新型翻板鋼閘門在某河道綜合治理工程中的選用分析

馮 奮

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，730000，蘭州）

新型底軸翻板鋼閘門俗稱鋼壩，作為一種新的壩型近年在城市防洪及景觀工程中得到逐步應(yīng)用，但針對工程具體的要求及特點(diǎn)，選擇時需要對適用性進(jìn)行比較研究及探討?，F(xiàn)以青海西寧市甘河多巴新城段治理工程為例，進(jìn)行闡述分析。

一、工程概況及任務(wù)

多巴新城東距省會西寧市20km，被定位為西寧市城市副中心。甘河是湟水河的一級支流，甘河由南向北穿越甘河谷地，流經(jīng)甘河工業(yè)園區(qū)后進(jìn)入多巴新城，最終匯入湟水河。依據(jù)《西寧市城市總體規(guī)劃》防洪工程規(guī)劃，現(xiàn)狀整體防洪工程規(guī)模偏低，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不足。除湟水河城區(qū)中段已建設(shè)有50年一遇的堤防外，其他地區(qū)尚無形成體系的防洪設(shè)施，難以滿足新城的發(fā)展要求。根據(jù)多巴新城規(guī)劃及防洪規(guī)劃的目標(biāo)任務(wù)，對西寧市甘河多巴新城段河道進(jìn)行河道防洪治理，同時對河道規(guī)劃控制范圍內(nèi)布設(shè)景觀，建立該段河道的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。將甘河多巴新城段防洪標(biāo)準(zhǔn)由目前無防洪措施提高至50年一遇水平。

二、樞紐的布置

1.河道治理特點(diǎn)

依據(jù)工程確定的保護(hù)對象及防洪保護(hù)范圍，甘河治理范圍自西寧市南繞城高速至湟水河匯口結(jié)束，綜合治理河道5.34 km。在南繞城高程北側(cè)新建一座分水樞紐，包括泄洪閘、溢流堰、前池等，將甘河多巴新城段分為主泄洪河道與景觀河道，將常水與洪水分離，常水通過景觀河道過水，洪水通過主泄洪河道行洪。其中新建主泄洪河道1.63 km，治理景觀河道3.71 km。主泄洪河道段，設(shè)計(jì)洪水121 m3/s，設(shè)計(jì)平均縱坡 8‰，平均河道水深2.0 m，河道斷面型式可選擇梯形斷面和復(fù)式斷面等。結(jié)合《總規(guī)》中的綠地規(guī)劃，將該段河道打造成多巴新城的生態(tài)綠廊。

2.樞紐建筑物布置

樞紐建筑物包括擋水壩、溢流堰、前池、檢修排水、清淤道。樞紐上游為甘河原河道，下游接主泄洪河道與景觀河道，主泄洪河道與景觀河道成90°夾角，主泄洪河道寬度20 m，設(shè)泄洪閘，景觀河道通過C25混凝土溢流堰引水，擋水壩與溢流堰之間為C20鋼筋混凝土前池。

3.擋水建筑物比選

本工程擋水壩主要功能是實(shí)現(xiàn)主泄洪河道與景觀河道的分流，實(shí)現(xiàn)甘河洪水與常水分制，清水與濁水分流。

擋水建筑物的種類和型式很多，河道上常用的擋水壩主要有混凝土壩、橡膠壩、鋼壩等?；炷烈缌鲏蔚牟贾眯枰獪系烙凶銐虻膶挾?，因容易淤積，不宜布置在主泄洪河道內(nèi)，可以在景觀河道的引水樞紐使用。多年來橡膠壩在主河道作為擋水建筑物大量使用，但近年隨著水力翻板閘、液壓升降閘、鋼壩的逐步應(yīng)用，具體選用哪一種擋水建筑物，需要結(jié)合工程的特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析比較。

（1）傳統(tǒng)閘門方案

傳統(tǒng)閘門可采用弧形閘門或平板閘門進(jìn)行水流控制，從使用功能上可以滿足泄洪閘運(yùn)行的需要，閘門能夠動水啟閉，不受泥沙及啟閉設(shè)備限制也可以滿足現(xiàn)地及遠(yuǎn)方控制的要求。由于閘室單孔口跨度較大，采用傳統(tǒng)的直立升降閘門，需配置中墩，而且需要建造較高的啟閉機(jī)排架；采用弧形閘門，也需要配置較長的閘墩，若采用卷揚(yáng)機(jī)啟閉還需建造啟閉機(jī)排架。設(shè)置閘墩時，河道寬度需加大，傳統(tǒng)型式閘門土建工程量較大。另外，直升門和弧門開啟后懸掛在孔口上方，景觀效果較差。

（2）翻板閘門方案

翻板閘門有兩種型式，一種是設(shè)備控制式翻板閘，利用機(jī)械或液壓設(shè)備進(jìn)行啟閉；另一種為水力自控翻板閘，在水壓力及門自重作用下，利用力矩平衡原理使閘門繞水平鉸軸轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到自動啟閉。20世紀(jì)80年代連桿滾輪式水力自翻閘門的出現(xiàn)使閘門結(jié)構(gòu)型式及調(diào)節(jié)功能得到很大完善，在防洪、灌溉及發(fā)電等行業(yè)得到較多應(yīng)用。水力自動翻板門不需人工及設(shè)備操作，節(jié)約資源，投資少，施工簡單。但也存在一些突出問題，一是孔數(shù)多，協(xié)調(diào)控制困難；二是容易受泥沙和漂浮物影響，過流時，當(dāng)泥沙或漂浮物瘀堵在鉸座部位時閘門回轉(zhuǎn)關(guān)閉不到位，導(dǎo)致出現(xiàn)閘門不能擋水、閘前蓄不上水的情況。水力自控翻板閘還存在運(yùn)行中不穩(wěn)定的問題，較高頻率的反復(fù)開啟關(guān)閉形成拍打現(xiàn)象，使閘門劇烈撞擊支墩，造成閘門受損及破壞，從而造成工程損失。

（3）下臥式閘門方案

傾倒下臥式閘門特點(diǎn)是門葉繞底支鉸轉(zhuǎn)動啟閉，閘門通過底支鉸固定在閘底板上，通過安裝在兩側(cè)閘墩上的一對液壓啟閉機(jī)操作，液壓啟閉機(jī)推拉閘門兩側(cè)的支臂使閘門繞支鉸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉。傾倒下臥式閘門特點(diǎn)是閘門全關(guān)時平臥在閘底板以下，無上部排架等建筑物，液壓啟閉機(jī)布置在水面以上。閘門封水效果良好，運(yùn)行可靠性較好。但由于行洪時閘門位于底板以下，泥沙淤積對閘門啟閉影響很大，當(dāng)河道較寬時，單孔閘很難適用較寬的河道，受孔口限制，需設(shè)置中墩，同時閘門配設(shè)支臂后自重較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，啟閉機(jī)容量較大，投資較高。

（4）液壓升降壩方案

液壓升降壩是近幾年興起的一種攔河景觀壩，閘門升起蓄水，放倒行洪，門頂溢流可形成人工瀑布景觀。液壓升降壩由壩面、軸承座、液壓缸和液壓泵站組成。每個單元壩面寬度為6 m左右，由兩個安裝在壩基上的軸承座支承，液壓缸直頂在壩面板的背部，由安裝在管理區(qū)的液壓泵站驅(qū)動兩只油缸推動單元壩面繞軸承轉(zhuǎn)動，各單元壩面間以及與壩基間采用橡膠止水裝置密封，從而實(shí)現(xiàn)蓄水與泄洪。當(dāng)閘門完全開啟時，壩面完全下臥到底，與河底齊平。

液壓升降壩是由多扇單獨(dú)控制的閘門組合而成。優(yōu)點(diǎn):可以多扇并排布置，可以一起啟閉，也可以單獨(dú)啟閉，從而滿足任意擋水寬度的要求；單扇門葉寬度較小，閘門自重輕，油缸容量小，故造價較低。缺點(diǎn)：各扇門葉之間止水效果較差，容易漏水；液壓缸長期浸泡在水中，容易銹蝕，防腐要求較高，運(yùn)行維護(hù)和檢修困難；閘門和液壓油缸數(shù)量多，景觀效果一般，門體之間同步控制較復(fù)雜；多扇并排設(shè)置的門葉中任意一扇發(fā)生故障將導(dǎo)致整個水閘功能失效，可靠性較差；液壓缸發(fā)生泄漏將導(dǎo)致水體污染；當(dāng)閘門完全開啟后，閘門頂面與河底齊平，該狀態(tài)下閘門缺乏約束，當(dāng)流速過大時，水流造成的流激振動對液壓升降壩有一定的破壞作用。

（5）橡膠壩方案

橡膠壩分為充水式和充氣式兩種，充水壩的充排時間要長于充氣壩，兩種壩型在造價方面相差不多。橡膠壩主要由土建部分、壩袋及錨固件、充排水(氣)設(shè)施及控制系統(tǒng)等部分組成。橡膠壩運(yùn)行時要嚴(yán)格按照規(guī)定的方案和操作規(guī)程進(jìn)行，要注意壩袋內(nèi)的充水(氣)壓力不能超過設(shè)計(jì)壓力，以免壩袋爆破。橡膠壩雖然很少維修，不像常規(guī)鋼閘門那樣需要定期涂刷油漆防銹，但也要定期檢查，尤其是在洪水過后，要檢查是否有漂浮物對壩袋造成刺傷，以及壩體振動、壩袋與底板磨損、河卵石摩擦撞擊壩袋等造成的損害。橡膠壩袋容易受到尖利物體損壞，故應(yīng)劃出橡膠壩工程的管理范圍和安全區(qū)域。

橡膠壩運(yùn)用條件與水閘相似，具體優(yōu)點(diǎn)為:①造價低?？蓽p少投資30%～70%，可節(jié)省鋼材30%～50%，水泥50%左右，木材60%以上。②施工期短。壩袋只需3天～15天即可安裝完畢，多數(shù)橡膠壩工程當(dāng)年施工當(dāng)年受益。③壩體為柔性軟殼結(jié)構(gòu)，能抵抗地震、波浪等沖擊，且止水效果好，跨度大，汛期不阻水，可用于城區(qū)園林美化。④維修少，管理方便。橡膠壩袋的使用壽命一般為15～25年。

橡膠壩的缺點(diǎn)：在水閘擋水（蓄水）時，擋水時間越長其上游淤積會越多。橡膠壩上游的泥沙淤積會對橡膠袋產(chǎn)生壓力（大于正常設(shè)計(jì)水壓）和吸力，長時間淤積對橡膠袋有損壞，影響工程運(yùn)行。通常橡膠壩依靠背部橡膠袋來升壩和塌壩，當(dāng)上游和下游的水壓差較小時，橡膠壩不能正常塌壩，影響泄洪斷面。橡膠壩一般須建一座供氣站或水泵房，管路多且復(fù)雜，如果發(fā)生停電或其他故障，不利于塌壩和升壩，影響安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（6）鋼壩方案

鋼壩是近年發(fā)展起來的一種新型景觀閘壩，學(xué)術(shù)名稱為大跨度底軸驅(qū)動翻板閘門。我國第一座大跨度底軸驅(qū)動翻板閘門，于2005年在上海蘇州河建成并投入使用。 它主要由土建結(jié)構(gòu)、圓柱形底軸、固定在底軸上的門葉、支承底軸的若干固定支鉸座、底側(cè)止水、閘墩側(cè)墻密封件及啟閉機(jī)驅(qū)動連接拐臂等組成。閘門的啟、閉操作由布置在兩側(cè)啟閉機(jī)室內(nèi)的液壓啟閉機(jī)控制。

鋼壩孔口寬度不受梁高的制約，適合于閘孔較寬（10～100 m）而水位差比較小（1～7 m）的工況。由于設(shè)計(jì)的寬度較大，可省去中間數(shù)孔閘墩，所以不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且節(jié)省不少土建投資，既可立門蓄水，也可臥門行洪排澇，適當(dāng)開啟調(diào)節(jié)水位，還可以利用閘門門頂過水，形成人工瀑布的景觀效果。主要優(yōu)點(diǎn)：雙向擋水，啟閉靈活，可任意角度（0°～90°范圍內(nèi)）啟動/停止閘門來調(diào)節(jié)閘門；工程隱蔽，無礙防汛和通航，改善河道景觀，可以大跨度運(yùn)行，枯水期可將閘門豎立進(jìn)行檢修；響應(yīng)速度快，壓力可調(diào)，可遠(yuǎn)程控制監(jiān)控。主要缺點(diǎn)：總體造價相對略高，要求閘基不存在大的不均勻沉陷。

鋼壩相對橡膠壩還有以下特點(diǎn)：

①泥沙淤積的影響：鋼壩沒有底坎和側(cè)門槽，是門葉圍繞底軸心旋轉(zhuǎn)的一種特殊結(jié)構(gòu)。上游止水壓在底部圓軸上，當(dāng)壩豎起或倒下時，止水緊貼圓軸表面，始終保持封水狀態(tài)；側(cè)止水同樣一直緊貼側(cè)墻，止水面始終不離開側(cè)胸墻（一般采用大理石光滑面），故淤沙不影響鋼壩自身的升壩和塌壩。

②行洪斷面的影響：鋼壩是靠液壓機(jī)拉動向下游傾倒，倒壩后門體在底板高程以下，不會阻擋泄洪。

③運(yùn)行穩(wěn)定性：鋼壩僅需兩套液壓驅(qū)動裝置驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，無須專門油管和泵站等設(shè)施，如果發(fā)生停電或其他故障可以使用手動裝置操作，可有效地保證塌壩和升壩，安全性較高。

④投資對比：一般地質(zhì)條件下，以目前價格來計(jì)算，壩高在3m左右的橡膠壩，每延米投資約4萬元，壩袋每延米0.75萬元。鋼壩每延米投資約為6萬～8萬元，投資是橡膠壩的1.5～2倍。

三、鋼壩方案的確定

本工程泄洪河道斷面為復(fù)合斷面，河道寬度大于20m，平均水深2m，樞紐正常蓄水位及校核洪水位一致，均為2 372.30 m，閘墩高程2 373.00 m，閘底板高程2 370.00 m，孔口尺寸20 m×2.3 m。要求泄洪閘設(shè)置的擋水設(shè)施能滿足汛期全開泄洪，非汛期擋水運(yùn)行及局開調(diào)節(jié)流量的要求，要確保汛期和非汛期溢流堰取水流量與正常蓄水位時一致，保證景觀河道的流量要求。同時需考慮整體景觀要求和控制設(shè)備要滿足現(xiàn)場控制、人工控制及中控室遠(yuǎn)程控制的要求。

通過對所選取6種閘壩型式分別從運(yùn)用條件及原則、安全可靠及穩(wěn)定性、景觀效果、施工及檢修維護(hù)條件等方面進(jìn)行比較分析得出結(jié)論：傳統(tǒng)閘門不滿足景觀要求；水力自動翻板閘由于河道汛期行洪時會產(chǎn)生淤沙，會影響閘門正常運(yùn)行；傾倒下臥式閘門對于較寬河道需設(shè)置中墩，閘

門整體投資較大；液壓升降壩的液壓缸浸泡在水中，多扇并排工作，止水易漏水，影響可靠運(yùn)行；橡膠壩受泥沙淤積影響較大，塌壩時間長，不利于泄洪及安全穩(wěn)定運(yùn)行；鋼壩能滿足汛期泄洪閘行洪及整體景觀要求，啟閉機(jī)在室內(nèi)工作，避免了液壓升降壩的缺點(diǎn)，可靠性較高。經(jīng)綜合比選后，確定采用鋼壩擋水泄洪方案。