大跨度鋼壩閘在水景觀中的利用和探討

劉草原，陳能成

（1.廣德市水利局，安徽 廣德 242200；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，上海 200439）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升和社會(huì)的進(jìn)步，水利也在發(fā)生著與時(shí)俱進(jìn)的改變，從傳統(tǒng)的防洪保安等內(nèi)容逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化的綜合性水務(wù)。將美學(xué)融到城市河道治理之中，使治理后的城市河道與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，形成城市景觀中的新亮點(diǎn)，以滿足人民日益增長(zhǎng)的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要，是新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的要求。

傳統(tǒng)的直升式鋼閘門(mén)單孔的寬度較小，且需要配啟閉機(jī)房，隱蔽性不佳，嚴(yán)重影響城市的水體景觀。大跨度鋼壩閘具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、不易損壞、止水密封好等優(yōu)點(diǎn)，且可以減少中墩數(shù)量，增加過(guò)水面積，增強(qiáng)河道行洪能力。本文以廣德市高湖閘為工程實(shí)例，闡述大跨度鋼壩閘在城市水景觀中的應(yīng)用。

1 工程概況

高湖壩位于安徽省廣德市郎川河鐵路橋下游約2.5km 處，主要功能為滿足農(nóng)田灌溉用水、集鎮(zhèn)居民生活用水和河道生態(tài)蓄水的需求?，F(xiàn)狀高湖壩每年汛期行洪期間，阻水嚴(yán)重，嚴(yán)重影響附近居民生活。同時(shí)高湖壩為砂礫石外包砼結(jié)構(gòu)組成，滲漏嚴(yán)重，且下游消力池嚴(yán)重?fù)p毀，具體詳見(jiàn)圖1。因此，本次擬對(duì)其拆除并新建高湖閘。

圖1 現(xiàn)狀高湖壩現(xiàn)場(chǎng)照片

高湖壩周邊電力和交通方便，考慮到現(xiàn)狀高湖壩右側(cè)有舊河道可以利用作為導(dǎo)流。因此，閘址擬基本維持現(xiàn)有壩址附近不變，并充分論證水閘下游水流對(duì)橋梁基礎(chǔ)的沖刷，確保橋梁安全。

新建高湖閘位于現(xiàn)狀高湖壩上游約80m。

2 閘型比選

本工程的主要功能為生態(tài)蓄水，同時(shí)必須滿足行洪要求。攔河閘是抬高河道水位，保證河湖灌溉、生態(tài)或景觀蓄水功能的代表性建筑物。目前，河道較寬的低水頭攔河壩中應(yīng)用較為廣泛的、不阻礙河道行洪，且景觀效果較好的有橡膠壩、鋼壩閘、液壓翻板閘和氣動(dòng)盾形閘等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，本次方案比選鋼壩閘、氣動(dòng)盾形閘壩（簡(jiǎn)稱“氣盾壩”）和橡膠壩三種型式。

2.1 鋼壩閘

鋼壩閘是一種底橫軸的翻轉(zhuǎn)門(mén)，外形新穎、美觀、實(shí)用，操作方便、啟閉靈活、且工作較隱蔽、無(wú)礙防汛和通航。鋼壩閘采用鋼材，表面進(jìn)行熱噴鋅，堅(jiān)固耐用，易于安裝和維護(hù)。閘門(mén)通過(guò)液壓設(shè)備啟閉，速度快，一般在2 min 之內(nèi)即可完成。特有的鎖定裝置，可以有效地控制閘門(mén)開(kāi)啟角度，任意調(diào)節(jié)水位，形成大尺度景觀效果。

圖2 鋼壩閘照片一

圖3 鋼壩閘照片二

2.2 氣盾壩

氣盾壩也稱氣動(dòng)盾形閘壩，是一種新型擋水壩，結(jié)合了傳統(tǒng)鋼壩閘和橡膠壩的特點(diǎn)，剛?cè)岵?jì)，其擋水高度可達(dá)10m，跨度可達(dá)數(shù)百米，具有高水頭、大跨度、可調(diào)節(jié)擋水水位、景觀效果好等特點(diǎn)。

氣盾壩結(jié)構(gòu)主要由盾板、充氣氣囊、埋件、空壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成。氣盾壩利用充氣氣囊支撐盾板擋水，氣囊排氣后塌壩，氣囊臥于盾板下，可避免河道砂石、冰凌等對(duì)壩袋的破壞；氣囊內(nèi)填充介質(zhì)為氣體，塌壩迅速：各個(gè)部件均為預(yù)制部件，安裝工期短；盾板及氣囊模塊化，便于修復(fù)。

圖4 氣盾壩照片

2.3 橡膠壩

橡膠壩是以高強(qiáng)度合成纖維為骨架，內(nèi)外涂敷橡膠保護(hù)層，形成壩袋，按設(shè)計(jì)尺寸錨固于基礎(chǔ)底板上做成“封閉”袋形，旱季橡膠壩袋內(nèi)充水成壩擋水，以滿足用水需要，雨季泄出壩袋內(nèi)的水塌壩不影響河道泄洪。橡膠壩的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)于常規(guī)閘造價(jià)低，可減少投資30%～70%。施工期短，壩袋只需3 ～15d 即可安裝完畢。壩體為柔性軟殼結(jié)構(gòu)，能抵抗地震、波浪等沖擊，跨度大，不阻水。缺點(diǎn)是壩袋是由高分子合成材料聚合而成，容易受到尖銳物體或火的損壞；長(zhǎng)期在室外環(huán)境中壩袋易老化，其使用壽命一般為10 ～ 15年；升降壩是通過(guò)充泄水系統(tǒng)來(lái)完成，正常需要2 ～ 4 h，時(shí)間較長(zhǎng)；充泄水系統(tǒng)需要建泵房、充泄水管路，相對(duì)復(fù)雜。

圖5 橡膠壩照片

2.4 閘型比選

上述三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，均能夠滿足本工程攔蓄水要求。氣盾壩是一種新型擋水建筑物，適用于多泥沙河道，景觀效果較好，投資適中，運(yùn)行管理方便，但易發(fā)生不均勻溢流。橡膠壩充排水泵房均埋設(shè)于地下，可設(shè)置于堤后空地，上部建筑也可進(jìn)行景觀處理，整體效果較好，但壩袋使用壽命較短，充排水時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)河道防洪有一定影響，運(yùn)行管理要求高；考慮攔河閘壩作為整個(gè)無(wú)量溪整治工程的亮點(diǎn)，對(duì)景觀要求較高，而鋼壩閘升降壩時(shí)間最短，使用壽命最長(zhǎng)，整體景觀效果最好，瀑布效果最佳。因此，從防洪安全、景觀效果、運(yùn)行管理等方面，推薦采用鋼壩閘形式。

3 工程布置

高湖蓄水閘采用開(kāi)敞式水閘型式，閘孔總凈寬60m，單孔。

閘室為單孔鋼筋砼結(jié)構(gòu)，閘室長(zhǎng)12.4m。閘門(mén)型式為鋼壩閘，水閘口門(mén)凈寬60m，閘室側(cè)壁頂標(biāo)高28.6m，厚0.8m。閘室底板頂標(biāo)高22.10m，厚1.30m。閘門(mén)門(mén)頂標(biāo)高25.0m，總高2.0m。鋼壩閘門(mén)軸距離邊線距離為3.7m，與底板及底坎連接固定。閘門(mén)采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，啟閉機(jī)設(shè)在閘室兩側(cè)的地埋式啟閉機(jī)房?jī)?nèi)，機(jī)房?jī)魧?.7m。閘室下方采用C20 埋石混凝土換填至15.6m 高程。

4 鋼壩閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底軸旋轉(zhuǎn)式鋼閘門(mén)由門(mén)葉、底軸、支鉸座、拐臂、止水裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、穿墻裝置、鎖定裝置等組成。鎖定裝置將閘門(mén)固定在某一個(gè)或某幾個(gè)特定位置，避免驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)期受壓產(chǎn)生下滑。

4.1 門(mén)葉

閘門(mén)為1 扇，門(mén)葉寬度60.0m，高度2.0m。門(mén)葉采用風(fēng)帆型結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)可將水流對(duì)門(mén)體的部分正向壓力轉(zhuǎn)化為向下的壓力，增加閘門(mén)的穩(wěn)定性。閘門(mén)采用縱向懸臂梁的體系，由橫梁，縱梁、橫梁、底軸共同構(gòu)成閘門(mén)的主受力框架。面板設(shè)置在上游側(cè)，材質(zhì)采用Q235B。

4.2 旋轉(zhuǎn)底軸

旋轉(zhuǎn)底軸采用高強(qiáng)度的不銹鋼一次加工、焊接、二次車工、法蘭焊接、三次車工和法蘭鉆孔而成，直徑一般為φ650～1000，旋轉(zhuǎn)底軸與拐臂之間也采用焊接方式連接。

4.3 支鉸座

支鉸座布置于河道中，為鋼混結(jié)構(gòu)。每套閘門(mén)共設(shè)置9 個(gè)支鉸座，間距為6.50m；支鉸座均采用開(kāi)敞結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)可在基礎(chǔ)輕微不均勻沉降的情況下保證閘門(mén)的正常運(yùn)行。

4.4 穿墻裝置

底軸兩端從孔口寬度范圍延伸至啟閉機(jī)室內(nèi)時(shí)需穿過(guò)兩側(cè)閘墩側(cè)墻，為此設(shè)有專門(mén)的穿墻裝置，采用二期砼澆筑的方式進(jìn)行安裝。為保證翻板閘門(mén)在全關(guān)狀態(tài)下穿墻裝置的密封性能，設(shè)置了多重密封。其一，調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置，對(duì)止水組件進(jìn)行軸向壓縮，補(bǔ)償環(huán)向形變產(chǎn)生的間隙，保證防水套的止水效果；其二，設(shè)置帶水檢修密封裝置，具有備用和啟用兩種狀態(tài)。在備用狀態(tài)時(shí)，帶水檢修密封裝置與底軸不接觸，從而避免鋼壩運(yùn)行中對(duì)其產(chǎn)生磨損，此時(shí)由止水組件進(jìn)行防水套的止水。在啟用狀態(tài)時(shí)，帶水檢修密封裝置抱緊底軸，阻止河道的水流至止水組件的位置，從而保證止水組件的順利更換，更換完畢后，再將帶水檢修密封裝置切換回備用狀態(tài)，恢復(fù)止水組件的止水以及鋼壩的正常運(yùn)行，減少后期維護(hù)成本。

4.5 拐臂

底軸和啟閉機(jī)是通過(guò)拐臂聯(lián)接，底軸與拐臂的下端聯(lián)接部位通過(guò)焊接方式連接，啟閉機(jī)的吊耳與拐臂上端連接部位采用銷軸聯(lián)接。拐臂的下端聯(lián)接部位和上端聯(lián)接部位距離2.5m。拐臂材質(zhì)為Q355B。

4.6 止水

閘門(mén)在底部及兩側(cè)設(shè)有水封裝置。底部止水采用P型，通過(guò)螺栓固定在底止水埋件上。鋼壩閘沒(méi)有底門(mén)槽和側(cè)門(mén)槽，門(mén)葉圍繞底軸心旋轉(zhuǎn)，上游止水壓在圓軸上，側(cè)止水始終不離開(kāi)側(cè)胸墻，始終保持密封止水狀態(tài)。底止水橡皮應(yīng)保證通長(zhǎng)直線布置，不得有凹槽、缺口，保證止水橡皮的完整性。側(cè)止水采用V 型止水，處于預(yù)壓狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)帶水更換止水橡皮。所有與水封接觸的部位，均需保證光滑無(wú)毛糙。

4.7 埋件

閘門(mén)的埋件主要包括底止水、穿墻防水套埋件、支鉸座等。

底檻、穿墻防水套埋件、支鉸預(yù)埋板采用二期混凝土澆筑的方式進(jìn)行。

側(cè)水封座的外露表面采用拋光大理石，底止水、支鉸預(yù)埋件板以及穿墻裝置采用焊接件，材質(zhì)均為Q235B或Q355B。

4.8 防腐設(shè)計(jì)

本工程所有金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的防腐蝕，均采用熱噴鋅外加油漆封閉層、面漆層，鋅層的最小局部厚度不小于120μm，中間漆采用環(huán)氧云鐵漆2 道，每道干漆膜厚度40μm，面漆采用氯化橡膠面漆2 道，每道干漆膜厚度40μm，涂層的總厚度不小于280μmm。埋件的外露部分（不銹鋼板除外）也采用該種防腐方式進(jìn)行防腐。

4.9 啟閉機(jī)

啟閉機(jī)采用液壓集成式啟閉機(jī)，啟閉機(jī)數(shù)量：2 臺(tái)。

持住力：800kN；

啟門(mén)力：800kN；

開(kāi)門(mén)速度：0.6m/min；

關(guān)門(mén)速度：0.4m/ min；

工作行程：3.7m；

5 電氣設(shè)計(jì)

高湖閘從附近引入一路0.4kV 低壓電源，電纜穿管埋地引入電表箱，然后接入液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制柜。

本工程鋼壩閘門(mén)采用單跨布置，凈寬60m。壩體兩側(cè)由2 臺(tái)套液壓驅(qū)動(dòng)裝置控制，每套液壓驅(qū)動(dòng)裝置配1臺(tái)電動(dòng)機(jī)，電機(jī)功率均為15kW；電控系統(tǒng)布置在管理房?jī)?nèi)，另外還有照明負(fù)荷等。由于壩體在降壩的同時(shí)承擔(dān)泄洪任務(wù)，因此鋼壩閘的用電等級(jí)汛期屬一級(jí)。

控制箱額定工作電壓為380V，額定絕緣電壓不小于660V。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)現(xiàn)地控制箱內(nèi)設(shè)置隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器、塑殼斷路器、交流接觸器、熱繼電器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、電壓表、電流表、控制用按鈕、信號(hào)燈、繼電器、PLC、變頻器及其他必需的配件和附件。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著自動(dòng)化系統(tǒng)的普及，鋼壩閘可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)程控制，并且可以無(wú)縫對(duì)接當(dāng)?shù)厣胶轭A(yù)警系統(tǒng)，在城市景觀河道治理中被廣泛應(yīng)用。