液壓升降壩在山區景觀河道中的應用

張 玉 海

(黃山風景區防汛抗旱指揮部，安徽 黃山 245899)

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液壓升降壩在山區景觀河道中的應用

張 玉 海

(黃山風景區防汛抗旱指揮部，安徽 黃山 245899)

在分析幾種蓄水建筑物優缺點的基礎上，針對山洪溝治理中山區景觀河道的特點，設計了一種弧形面板液壓升降壩，并用ANSYS軟件對其進行了有限元分析，計算表明該種壩型是安全可靠的。

山區景觀河道，山洪溝治理，液壓升降壩，弧形面板

0 引言

為提高山洪溝兩岸城鎮、集中居民點等防護對象的防洪標準，有效減輕人員傷亡和財產損失,與已建設的山洪災害監測預警系統和群測群防體系相結合，形成防護區相對完善的山洪災害防治的工程措施與非工程措施體系，全面提高我國山洪災害防御能力和水平。國家防汛抗旱總指揮部自2013年開始開展對直接威脅城鎮、集中居民點的山洪溝進行工程治理。并出臺了《重點山洪溝防洪治理項目建設指導意見》，要求所采取的工程措施布置應重視防沖、消能和坡腳防護。

在指導意見中提出在滿足以人為本，保障安全的前提下，實現人水和諧，注重生態。在傳統的治理思路中，只是被動的加固兩岸的護岸或者對兩岸護坡進行硬質化以保持河流的全時段暢通來提高河流的防洪能力。但是由于山區河道比降大，暴雨集中并且強度大，匯流時間短，水流速度快，河道沖刷嚴重；而且洪水來得快，去得也快，枯水期往往造成河床的裸露，進一步加劇了河床的剝蝕與風化。因此，在山區河道中，尤其在河道比降大，沖刷嚴重的景區河段在不影響河道行洪的前提下，進行一定程度的蓄水，形成水墊，既能減緩洪水對河道的沖刷，又能夠營造一定的景觀。

1 蓄水建筑物的選擇及設計

1.1 蓄水建筑物的選擇

山區河道洪水來勢快，流速大，要求選用的蓄水建筑物集擋水、泄水功能于一體，同時盡量降低對河道行洪的不利影響，開啟方便快捷，且不易減縮河道行洪斷面。工程中常用的低水頭蓄水建筑物主要有液壓升降壩、常規水閘、橡膠壩、水力自動翻板壩、固定溢流壩等形式。

采用固定溢流壩將對行洪斷面產生影響，加大堤防防洪標準，而且淤積問題比較難解決；采用弧形門、平板鋼閘門等等常規閘門，雖然泄流能力大、運行調度靈活，可以通過閘門調度渲泄各種頻率的洪水，但是金屬結構及土建工程量較大，上部需設置啟閉設備和啟閉機房，且高于河岸，對河道景觀影響較大。綜合景觀和防洪的要求，山區河道的蓄水建筑物宜選用活動壩，國內常用的活動壩型有：液壓升降壩、橡膠壩、水力自動翻板壩。

橡膠壩緊貼河床不阻水，結構簡單、壩體跨度大、自重輕、抗震性能好，美觀。但山區河道洪水尖銳漂浮物多，壩袋易被漂浮物或尖銳物損壞；且洪水來勢兇猛，洪水期坍壩調度與蓄水難以協調，運行管理難度較大。

水力自動翻板壩能根據水位自行調節，結構不復雜，施工期短，管理運行簡單快捷。但山區河道洪水尖銳漂浮物多，泥砂含量大，翻板閘門易被漂浮物卡塞或上游淤積不能自動翻板；洪水過后，翻板門再關上時易被異物卡住，導致大量漏水；上游漂浮物無法清理，使河道臟亂等。

液壓升降壩不怕泥砂淤積；不受漂浮物影響；壩間無須建設支墩，放倒的壩面沉入河底，不阻水；在損失極小水量的情況下，就能很容易地沖掉上游的漂浮物，使河水清澈；放壩快速，不影響防洪安全，特別適合雨量充沛的南方及洪水漲落快速的山區；結構堅固可靠，抗洪水沖擊能力強。

綜上所述，液壓升降壩克服了傳統活動壩的所有缺點，保留了三種活動壩的所有優點，性價比較高。

1.2 液壓升降壩方案設計

常規的液壓升降壩面板多為直線形，只有蓄水高度小于3 m的時候才可以選用弧線面板，而山區河道比降大，為了保證一定深度的蓄水，需要的壩高往往超過3 m，為了適用于這種比降大的山區景觀河道，設計了一種壩高超過3 m的弧形面板液壓升降壩。

根據弧形液壓升降壩的結構特點和工作條件，分析其結構受力狀態。弧形液壓升降壩在工作時的最不利工況常出現在上游高水位和下游無水時的情況，此時液壓升降壩受力最大(見圖1)。在結構分析中取單寬進行計算。

壩面水平水壓力：

(1)

壩面垂直水壓力：

(2)

液壓桿支撐力為T：

(3)

(4)

(5)

式中：P——水平水壓力；G——垂直水壓力；T——液壓桿支撐力；β——液壓桿與水平面的夾角；H——上游水位；f(h)——弧形面板的弧形函數。

由式(5)可知，T隨β的變化而變化，實際應用中應根據實際情況，結合上述公式確定合理的參數β，使理論與實際緊密結合，實現最優解[10]。

以4 m高弧形液壓升降壩為例，通過計算分析其結構受力狀態，并結合實際情況可知，當β=56°時，液壓桿受力狀態最優。弧形液壓升降壩斷面結構示意圖如圖2所示。

2 弧形液壓升降壩的應力計算

2.1 非線性有限元力學分析

結合弧形液壓升降壩的結構特點，利用非線性有限元進行分析，建立弧形液壓升降壩三維有限元模型，分析計算上游水位為4 m工況時，弧形液壓升降壩面板的應力應變狀態。

2.2 計算模型

坐標系規定：零點取在壩面底端右角點；X軸以垂直壩軸線，指向下游為正；Y軸為平行壩軸線，指向左岸為正；Z軸為豎直方向，向上為正。

計算范圍：選取弧形液壓升降壩段(沿壩軸線寬3 m)為研究對象。主要分析壩面板的應力應變情況。

邊界條件：有限元模型截取邊界為位移約束邊界，即底部邊界為三向約束，在支撐桿和面板連接處為鉸約束。

三維有限元網格：建立弧形液壓升降壩壩段三維有限元模型，單元總數38 545個，結點總數60 619個。有限元網格如圖3所示。

當上游水位為4 m，壩體面板在支撐桿作用下，其最大位移為1.72 mm，指向下游，出現在面板頂端中央位置，由于支撐桿支撐部位離兩鉸較近，面板中間部位位移相對較大，如圖4所示。面板最大壓應力為1.88 MPa，在面板下游面與液壓桿鉸接處，如圖5所示。最大拉應力為1.25 MPa，在面板與液壓桿交接部位上游面處，如圖6所示。面板最大拉、壓應力的范圍較小，均屬應力集中狀態；剪應力和彎矩為0。

經過第一強度理論和第二強度理論的分析可知，弧形液壓升降壩面板滿足鋼筋混凝土的強度需要，在變形上也完全沒有問題，適合作為蓄水建筑物進行廣泛應用。

3 結語

通過設計一種壩高超過3 m的弧形液壓升降壩，既保留了傳統液壓升降壩的優點，又兼顧了景觀和防洪的要求，在山區河道尤其是比降大有景觀要求的山區河道具有較廣闊的應用前景。有限元分析結果表明，弧形液壓升降壩面板受力合理，滿足強度和規范要求。

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The application of the hydraulic lifting dam in mountain landscape rivers

Zhang Yuhai

(HuangshanScenicAreaFloodControlandDroughtReliefHeadquarters,Huangshan245899,China)

On the basis of analyzing the advantages and disadvantages of several water storage buildings, a hydraulic lift dam of the curved panel is designed for the mountain landscape river in mountain flood control, and that the finite element analysis is carried out with ANSYS software, which shows that the dam type is safe and reliable.

mountain landscape river, flash flood control, hydraulic lift dam, curved panel

1009-6825(2015)21-0202-02

2015-05-19

張玉海(1957- ),男，工程師

TV147.1

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