淺析城市景觀翻板閘門的設計選型

陶 光 慧

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 概 述

近年來，隨著社會經濟的發展和城市現代化進程的加快，對城市水利工程建設提出了新要求和內容，其除應符合防洪安全要求外，還需滿足改善和美化環境的要求，從而要求水利工程逐步實現從傳統工程水利向資源水利、生態水利的轉變，注重水利工程的景觀和美學要求，尋求城市景觀水利規劃設計的新思路。由于傳統閘門布置需 較厚的閘墩及突起的啟閉機排架，影響防洪能力及景觀效果，為順應景觀水利的要求，各類新型閘門大量涌現，如橡膠壩、翻板閘、一字門、人字門、三角門等。從我國目前的工程實例看，翻板閘門在城市景觀水閘中的應用最為普遍，因此，研究此類閘門的設計選型具有較為重要的現實意義。

2 城市景觀河道中常用的翻板閘門

2.1 水力自動翻板閘門

水力自動翻板閘門是目前國內最常見的一類自控閘門，是我國研發出來并擁有完全自主知識產權的一種節能、環保型閘門，先后經歷了橫軸雙支鉸型、多支鉸型、滾輪連桿式和滑塊式水力自控型四個發展階段。由于水力自動翻板閘門具有過流能力強、水位壅高少、結構簡單、制造使用方便、造價低廉、維護簡單等諸多優點而得到了廣泛的應用。

水力自動翻板閘門的工作原理是杠桿平衡與轉動。具體來說，水力自動翻板閘門是利用水力和閘門重量相互制衡，通過增設阻尼反饋系統來達到調控水位的目的：當上游水位升高，閘門繞“橫軸”逐漸開啟泄流；反之，上游水位下降，則閘門逐漸回關蓄水，使上游水位始終保持在設計要求的范圍內，根據水位的變化，依靠水力作用自動控制閘門的開啟和關閉。當上游來流量加大，閘門上游水位抬高，動水壓力對支點的力矩大于門重與各種阻尼對支點的力矩時，閘門自動開啟到一定傾角，直到在該傾角下動水壓力對支點的力矩等于門重支點的力矩，達到該流量下新的平衡；流量不變時，開啟角度也不變。而當上游來流量減少到一定程度且門重對支點的力矩大于動水壓力與各種阻尼對支點的力矩時，水力自動翻板閘門可自行回關到一定傾角，從而又達到該流量下新的平衡。

水力自動翻板閘門由于其工作原理是由水壓與自重平衡的作用使門體自動打開而不受人為控制，加上各種運行時的阻卡不一樣，門什么時候開很難把握，而下游一旦有人畜或其他臨時建筑時，在沒有征兆或通知的情況下，上游就翻壩泄洪,存在很多安全隱患；再加上其對河流泥沙的適應能力較弱，因此，這些缺點制約了水力自動翻板閘門的推廣作用。水力自動翻板閘門的結構如圖1所示。

2.2 液壓控制翻板閘門

針對水力自動翻板閘門存在的問題，結合工程實踐，在原有的水力自動翻板閘的基礎上增設了液壓控制系統。閘門的開啟、關閉，既能由水力自動控制開關，也可由液壓人工隨意控制開關，且翻板閘可控制在任何一個開度。在水力自動控制時，液壓控制系統起阻尼減震的作用。

液壓控制翻板閘門由液壓動力控制機構和閘門兩部分組成。液壓動力控制機構包括電機、泵、馬達、控制閥、管路、油箱和減速器；閘門部分包括閘門、連接軸和支承墩。每扇閘門設兩個油缸(也可以設一個油缸)，油缸設在支墩內(主要目的是防盜，也可設在支墩外)，油缸的一端通過鉸固定于閘板轉動鉸的下部，油缸的另一端通過另一鉸固定于支墩上。油缸通過導油管連接至液壓控制臺，液壓控制臺可以設在河岸上實現遠程控制。當人工操縱開閘放水時，開動液壓傳動系統使油缸的活塞桿向前移動，推動閘門板轉動，即閘門開啟，操作液壓傳動系統的控制元件，閘門板可停留在任意開度。當閘門需要關閉時，開動液壓傳動系統，使油缸的活塞桿向后移動，拉動閘門轉動，即可關閉閘門。閘門既可部分開啟，也可全部開啟，同時，也可以通過調節閘門的開度以控制流量的大小，開關速度可任意調節。為了保證整個工程的安全，液壓控制系統還設有無人值守或斷電狀態，控制系統可自動轉入水力自控狀態。

圖1 水力自動翻板閘門示意圖

設置了液壓啟閉機控制的翻板閘門，在一定程度上解決了混凝土材料在翻轉、拍打、受到水流中雜物撞擊時容易損壞的問題，液壓啟閉機也解決了閘門自動運行機構容易受到水草、樹枝等雜物卡阻而無法正常運行的問題。該方案由于其結構形式的需要，仍需要在閘門后設置數量較多的支承墩結構，閘門開啟泄洪時門體橫臥于水中，門頂與門底處于同時過水狀態，門體等結構仍然會受到復雜的門頂和門底同時通過高速水流的影響，對河道泄洪、河道景觀也會產生一定程度的影響和破壞，并會阻礙河流的通航。液壓控制翻板閘門結構如圖2所示。

圖2 液壓控制翻板閘門示意圖

2.3 底橫軸翻板閘門

底橫軸翻板閘門是一種較新改進型的翻板式閘門，由門葉、固定在門葉底部的底橫軸、多個底鉸座、自潤滑軸承、底水封、側水封、液壓驅動裝置以及液壓鎖定裝置等組成。底橫軸的兩端穿過閘墻外伸，其外伸端與電液一體式啟閉機連接，啟閉機庫位于閘墩內，底軸與閘墻之間設有水封裝置，河道內的水不會滲入啟閉機庫。通過控制閘墩兩側的電液一體式啟閉機的正反轉可實現底橫軸翻轉門的啟閉及開度控制，從而實現蓄水、泄洪、溢流、行船等功能。

源動力為液壓啟閉機的驅動裝置，兩臺驅動裝置布置于閘壩兩側的驅動室內，通過拐臂驅動支承在轉軸座上的底轉軸轉動，帶動固定聯結在底轉軸上的底軸驅動翻板閘門門葉按要求適時平穩、可靠地做啟壩、閉壩等動作。支承結構為設置在閘門底部的旋轉轉軸，液壓啟閉機油缸控制底軸的旋轉從而帶動閘門門體的翻轉開啟和關閉，閘門在關閉時向上游或下游幾乎完全平臥于河道底面。由于這種閘門形式的支承旋轉結構為閘門的底部轉軸，因此，閘門門體寬度方向尺寸可適當地加大，門葉的下端固定連接底橫軸。底橫軸轉動連接若干支鉸座，兩端分別固定連接啟動臂，每個啟動臂的上端分別與對應的液壓啟閉機的伸縮桿鉸連接，每個液壓啟閉機鉸連接在支座上，每個支座內分別設置鎖定裝置，每個鎖定裝置的一端分別與啟動臂鉸連接。液壓啟閉機通過啟動臂驅動底橫軸轉動，從而帶動閘門作弧形運動，并由鎖定裝置控制閘門的開啟角度。

由于底橫軸翻板門是一種新型景觀液壓驅動式閘門，其操作方便，啟閉靈活，閘門開度無級可調，方便調度、工作較隱蔽、不妨礙防汛和通航，不會對原有河道的景觀造成影響且啟閉閘門的時間較短；不需要設置較多的閘墩結構，對河道泄水影響較小，對河道景觀效果較好，不影響河道的通航。對于大規格底軸驅動翻板閘門及啟閉機，其底軸基礎的處理要求相對較高，底軸受基礎不均勻沉降的影響較大，因此，該種閘門形式的檢修條件不是太好，很難應用于高水頭。底橫軸翻板閘門如圖3所示。

圖3 底橫軸翻板閘門示意圖

2.4 氣動盾形翻板閘門

氣動盾形翻板閘門為目前較為新穎美觀的景觀水閘形式之一，由鋼閘門(鋼結構的盾形門板和框架結構等)、高分子材料的氣袋、埋件、空壓系統和閘門控制系統等組成，其利用空氣壓縮原理，通過氣袋的充氣與排氣使閘門升起和倒伏，維持特定的水位高度，并可在設計水位內實現任意水位高度的調節(圖4)。

圖4 氣動盾形翻板閘門示意圖

此種閘門形式融合了底軸驅動翻板閘門與橡膠壩的一些優、特點，當閘門需要升起擋水時，利用壓縮空氣向氣袋充氣，使閘門面板處于擋水狀態；當閘門需要倒伏泄水時，打開排氣閥及排氣泵等將氣袋內的空氣排放，使得閘門門體向下游倒伏幾乎完全平臥于河道底面。該種閘門形式擋水時的支承結構主要為高分子材料的氣袋，整套氣動閘系統可由若干模塊化的鋼閘門及氣袋組合而成，攔河寬度不受限制且中間不需要設置閘墩及支墩結構，泄水面幾乎與河道寬度一致，對河道泄水幾乎不產生影響，可實現大面積、高效率的泄水，河道景觀效果較好，不影響河道的通航。氣動閘盾形門體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。氣動閘的門體加筋板兼具導流功能，可平順水流并減少沖刷。若使用的氣袋材料較好并以壓縮干凈的空氣作為驅動，無任何機械用油，不會造成水和周圍環境的污染，環保性能較好；氣動閘完全倒伏時不影響泄洪，可采用手動控制和電動自動控制兩種方式進行操作控制，特別對因洪水泛濫時引發的斷電，可通過手動緊急排放氣袋內的空氣實現安全泄洪。泄洪后，既使閘門上沉積污泥等雜物，仍不影響其正常運行。氣動盾形閘門不需要啟閉機械等設備，對土建基礎要求不高，只需簡單地基且不需設置中間閘墩和維修廊道。

3 結 語

從以上各種閘門的特點及情況看，水力自動翻板閘門應用較早，但因其對污物的適應能力較差，且自動泄水時容易使下游發生安全事故，故影響了其的應用推廣；液壓控制翻板閘門雖然解決了部分問題，但仍無法解決閘墩阻水及門頂和底部同時過流的水力學問題，因此其應用依然受限；底軸驅動翻板閘門較為新型，行洪能力及景觀效果不錯，然而，對于高水頭大型工程，其結構特點決定了其難以勝任，仍需加以改善。綜合來看，氣動盾形翻板閘門應具有較好的行洪能力及景觀要求，在整個河邊流道內無需設立支墩，且泄洪操控更為安全可靠，因此，從未來發展方向看，應用前景廣闊。

參考文獻：

[1] 李宗健，等.水力自動閘門[M]. 北京：水利水電出版社，1987.

[2] 吳望一.流體力學[M].北京：北京大學出版社，2004.

[3] 姜佩東.液壓與氣動技術[M].北京：高等教育出版社，2000.

[4] 張光斗.水工建筑物[M].北京： 水利電力出版社，1992..