鋼壩壩型在城市水景觀建設中的應用

廖欠松 彭鐘文

（郴州市水利水電勘察設計研究院 郴州市 423000）

前言

鋼壩設計原理，主要就是門頁擋水，將水壓力及彎矩傳遞到門底軸，其中水壓力通過底軸軸承傳遞給閘基礎，而彎矩則通過底軸傳遞給兩軸端的液壓啟閉機。鋼壩閘門全開時，閘門門頁臥于河底，閘孔上方可不設置任何建筑物，阻水作用小，對超標洪水影響微乎其微，立閘可蓄水，臥閘可行洪排澇，利用閘頂過水，形成人工瀑布的景觀效果。

隨著人們生活水平的提高，城市經濟的發(fā)展，人們越來越注重居住生活環(huán)境的改善和保護。城區(qū)兩岸堤防基本形成，沿河兩岸人口密集、空氣清新，是人們晨練、休閑、旅游的地帶。但由于山區(qū)在枯水季節(jié)河道干涸，影響河道凈化和城市美化，需修建對城市防洪影響小、景觀效果好的閘壩。因此，鋼壩壩型有明顯的優(yōu)越性，作為該位置閘壩的首選。

近年來，郴州修建了一系列鋼壩，有代表性的項目主要有東街橋水閘、四普莊水閘、官山橋水閘。這幾座閘均位于山區(qū)、丘陵區(qū)城市河流上，兩岸堤防均已經形成，人口密集，而城市堤防現(xiàn)狀防洪標準較低，防洪壓力較大。為盡可能降低對城市防洪的影響，改善閘址段河流的景觀效果，選定閘型均為鋼壩。其中四普莊閘凈跨50 m，分為兩孔，閘門門頁高4.9 m，底軸軸徑為1 m，于2013年8月蓄水運行；東街橋閘凈跨為51 m，門頁高3.8 m，軸徑為1 m，橫跨郴江，于2013年8月蓄水運行；而官山橋閘凈跨為50 m，門頁高2.5 m，軸徑為0.8 m，官山橋閘于2012年10月蓄水運行，在此期間，我們多次到達現(xiàn)場或通過電話聯(lián)系等方式，向水閘管理單位詳細了解了水閘安全運行情況。通過了解得知，自水閘蓄水運行以來，經歷了幾次洪水，多次啟閉。目前，水閘變形小，基本上肉眼察覺不到，水閘閘頂溢流形成瀑布，閘頂漂浮物基本可引致下游，景觀效果較好，另外，洪水來臨時，可迅速將閘門打開，且閘門開啟穩(wěn)定，開啟速度較快，一般是（3～8）min，滿足泄洪要求，達到了設計效果。

1 鋼壩設計

1.1 地基選擇及基礎處理

由于閘門跨度大（軸長），基礎不均勻沉降會嚴重影響閘門運行安全，因此鋼壩對基礎要求高，一般為巖基，而砂卵石基礎則需經過防滲、固結處理后才能作為鋼壩基礎。

1.2 鋼壩水力計算

鋼壩閘門門頂單薄，為圓弧形，水力計算采用薄壁堰堰流公式計算；而閘門完全打開時，閘門臥于河底，形成寬頂堰，因此，采用寬頂堰堰流公式計算泄流能力。而發(fā)生洪水，閘門打開時，閘上下游水位差較小，閘后形成淹沒水躍，不需要進行消能，而根據(jù)閘門工作狀況，閘門處于小流量時，此時閘門處于立起狀態(tài)，閘下水位低，此時閘下可視為跌水，其消能可按跌水消能計算公式進行（消能設施設計由小流量控制，而防沖設施則由設計洪水工況控制）。

1.3 鋼壩設計

考慮鋼壩壩頂形成瀑布，不至于增加較多工程造價，減小閘門自動開啟的頻繁程度，確定頂部溢流高度為0.2 m。

考慮山區(qū)河流洪水流量大，歷時短，往往洪水中夾帶大量的泥沙，可利用自動啟閉裝置將閘門完全打開進行泄洪沖砂，在已建的幾個鋼壩水閘中，堰高在（0.5～1.0）m，泥沙淤積較小，閘門運行較為安全。

閘壩整體穩(wěn)定計算：抗滑穩(wěn)定計算采用抗剪或抗剪斷強度公式，應力計算采用材料力學法。最不利的工況以正常水位運行工況為控制工況。

1.4 其 他

鋼壩驅動室位于兩岸堤防，由于需考慮防洪、防雨等功能，開窗困難，里面通風條件差，加上南方河流附近區(qū)域濕度大，導致驅動室內電子元件容易受潮失效，因此，需在驅動室內增設通風系統(tǒng)，在驅動室上、下游各設置一通氣孔，在進氣口設管道至水泵啟動水位，并在進口設送風風扇，在驅動室頂板下排風口設置排風風扇，根據(jù)濕度自動控制運行，同時，盡可能將設備移出驅動室，置于堤防上，以延長使用壽命。

鋼壩運行時，形成瀑布，當閘頂溢流超過10 cm時，閘門振動較大，甚至共振，噪音擾民（尤其是在10 m 范圍噪音大），其原因主要是閘門后形成真空，解決措施可通過閘頂設分流柵欄、分段泄流或在兩岸閘后增加通氣孔可緩解其問題。閘門布置時應盡可能考慮遠離居民區(qū)。

2 鋼壩運行管理

2.1 鋼壩運行

（1）鋼壩閘、啟閉機運行前應完成并再次檢查電控系統(tǒng)接線是否正確，各種參數(shù)設置是否適當，調整行程參數(shù)，試驗保證到位后能停止電機運轉。

（2）點動試運行鋼壩閘門的啟閉、啟閉機油缸活塞桿的伸縮，重新正確設置電控系統(tǒng)參數(shù)，液壓系統(tǒng)參數(shù)（啟閉力在出廠前已設定好，一般不要改動，更不要超壓使用，啟閉速度可調整控制閥組上節(jié)流閥閥口開度）。

（3）觀察整個閘門的運行狀況，啟閉機油缸活塞桿伸縮的同步性，閘門各止水部位、封水套、底鉸座等工作有無異常，觀察電控系統(tǒng)各項功能的工作性能，并逐一試驗鋼壩閘在5個鎖定位置，液壓鎖定器工作的正確性及可靠性。

（4）待點動運行調整后一切性能要求達標，即可切換到正常運行模式正常工作。

（5）本電控系統(tǒng)對兩側啟閉機各自活塞桿伸出的實際位置及運行速度實時監(jiān)控時，當兩者動態(tài)實時位置誤差超過30 mm 時，電器系統(tǒng)能及時鎖定、報警，在調整、排除故障后方可再運行。

（6）如按用戶要求，鋼壩閘啟閉機上裝有應急啟閉用的手動油泵液壓系統(tǒng)，則在無電狀態(tài)或電控運行有故障時均可啟用手動油泵系統(tǒng)。打開兩只節(jié)流截止閥，搖動手動泵手把和扳動手動換向閥即可啟閉閘門。注意：如手動換向閥在一個位置下?lián)u動手動泵數(shù)次后啟閉機仍未動作，要扳動手動換向閥換向，以免超壓。應急啟閉完后，一定要關閉節(jié)流截止閥。

（7）特殊情況處理。閘壩為鋼壩閘門，由液壓設備及配套電氣設備控制啟閉，另外液壓系統(tǒng)需配備應急手動油泵裝置，如遇特殊情況，如停電、檢修、設備故障的原因，閘門不能正常及時啟閉時，可以啟動備用電源或手動操作，操作力只需5 kg，這樣可更有效地保障閘門的可靠運行，安全性更高。最后一道安全保障，就是通過專用工具將液壓油放掉，讓水力將閘門緩慢推倒。

2.2 鋼壩閘、啟閉機的維護和保養(yǎng)

（1）本鋼壩閘由于在主要運轉件——底轉軸鉸上采用了先進的特殊復合材料NGA、NGB，允許水下運行若干年無須加潤滑油，也不會銹蝕。

（2）本鋼壩閘是一種特殊結構的水閘形式，它沒有底門槽及側門槽，是門葉圍繞底軸放置的結構，故淤泥（沙）不會影響閘門的開啟與關閉。

（3）針對淤積嚴重的地區(qū)，一般在閘前設擋沙檻，應定期清理被其擋住的大石塊，另啟閘泄洪時，定期適當調節(jié)閘門開度，提高水流速度，可有效地讓泥沙直接隨洪水沖至下游。

（4）定期檢查閘門各止水橡膠的磨、破損及老化情況，定期檢查兩啟閉室中閘門底軸封水套填料的磨損情況，及時查漏及時更換。

（5）啟閉機如有可能應每月至少運行一次，以防密封件老化。每年應更換一次液壓油并清洗內部。根據(jù)使用頻率，每2～3年檢查油缸密封件情況。如有損壞或老化應更換。

（6）鋼壩閘集成式液壓啟閉機常見故障及處理方法集成式啟閉機為全封閉集成結構，因此油外泄漏少，無塵運行控制閥塊故障率低。一般性故障及排除方法如附表。

啟閉機正式運轉兩個月后應清洗一次油箱，更換液壓油。加油應用濾油小車進行，過濾精度不低于20 μm。以后每年應更換一次液壓油。

附表 故障及排除方法