不同擋水建筑物方案的應用比選

陳東清

（江河機電裝備工程有限公司 北京 100070)

1 前言

隨著我國大規模的水利工程建設，閘門得到廣泛的運用。閘門是水工建筑物的重要組成部分之一，用來控制水位，調節流量，是蓄水及引水建筑物中必不可少的組成部分。在水利工程中鋼制閘門的種類比較多，其主要適用于高水頭的水利工程，低水頭的水利工程則不夠經濟。其共性通常表現為門體厚重，跨度不宜太大，在河道上需要建造閘墩、工作橋，配置啟閉機，壩基建設結構相應復雜,造價較高，使用年限較長。鋼閘門的連接方式大多均采用剛性連接。如遇洪水泥沙淤積或地震變形將影響閘門的啟閉功能,無法實現安全泄洪。低水頭的水利工程的閘門型式有多種，傳統常見的有橡膠壩和水力自控翻板閘。隨著當代新材料，新工藝在水利工程上的推廣應用，正確的閘門選型對水利工程效益的發揮也更重要。氣動盾形閘門是一種新型先進的低水頭的擋水建筑物，與橡膠壩、水力自控翻板閘應用方案相比其優勢明顯。本文從橡膠壩、水力自控翻板閘和氣動盾形閘各自的組成、原理和性能特點等方面，闡述氣動盾形閘在現代水利工程應用中的優越性。

2 橡膠壩

2.1 橡膠壩組成和原理

橡膠壩是20世紀50年代末，隨著高分子合成材料工業的發展而出現的一種水工建筑物。其主要由壩袋、錨固結構、充排設備、安全及觀測裝置等組成。橡膠壩是用高強力合成纖維織物做受力骨架，內外涂敷合成橡膠作粘結保護層，加工成膠布，按要求的尺寸，錨固在混凝土基礎底板上，成封閉袋形，用水、氣或者水氣混合介質的壓力充脹起來，形成擋水壩。不需要擋水時，泄空壩內的水或氣，恢復原有河渠的過流斷面。

2.2 橡膠壩的優點

橡膠壩有充水式、充氣式和氣水混合三種形式，目前我國的橡膠壩工程主要以充水橡膠壩為主。與常規鋼閘門相比，橡膠壩結構簡單，以合成纖維織物和橡膠制成的薄壁柔性結構，代替鋼、木材及鋼筋混凝土結構，由于不需要修建工作橋和安裝啟閉機等鋼和鋼筋混凝土水上結構，節約了三材，造價低，施工期短，橡膠壩的壩袋是先在工廠加工制造，然后運到現場安裝，施工工藝簡單，因此施工速度快，工期一般為3-6個月。抗震性能較好，橡膠壩的壩體為柔性薄殼結構，富有彈性，能抵抗一定的波浪沖擊。主要適用于低水頭、大跨度的閘壩工程，如用于水庫溢洪道上作為閘門或活動溢流堰，以增加水庫庫容及發電水頭；用于河道上作為低水頭、大跨度的滾水壩或溢流堰，可以不用常規閘的啟閉機、工作橋等；用于渠系上作為進水閘、分水閘、節制閘，能夠起到蓄水和調節水位的功能。

2.3 橡膠壩的缺點

橡膠壩在水利工程中應用的缺點也是顯而易見的。首先橡膠壩容易被樹枝、礫石等尖銳物體劃破，故橡膠壩前期選址比較苛刻,要選擇過壩水流平順的、河床岸坡穩定的河段, 建造前大部分都要預先整治河道，以延長其使用壽命。橡膠壩因單元長度制造限制不宜過長，通常橡膠壩單跨長度為50-100m，對于漂浮物等較多的河段單跨長度以 20-30m為宜。當河道跨度較大時，河道中間需要建造混凝土壩墩，所以會增加土建費用。橡膠壩壁薄性柔，溢流時由于水流的不穩定性，易誘發壩袋振動，它比一般結構的振動更為復雜。壩袋振動易導致其磨損，甚至發生脫層、撕裂，嚴重的會破壞整個壩體。橡膠壩適應山區洪水特性差，由于山區洪水含沙量較大，垃圾、樹枝等鋒利的雜物較多，壩袋易被損壞。在汛期來臨之前，需將壩袋坍平，以便保護壩袋。即便如此，洪水過后很多壩袋受損，需要維修，甚至整體更換。一般情況下，如果橡膠壩袋破損較輕，破洞直徑較小尚可修補；如果橡膠壩受損面積過大或是多處破損，則需更換整座橡膠壩。在修補時必須空庫或做圍堰維修，維修成本很高。影響泄洪斷面，橡膠壩設計規范要求壩的底坎高20cm，另塌壩時橡膠壩內的水不能完全放盡，形成不低于 20cm的高度，兩者相加塌壩時在河流斷面形成不低于 40cm的阻水斷面，影響泄洪流量。橡膠壩在啟動時速度較慢，一般充壩的時間需要2-3小時，坍壩也要1-2小時。在遇到突發洪水時，常因不能及時坍壩，造成洪水漫灘或漫壩的嚴重后果。壩頂溢流不能超過50cm，橡膠壩設計規范中對此明確規定，否則也易出現跨壩事件。橡膠壩自動化程度不高，一般難實現集中網絡控制。橡膠壩作為河道景觀時，每次升壩或塌壩后各種殘骸遺留在壩袋上給景觀帶來極大影響，運行單位每次都派人進行擦洗，工作量較大。在寒冷地區橡膠壩需要注意防凍害，在冰凍期，不需擋水的橡膠壩，需要保持自然坍落狀態，入冬前放空壩袋內及管道內的積水。冬季運行的擋水橡膠壩，需要采取壩前破冰的辦法，否則將對橡膠壩造成致命的損壞，一旦結冰就必須做好刨冰工作，在壩前開鑿一條小槽，防止冰凍壓力對壩體的作用，而刨冰工作完全依靠人工完成，既耗時又耗力，且給管理帶來極大的不便。在此期間不可調節壩高，需待壩袋內的冰凌融化后，方可沖脹或坍壩。同時不能讓冰凌在橡膠壩上溢流，結實而鋒利的冰塊很可能把橡膠壩劃破。橡膠壩一般10-15年需要更換壩袋，使用壽命低。

橡膠壩需要根據天氣預報情況預先塌壩，給實際調度運行帶來一定的難度。所以橡膠壩的運行管理維護工作非常重要，為了能夠使橡膠壩安全穩定的運行，需要建立一個管理機構，制定一整套檢查與維修方案，以延長橡膠壩的使用壽命，其管理運行維護費用高。

3 傳統水力自控翻板閘

3.1 水力自控翻板閘的組成和原理

傳統水力自控翻板閘由閘門門體、支鉸或者連桿裝置、閘前防護墩、閘后支墩和檢修便橋等組成，其運行機理為利用閘前閘后水壓差及門體自重，合理設置支承運行限位機構，自動控制閘門的開啟和關閉。

3.2 水力自控翻板閘的優點

水力自控翻板閘門無需人為控制，能夠在洪水位與正常擋水位相差較大時自動將閘門迅速打開，節省閘門的啟閉設備。在正常情況下保持關閉狀態，能夠保證上游景觀水位；降低水面線，保證了行洪安全。在自動翻板泄水時能夠將上游淤積帶走。傳統水力自動控制翻板閘同時具有造價低、結構簡單、施工期短等優點。

3.3 水力自控翻板閘的缺點

傳統水力自控翻板閘在多年的應用實踐中，缺點明顯。由于其運行工況的特殊性，開門泄洪時翻板門體斜臥于水中，受復雜的門頂和門底高速水流的影響而產生“拍打”現象，嚴重時將會使閘門產生越來越大幅度的擺動，以致不能控制，從而使閘門失衡。“拍打”現象時，易導致閘門門坎結構毀壞，甚至使閘門、基礎全部破壞。水力自控翻板閘易受淤沙或者漂浮物的影響而開啟失靈，由于翻板門采用中間支鉸結構，門前泥沙力矩為啟門阻力矩，有時致使水力不能正常開啟閘門。當翻板門打開一段時間，上游水位下降后，需要自動關門時，如果泥沙、石頭在閘門底部或樹枝等硬物卡在轉動支鉸部位時，閘門將無法自動關閉。一般情況因為考慮自重翻門，門體會比較厚，當翻倒泄洪時，中間形成一道很厚的阻水面，嚴重影響泄洪斷面，而且翻板門中間需要閘墩，更進一步影響泄洪斷面。洪水期間翻板閘突然翻倒，下泄流量很大，易造成閘門后沖刷，因此對閘室基礎、消力池和海漫要求較高，增加了工程投資。翻板閘安全性較差，經不住特大洪水的沖擊，其被沖毀的案例時有發生。翻板門工作原理靠水壓與自重平衡的作用使門體自動打開，不能人為的控制水位，管理不便。在水位驟升時，其開閉具有突然性，形成一次“非自然”的洪峰，對下游的生命、財產造成一定的危險性；在洪水到來時，泥沙淤積或其它漂浮物卡阻造成閘門不能打開，可能引起重大事故。生態功能差，閘門突然翻轉會淹沒兩岸的水鳥巢，破壞大自然生態。本身無魚道，破壞水生態的平衡。

水力自控翻板閘門的運行情況較差。閘門易受水上漂浮物的影響而開啟失靈，特別是在汛期，如果洪水到來時閘門不能自動開啟，會導致災難，所以在汛期，特別是臺風暴雨來臨之前，加強對翻板閘的日常巡視維護管理，及時清理閘門前后的有礙閘門開啟的漂浮物，增加了運行管理工作量，其管理運行維護費用高。

4 氣動盾形閘

4.1 氣動盾形閘的組成和原理

氣動盾形閘是綜合傳統翻板閘及橡膠壩的優點成功研制的一種新型先進的擋水建筑物。氣動盾形閘由門體鋼結構、埋件、氣袋、空壓系統和閘門控制系統等組成，是利用空氣壓縮的原理，通過對氣袋的充氣或排氣，實現閘門升起或倒伏，可維持特定的水位高度，并在設計水位內實現任意水位高度的調節，允許閘門頂部溢流。

4.2 氣動盾形閘的優點

氣動盾形閘不僅能夠滿足常規功能的要求，而且能夠有效維護生態環境，與周圍環境相協調，滿足水利工程生態化、景觀化的要求。氣動盾形閘的應用改變了以往大跨度閘門制造工藝復雜、安裝困難、投資大這一傳統觀念，為大跨度水工閘門提供了新的設計思路，具有投資效益高，故障率低，易于維護，使用安全、壽命長等優點，是一種先進、高效、節能、環保的水利設施。

4.3 橡膠壩、水力自控翻板閘與氣動盾形閘的應用方案比較

與橡膠壩和傳統水力自控翻板閘在水利工程中的應用相比較，氣動盾形閘是一種新型環保的水利設施，在保留了傳統自控翻板閘和橡膠壩的優點的基礎上，有效的彌補了它們不足。

氣動盾形閘很好地克服了橡膠壩嚴格選擇壩址及河川整治的問題。建造時基本不需要前期的河川整治，因為閘門上游面采用鋼盾擋水保護壩袋，壩袋不會因上游的各類漂浮物而損壞，從而節省了工程前期的投資。其采用先進的組合式設計，在布置上不受河道寬度限制，即使在較寬的河道上，也無須設置中間閘墩、工作橋、維修廊道和啟閉機設備，地基也相對簡單，進一步降低了造價。

氣動盾形閘泄洪能力強，克服了傳統水力自控翻板閘卡阻、阻水斷面大及“拍打”現象的缺點，很好解決了橡膠壩壩袋易被各種漂浮物劃破損壞、底檻及泄水時壩袋阻水的問題。氣動盾形閘由若干模塊化的盾形鋼閘門及氣袋組合而成，組合式的結構可任意延長，可適用于不同跨度的河道。其在整個河道寬度范圍內可完全倒伏于河床底部，泄水面幾乎與河道寬度一致，可實現大面積高效率泄水。氣動盾形閘翼型結構和閘底鉸鏈的設計亦使得泥沙、樹枝、冰塊、浮木及其它雜物容易流過，不易造成阻塞。閘的門體加筋板兼導流功能，可平順水流并減少沖刷。該種閘采用破波等特殊設計，能夠有效的防止震動，避免了震動對閘門造成的損壞。

氣動盾形閘安全性能高，解決了橡膠壩及水力自控翻板閘易被洪水沖垮、漫灘、漫壩、不能集中遠程控制等問題。閘門可完全倒伏于河床底部，不影響河道泄洪。氣動閘啟動速度快，當洪水來臨時可迅速使閘門倒伏。氣動閘設置有水位儀和開度儀等傳感器，既可以采用自動方式控制水位也可以采用手動方式控制水位，特別是對因洪水泛濫時引發的斷電，仍可通過手動控制方式緊急排放氣袋內的空氣實現安全泄洪，避免損失，安全可靠。泄洪后，即使閘門上沉積污泥等雜物，仍不影響其正常運行。

氣動盾形閘克服了橡膠壩及水力自控翻板閘生態環保性能差的弱點。閘氣袋采用食品級材料制作，以壓縮干凈空氣作為驅動，沒有任何機械用油，不會造成水和周圍環境的污染，環保性能好。氣動盾形閘可方便設置魚道，完全倒伏在河底，無水位落差，不影響水生物的上下通過，可保持河道的生態連續性，有效維護生態環境。

氣動盾形閘與橡膠壩及水力自控翻板閘相比，其性價比好，使用壽命長，整體使用壽命可達到 30年以上。不需要啟閉機械等設備，對土建基礎要求不高，只需簡單地基，不需設置中間閘墩和工作橋，無機械驅動，采用壓縮空氣作為動力，運行維護成本較低。氣袋支撐的盾形鋼閘門結構可以安全保護氣袋本身，避免被浮木、泥沙、冰塊等雜物的損傷，其整體效率和使用壽命要比橡膠壩及水力自控翻板閘高出許多。

氣動盾形閘自動化程度高，故障率極低，操作簡單，管理維護簡便，克服了橡膠壩不能實現自動控制水位的弱點，解決了水力自控翻板閘管理維護的強度和閘門突然開啟或者需泄洪時卡阻的安全隱患。氣動盾形閘在管理上，可實現了“少人值守”，可節省大量的人力和財力，其維護成本低。

氣動閘采用組合式的設計，形成各自獨立的模塊單元，結構簡單，抗震性能好。單元模塊重量輕，一般都不需要大中型起重設備，安裝較為省時省力，大大縮短氣動閘建設周期。

從應用范圍方面來對比，氣動閘應用的范圍也更加廣泛。氣動閘可在寒冷地區使用，在低溫的情況下依然可以正常工作，可起到破除冰封、防凌汛的作用，其工作溫度為-30C°至55C°之間。氣動盾形閘的應用，為低水頭、大跨度水工閘門提供了新的設計思路，可以廣泛運用到水力發電、引水河道、農田灌溉、防旱排澇、海堤建設、大壩加高、河道改造及城市景觀等工程。

5 結語

綜上所述，氣動盾形閘在水利工程應用中，其構造簡單、施工期短、環保性強、易于維護、使用壽命長、安全可靠，與傳統水力自控翻板閘和橡膠壩相比，各方面的優勢明顯，為我國水利工程建設提供了新的設計理念,它的推廣應用也將在我國水利工程建設中發揮出巨大的作用，其社會經濟效益和生態效益顯著。建議在現代水利工程建設中優先考慮采用氣動盾形閘。