期開啟，宣泄洪水，保障行洪安全。

2.2 型比

本次工程閘型既需要滿足行洪要求，又需要滿足景觀功能，以2+422處節(jié)制閘24×2.2m（寬×高）為例，現(xiàn)進(jìn)行閘型比選。

目前在城市河道設(shè)計(jì)中，應(yīng)用較多的景觀閘型有鋼壩閘，氣動盾形閘，水力自控翻板閘門?，F(xiàn)對各閘型進(jìn)行逐一介紹。

鋼壩閘主要由門葉結(jié)構(gòu)、底軸結(jié)構(gòu)、拐臂結(jié)構(gòu)和液壓啟閉設(shè)備等組成。液壓缸通過拐臂與閘門底軸連接，活塞桿的伸縮推動拐臂帶動閘門底軸轉(zhuǎn)動，從而控制閘門啟閉。鋼壩閘門可立壩蓄水，允許門頂溢流，形成人工瀑布的景觀效果，也可局部開啟，調(diào)節(jié)上下游水位。門體倒下時(shí)，門體與下游閘底板處于同一高程，泄洪時(shí)不阻水。

氣動盾形閘主要由聚酯纖維強(qiáng)化橡膠氣袋和熱浸鍍鋅高強(qiáng)度鋼板組成。橡膠氣袋位于鋼板下游，氣袋與鋼板底部通過專用配件安裝并固定在閘底板基礎(chǔ)混凝土上，閘門板后設(shè)置有安全抑制帶以限制其向上游倒伏。氣動盾形閘采用壓縮空氣的啟閉方法，能夠滿足動水啟閉，并允許整扇閘門局部開啟或門板分區(qū)倒伏過水的要求。

水力自控翻板閘門主要由門葉、支腿、連桿等結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)閘門上游水位調(diào)節(jié)，閘門借助重力與水壓力合力作用及相應(yīng)力矩變化實(shí)現(xiàn)閘門開啟或關(guān)閉。閘門泄流時(shí)門葉上游同時(shí)出流。水力自動翻板閘門也可增設(shè)液壓啟閉機(jī)，實(shí)現(xiàn)水力與液壓雙重控制。

表1列舉了這4種常見景觀閘型的投資成本、使用壽命、泄洪效果、景觀效果、自動化程度和缺點(diǎn)不足。

表1 型方案比

從表1可以看出，液壓升降壩、水力自控翻板閘門、鋼壩閘、氣動盾形閘這4種閘型各有其優(yōu)缺點(diǎn)。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)比選時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分結(jié)合工程實(shí)際情況選擇相應(yīng)的閘型。由表1同樣可以看出，液壓升降壩、鋼壩閘、氣動盾形閘在泄洪效果、景觀效果、自動化程度方面具有同等優(yōu)勢，但液壓升降壩投資成本更低，使用壽命更長，因此在本次工程設(shè)計(jì)中節(jié)制閘閘型優(yōu)先推薦使用液壓升降壩。

2.3 液壓升 壩的布置

以2+422節(jié)制閘為例，液壓升降壩布置圖如圖2所示。

節(jié)制閘所在河段為矩形斷面，底寬24m，河底高程 117.54m，堤頂高程 121.04m。工程布置依次為：上游連接段、鋪蓋段、閘室段、消力池段及下游連接段等。上游鋪蓋段采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚400mm，長10m，高程為117.54m。閘室底板為單孔分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘孔凈寬24m，長5m，底板采用二層臺階式，上層臺階與鋪蓋段連接，高程為 117.54m，下層臺階與消力池段連接，高程為116.24m。

液壓升降壩安裝在上層臺階，壩面立起擋水時(shí)面板與鉛垂面呈18°角度?；顒訅蚊娣诺购?，壩體只高出原壩頂20~30cm，有效保證壩體的泄洪效果。上層臺階預(yù)留壩體鉸支座二期混凝土孔口尺寸，二期澆筑時(shí)，預(yù)埋件鋼筋應(yīng)與一期混凝土預(yù)留鋼筋焊接牢固。上層臺階與下層臺階銜接處，預(yù)留支撐桿二期混凝土尺寸。下層臺階預(yù)留液壓缸二期混凝土安裝尺寸，二期混凝土處理方法同鉸支座、支撐桿。底板和邊墻均預(yù)留液壓管路槽，底板液壓管路槽上鋪砼蓋板，邊墻油路預(yù)留槽上鋪鋼板蓋面。液壓管路埋設(shè)好之后與液壓缸、液壓泵站連接。液壓升降壩由4扇單扇壩板組成，單扇閘門重量約為4500kg，壩板間設(shè)橡皮止水。單扇壩板后埋設(shè) 2支液壓缸，液壓缸內(nèi)徑Φ140mm，液壓缸設(shè)計(jì)最大工作壓力為16Mpa。液壓泵房布置在左岸稍遠(yuǎn)處，液壓升降壩可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制和集中控制。下游消力池段為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長10m，底板厚600mm。液壓升降壩允許門頂溢流，為避免局部開啟運(yùn)行時(shí)門頂溢流及啟閉操作時(shí)造成門后負(fù)壓，壩后兩側(cè)邊墻設(shè)置通氣孔以起到補(bǔ)氣的作用，從而減小壩體振動。

圖2 液壓升 壩布置圖

3 結(jié)語

結(jié)合北京市門頭溝區(qū)黑河溝液壓升降壩的工程設(shè)計(jì)實(shí)例，經(jīng)過閘型比選，結(jié)合液壓升降壩的布置與設(shè)計(jì)特點(diǎn)，最終得出如下結(jié)論：（1）液壓升降壩運(yùn)行安全可靠，蓄水壩前可形成景觀水面，行洪不阻水，能夠同時(shí)滿足防洪設(shè)計(jì)和河道景觀要求。（2）液壓升降壩布置簡單，施工難度低，可大大節(jié)約土建與金屬結(jié)構(gòu)成本。（3）可為城市景觀河道閘型的選取提供設(shè)計(jì)參考。

1. 褚紅梅. 對城市景觀河道建設(shè)的幾點(diǎn)思考[J]. 江蘇水利, 2007,11: 22-24.

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