液壓壩在高郵狀元溝的設(shè)計(jì)應(yīng)用及運(yùn)行調(diào)度方案

焦響樂

北京中鐵生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)院有限公司 北京 102600

液壓壩作為一種重要的水利工程設(shè)施，廣泛應(yīng)用于水資源開發(fā)、水環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。本論文旨在探討液壓壩的設(shè)計(jì)應(yīng)用及運(yùn)行調(diào)度方案，以優(yōu)化水資源的合理利用和提高運(yùn)行使用效率，通過案例分析探討液壓壩的設(shè)計(jì)內(nèi)容及如何合理安排調(diào)度方案，為液壓壩的科學(xué)合理設(shè)計(jì)和高效運(yùn)行調(diào)度提供思路和方法。

1 工程概況

擬建狀元溝蓄水閘位于高郵高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)的狀元溝下游段，工程目標(biāo)是以提升區(qū)域防洪能力為基礎(chǔ)，改善沿河生態(tài)環(huán)境為目的，依托當(dāng)?shù)刈匀坏乩項(xiàng)l件，結(jié)合當(dāng)?shù)匚幕尘?，在區(qū)域營造良好的水生態(tài)環(huán)境，改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，為項(xiàng)目的建設(shè)提供良好的基底。該區(qū)域狀元溝治理段內(nèi)除末端高郵湖控制閘外，無其他攔蓄水設(shè)施，為了在本項(xiàng)目狀元溝打造生態(tài)蓄水水面，以滿足水生植物種植、水景觀打造需求，修建狀元溝蓄水壩一座，規(guī)模為108m寬、2.5m高。

2 水閘壩型比選

根據(jù)水閘所在項(xiàng)目開發(fā)目標(biāo)，水面工程總體布置在滿足行洪排澇基本功能的前提下，尚需滿足環(huán)境景觀要求，建筑物形式與周圍環(huán)境應(yīng)相協(xié)調(diào)，新建攔水閘需在枯水季節(jié)蓄水，汛期滿足行洪，并盡可能減輕對河道行洪的不利影響。

采用固定的攔水壩會對河道過流能力產(chǎn)生影響，且每年都需要清淤。

采用常規(guī)水閘，雖然設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)豐富、運(yùn)行調(diào)度靈活、可控制閘孔開啟排放不同規(guī)模來水，但土建結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閘室上方需設(shè)啟閉機(jī)房，相較于自然景觀較突兀，不利于河道的生態(tài)景觀，且建設(shè)工期長，投資高，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高。

因此，本階段排除了固定堰壩和常規(guī)水閘型式，并參考各種河道和生態(tài)治理及蓄水工程所采用的壅水工程型式，通過綜合比較現(xiàn)國內(nèi)外已使用得比較熟練的攔水壩類型及其國際上近年出現(xiàn)的工程型式，初選液壓壩、底軸驅(qū)動翻板閘、橡膠壩等三種型式進(jìn)行比選，并提出了建議方案[1]。

3 閘型比選

方案一：液壓壩

液壓壩，應(yīng)用自卸汽車力學(xué)原理，液壓壩（又稱液壓升降壩）能夠有效地調(diào)節(jié)河道的流向，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制[2]。它由弧形（或直線）壩面、液壓桿、支撐桿、液壓缸以及液壓泵站組成，其中，液壓桿通過伸縮來調(diào)節(jié)升降壩面，使得在上升的過程中能夠攔蓄水，而在下降的過程中，則由支撐桿提供支撐，并通過定位銷固定或移動位置。液壓壩的特性是：受力結(jié)構(gòu)合理，阻水性低，不易造成淤積，不會對漂浮物造成阻礙，而且可以快速升降，并且具有很好的抗沖擊能力[3]。液壓壩適合于打造寬水面和溢流景觀效果，并且可控制單扇閘門啟閉減少泥沙淤積的問題。

方案二：底軸驅(qū)動翻板閘

底軸驅(qū)動翻板閘又稱為鋼壩，由具有固定軸線的鋼件閘體及其啟閉設(shè)備等所組成，通過閘門門頂過水，可以形成跌水飛瀑的景觀效果。采用集成式啟閉機(jī)啟動，啟閉速度較快，能保證及時泄洪。并且可根據(jù)不同需求水位，在0～90°內(nèi)任意調(diào)節(jié)閘門角度，閘門可通過鎖定裝置在任意角度鎖定[4]。底軸驅(qū)動翻板閘臥倒能貼合河床不阻水、對防洪排澇影響較小、啟閉迅速、耐久性好無淤積、抗洪水沖擊能力強(qiáng)的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)[5]。鋼壩適合于打造連續(xù)寬水面和水位差較小的工況。

方案三：橡膠壩

橡膠壩是采用高分子合成材料作為壩體的水工建筑物，使用規(guī)定尺寸的膠布，按照設(shè)計(jì)錨固于底板，使其形成封閉的壩袋，充入水或氣成為擋水壩壩體。橡膠壩主要由土建結(jié)構(gòu)、壩袋、錨固件、充排水（氣）系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。壩袋充水（或氣）后，作用在壩體上的水壓力，通過錨固螺栓傳遞到壩體底板結(jié)構(gòu)上，固定壩袋使其可以穩(wěn)定蓄水，放空壩袋內(nèi)的水（或氣）行洪[6]。由于充排水（氣）系統(tǒng)需通過管道完成，整體升壩及降壩速度較慢，無法用于有突發(fā)洪水較多的河道，且壩袋使用年限受水中漂流物影響，相對鋼制閘門壽命較短。橡膠壩適合于使用年限較少、河道水流穩(wěn)定且漂流物較少的工況。

通過以上技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，考慮到橡膠壩使用使用壽命短、不能及時行洪、蓄水且后期管理維護(hù)均有不便，因此排除橡膠壩方案；考慮到液壓壩在使用壽命、景觀效果、運(yùn)管維護(hù)方面與鋼壩相當(dāng)，而在結(jié)構(gòu)受力、行洪安全、泥沙淤積、工程投資具有一定的優(yōu)勢工程，經(jīng)綜合比較，選擇液壓壩方案。

4 工程設(shè)計(jì)

液壓壩平面布置軸線與河道中心線采用正交，閘室段底板及側(cè)墻采用C30W4F50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘孔總寬108m，閘門高度2.5m，采用一孔布置。依據(jù)壩體塌壩閘門寬度及上、下游運(yùn)行維護(hù)檢修需求，液壓壩順?biāo)鞣较虻装彘L12.0m，液壓壩底軸重心距底板上游端長4.45m，門后長7.55m，底板采用C30W4F50鋼筋砼底板，上、下游設(shè)前后齒墻，齒墻深0.8m。門前底板頂面比上游河床高0.30m，即5.34m，門后底板頂高程4.61m。壩段邊墩設(shè)置為扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)，墻后通過水平平臺過渡后與堤頂相接。

壩體段上游設(shè)10.0m長鋪蓋，頂高程5.04m，鋪蓋采用C30W4F50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.5m，鋪蓋段邊墻采用C30W4F50鋼筋混凝土懸臂式擋墻，墻頂高程采用狀元溝河道堤頂設(shè)計(jì)高程10.79m，臨水側(cè)為直立面，背水側(cè)坡比1:0.15。

下游消力池采用下挖式消力池，且在末端設(shè)消力坎，池深1.72m，總長15.0m，采用1.0m長的水平段過渡后，以1:4的斜坡連接至池底。消力池池底板頂高程4.01m，底板為C30W4F50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.6m。消力池中下游段設(shè)排水孔，底部設(shè)反濾層。消力池段邊墻，采用C30W4F50鋼筋混凝土扶壁式擋墻，墻頂高程10.79m，臨水側(cè)為直立面。

消力池段下游設(shè)20m長海漫，頂高程5.23m，海漫分為兩段，上游采用0.5m厚漿砌石海漫，下游接0.5m厚格賓石籠海漫，底部設(shè)碎石墊層及土工布作為反濾層。漿砌石海漫范圍內(nèi)順?biāo)飨?0m長范圍內(nèi)設(shè)弧形擋土墻，邊墻結(jié)構(gòu)采用C30W4F50鋼筋混凝土懸臂式擋墻，墻頂高程10.79m，臨水側(cè)為直立面，背水側(cè)坡比1:0.15。

海漫段后接4m長防沖槽，防沖槽呈倒梯形布置，底寬1.0m，池深1.0m，海漫側(cè)坡比1:2，下游河床側(cè)坡比1:2，內(nèi)填塊徑大于0.4m的拋石。

圖1 液壓壩平面圖

圖2 液壓壩局部斷面圖

5 液壓壩設(shè)計(jì)

5.1 閘門設(shè)計(jì)

狀元溝液壓壩共設(shè)置16扇液壓壩閘門，兩端各2扇6m寬閘門，中間12扇7m寬閘門。閘門擋水設(shè)計(jì)水位7.84m，對應(yīng)下游無水，水頭差2.5m。擋水時，單寬6.0m門葉的總水壓187.5kN，單寬7.0m門葉的總水壓218.75kN。閘門結(jié)構(gòu)型式為露頂式弧形閘門，主橫梁布置，門葉主材為Q235B，閘門沿底軸翻轉(zhuǎn)，底軸主材為Q345B，埋件主材為Q235B，單扇閘門結(jié)構(gòu)重量約5t（6.0m閘門）、5.8t（7.0m閘門）。底止水采用“P”型止水，側(cè)止水用“U”型止水，止水材料為SF6674型止水橡膠，埋件結(jié)構(gòu)型式為焊接板材結(jié)構(gòu)，液壓壩埋件總重量約為1.9t。

閘門操作運(yùn)行工況為動水啟閉，液壓啟閉機(jī)采用雙作用力單級柱塞式液壓啟閉機(jī)。啟閉機(jī)容量：2×400kN，啟閉機(jī)行程：900mm。16扇閘門合用1套液壓泵站系統(tǒng)。

5.2 啟閉機(jī)

本工程中液壓壩的啟閉均采用液壓啟閉，液壓壩配備1套液壓系統(tǒng)。液壓壩啟閉系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)表詳見下表。

表2 液壓壩起閉系統(tǒng)表

液壓系統(tǒng)由油箱、電機(jī)、液壓泵、管道、溢流閥、換向閥等附件組成[7]。柱塞泵額定工作壓力31.5MPa，公稱排量25mL/r；電磁伺服閥組（16組+16組）最高工作壓力31.5MPa，最大流量36L/min+36L/min；電機(jī)：2臺電機(jī)（一用一備）橫臥布置，n=1480r/min；液壓系統(tǒng)使用46#抗磨液壓油；油液正常工作清潔度NAS9級；系統(tǒng)油液正常工作溫度范圍：-30℃～50℃。油箱采用鋼板焊接，用于盛裝液壓油。液壓泵是采用配油盤配油、缸體旋轉(zhuǎn)的軸向柱塞泵。

6 液壓壩運(yùn)行調(diào)度方案

6.1 水閘的運(yùn)行調(diào)度方案原則

維護(hù)生態(tài)環(huán)境：調(diào)度運(yùn)行方案應(yīng)盡量減少對河流生態(tài)環(huán)境的影響，保護(hù)和維護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

滿足水文要求：調(diào)度運(yùn)行方案應(yīng)考慮降雨、融雪等自然水文條件，及時響應(yīng)洪水、旱情等突發(fā)水文事件，確保安全度汛、灌溉和水資源利用。

經(jīng)濟(jì)合理：調(diào)度運(yùn)行方案應(yīng)盡量減少運(yùn)行成本、提高水閘效益，同時考慮社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境因素，實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)配置。

可控性：調(diào)度運(yùn)行方案應(yīng)具有可控性，能夠通過水文監(jiān)測、預(yù)測等手段進(jìn)行調(diào)整，保證水閘運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

6.2 液壓壩運(yùn)行調(diào)度方式

液壓壩采用現(xiàn)場按鍵控制、自動升降及遠(yuǎn)程終端控制三種方式進(jìn)行控制[8]：

升壩操作：首先啟動液壓泵站及控制系統(tǒng)，按照從兩端閘門至中心閘門的順序開啟升壩按鈕，控制電磁閥按順序啟動，液壓缸運(yùn)行，壩面依次升起，升至設(shè)計(jì)高程時感應(yīng)控制器反饋控制液壓泵站自動停止[9]。

降壩操作分為三種：

①正常降壩：首先啟動控制系統(tǒng)，依次開啟下降按鈕，控制電磁閥依次啟動，液壓缸在壩面及水壓自重下開始逐步下降，壩面下降至設(shè)計(jì)高度時感應(yīng)控制器反饋控制系統(tǒng)自動停止。

②自動降壩：當(dāng)壩頂水位超過設(shè)定警戒水位時，超水位控制器工作，啟動壩面下降控制系統(tǒng)壩面依次打開降低水位：當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況時（如停電、設(shè)備故障等），壩頂水位超過設(shè)定警戒水位，壩面受到的壓力大于設(shè)定的警戒壓力時，壓力控制系統(tǒng)自動開啟，壩面下降。

③緊急降壩：發(fā)生緊急情況時，通過人工打開手動緊急控制閥門，控制調(diào)節(jié)壩體下降速度。

6.3 運(yùn)行調(diào)度方案

正常蓄水情況下，液壓壩為立壩狀態(tài)，當(dāng)河道行洪時，通過自動升降壩系統(tǒng)調(diào)整，通過洪水預(yù)警預(yù)測來水流量，與降壩設(shè)計(jì)流量相比較，若預(yù)測流量較小，可保持液壓壩溢流水深不超過0.3m時無需降壩；當(dāng)預(yù)測流量較大時，自動降壩系統(tǒng)開啟，液壓壩由中間閘門依次向兩側(cè)降壩，使河道以全斷面行洪。

狀元溝液壓壩平時運(yùn)行方式主要設(shè)計(jì)為兩種：

①非汛期：10月初至次年4月底，液壓壩全壩面立壩蓄水。

當(dāng)液壓壩溢流水深達(dá)到0.3m，即河道水位8.14m、流量32.35m3/s時，液壓壩閘門依次由中間閘門向兩側(cè)打開，待洪水位低于7.44m時，再將閘門重新立起。

②汛期：5月初至9月底，液壓壩全壩面放倒開啟。

依據(jù)液壓壩的設(shè)計(jì)規(guī)定，結(jié)合狀元溝河道防洪排澇、生態(tài)蓄水的實(shí)際需求，需要在較短的時間內(nèi)完成降壩泄洪，降壩每1分鐘從中間2扇閘門依次向兩端開啟2扇閘門，特殊情況下可人工控制減少降壩時間間隔。本液壓壩設(shè)計(jì)升壩時間設(shè)計(jì)為0.5小時，降壩系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)監(jiān)控進(jìn)行控制，運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)自動化控制[9]。

液壓壩冬季運(yùn)行時，控制系統(tǒng)需采用耐低溫液壓油，另外項(xiàng)目位于高郵，蓄水區(qū)冬季形成冰面時，需要塌壩或者破冰運(yùn)行，防止壩體被冰層破壞，破冰操作先降低壩面高度0.5m，再將壩面升起破碎冰層后降壩排出冰凌，從而保護(hù)壩體安全。在管理中，應(yīng)該加強(qiáng)河道管理，禁止到冰面上行走[10]。

另外，結(jié)合液壓壩蓄水可減緩水流及其漂浮物流速的情況，在其蓄水區(qū)建設(shè)垃圾攔截裝置，采用攔污浮筒[11]或新型攔污設(shè)施[12-13]，以阻攔漂浮垃圾對水質(zhì)及水面環(huán)境造成破壞，安排管理人員定期清理并收集垃圾，建立相應(yīng)的監(jiān)測體系，對垃圾情況進(jìn)行監(jiān)測，及時采取應(yīng)對措施。

7 結(jié)語

液壓壩作為一種低水頭攔蓄水新閘型，其安全性、便捷性、耐久性、景觀性均具有較大優(yōu)勢，在城市河湖整治、調(diào)蓄水資源中得到廣泛應(yīng)用。在液壓壩的調(diào)度運(yùn)行過程中，需要遵循科學(xué)、安全、合理的原則，根據(jù)具體的水情和季節(jié)要求來進(jìn)行調(diào)節(jié)和運(yùn)行，保證其發(fā)揮最佳效果，同時確保河道的安全和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。