液壓升降壩與傳統活動壩比較研究

饒和平朱水生唐湘茜

(1.長江水利委員會網絡與信息中心，湖北武漢430010; 2.安徽池州百川液壓壩科技有限公司，安徽池州247100)

液壓升降壩與傳統活動壩比較研究

饒和平1朱水生2唐湘茜1

(1.長江水利委員會網絡與信息中心，湖北武漢430010; 2.安徽池州百川液壓壩科技有限公司，安徽池州247100)

為有利于在現代水利活動壩工程建設中進行壩型比選，針對橡膠壩、翻板壩及液壓升降壩3種壩型，概述了各種壩型的特點，從技術、投資、運行管理及效益等方面對各種壩型進行了對比分析，并結合工程實例，介紹了壩型比選情況。結果表明，液壓升降壩在多數情況下優于橡膠壩和翻板壩，值得廣泛應用與推廣。

液壓升降壩;橡膠壩;翻板壩;比較研究

活動壩主要有橡膠壩、翻板壩和液壓升降壩等3種壩型。橡膠壩是一種薄壁柔性壩，最早出現于20世紀50年代末，其基本工作原理是用高強度合成纖維織物作受力骨架，內外涂敷橡膠作保護層，加工成膠布，再將其錨固于底板上成封閉狀的壩袋，通過充排管路用水(氣)將其充脹形成。翻板壩是一種低水頭擋水建筑物，也稱為水力自控翻板閘，1972年發明于日本，其基本工作原理是杠桿平衡與轉動，通過上游水作用力和閘門自身重量的相互制衡及增設阻尼反饋系統達到調控上游水位的目的。液壓升降壩是目前世界領先的活動壩，于2006年由我國發明，屬于攔河活動壩的第三代產品，是一種利用自卸汽車力學原理，結合支墩壩水工結構型式的新型活動壩，具有擋水和泄洪雙重功能。以下將分別敘述這3種活動壩的特點，并將其各種性能進行比較。

1 三種壩型各自的特點

1.1 橡膠壩

橡膠壩主要由壩袋、充排設備、錨固結構、安全及觀測裝置等組成，可分為充水式、充氣式和氣水混合3種形式［1］。采用高強度合成纖維織物作為壩體的受力骨架，在骨架內外表面涂敷高分子合成橡膠作為粘結保護層，形成整體的高強度膠布，再按照設計尺寸加工成封閉的袋形，錨固在混凝土基礎底板上，利用水(氣)壓力將其充脹形成袋式擋水壩，壩頂可溢流，可根據實際需要進行壩高調整，從而更好地發揮灌溉、發電、航運、防洪及擋潮等效益。

美國、澳大利亞及日本等國先后對橡膠壩開展了不同程度的研究，包括試驗研究、壩袋制造技術、標準制定等，并取得了一系列研究成果［2，3］。較為著名的橡膠壩有澳大利亞的孔伯龍巴(Koombooloomba)充水式橡膠壩、日本為荷蘭建造的拉姆斯波爾(Ramspol)橡膠壩等。1965年以來，我國橡膠壩的發展歷史大致經歷了試驗研究、總結改進、穩步發展及快速發展4個階段。目前我國的橡膠壩工程主要以充水式為主。

1.2 翻板壩

翻板壩主要由面板、支腿、支墩及連桿等部件組成，通過上游來水量的增減自動控制作用于閘門上的合力大小及作用點位置，同時利用支腿、支墩、導板、滑輪及連接桿的協調配合，實現翻板閘門的自動開啟和關閉。當上游水位升高時，閘門逐漸開啟泄流，上游水位下降時，閘門逐漸關閉蓄水，從而保證了上游水位一直保持在設計要求的范圍內［4］。

目前應用較多的翻板壩形式主要有多鉸軸式、雙支點復合式、多絞連桿滑塊式和滑塊支承鉸式等，如我國漢江支流天河尾間鄖西縣的天河口翻板閘門、廣東省懷集縣水下三級水電站翻板壩等。在國外的應用中，日本擬利用翻板壩來防止海嘯對沿海岸地帶居民的襲擊。

1.3 液壓升降壩

液壓升降壩主要由壩面(弧形或直線)、支撐桿、液壓桿、液壓缸及液壓泵站組成(從EI、Elsevier ScienceDirect、Springer等知名數據庫，以及在Google等網絡搜索引擎上搜索的結果來看，尚未找到液壓升降壩這一新生壩型的國外文獻及報道)。

液壓升降壩的主要工作原理是利用液壓系統控制活動攔水壩，從而達到升壩時攔水，降壩時泄洪的目的。壩體結構是在壩面的背面設置滑動支撐桿作為支撐，構成穩定的支撐墩壩，通過液壓系統和限位卡裝置，實現壩體支撐墩壩活動和固定的相互轉換，從而達到固定攔水、活動降壩的目的。此外，液壓升降壩通過浮標開關控制操作液壓系統，實現自動化管理，并能根據洪水漲落情況，實時升降活動壩面［5］。

液壓升降壩既保留了傳統活動壩型的優點，又克服了傳統活動壩型的缺點，是水利科技的一項革命性成果。由于該壩型力學結構簡單，運行過程中，既可以像橡膠壩一樣緊貼河床不阻水、無泥沙淤積，上游水量較大時又可以像翻板壩一樣自動放壩泄洪，不影響防洪安全，結構堅固可靠，抗洪水沖擊能力強，任意調節水位高度，像水閘一樣堅固耐用。因此目前廣泛應用于農業灌溉、漁業、船閘、河道治理等領域。實用案例有安徽池州青陽縣液壓壩、北京豐臺弧形液壓壩等。

2 三種壩型的比較

2.1 適用范圍

橡膠壩主要應用于低水頭、大跨度的閘壩工程，沿海海岸防浪堤或擋潮閘工程，跨度較大的孔口船閘上、下閘門工程，施工圍堰或活動圍堰工程，城區園林工程等。

翻板壩為較常見的活動壩，適用于中、小型河道水位調節，特別適用于洪水陡漲陡落、供電、交通不便的山溪性河道建造中。城市河道整治中，為防洪、便于運行管理及美化環境改善景觀等亦常需建翻板壩。

液壓升降壩是一種低水頭新型活動壩，廣泛應用于中小河流治理中的攔蓄水工程，如城市河道景觀、小水電站建設、農田灌溉、沿海拒咸蓄淡、鹽田攔蓄海水和環境保護等工程。

2.2 優劣分析

橡膠壩結構簡單，其優點主要有緊貼河床不阻水，自重輕，壩體跨度大，壩型美觀，抗震性能好等。其缺點主要有:①可靠性、安全性較差，使用壽命短;②壩體壩袋易被硬質漂浮物或尖銳物損壞，尤其冰凍問題容易導致損壞壩袋;③增加泵房，機電設備;④需人工定期清理漂浮物;⑤管理運行困難，汛期塌壩與蓄水調度協調較困難，塌壩時間長，經常出現洪水暴漲期間來不及塌壩就被洪水沖毀，在浙江省，一場臺風就摧毀了十幾座橡膠壩;⑥塌壩放水后，出現泥砂淤積覆蓋壩袋，壩袋無法沖水，需人工清理泥砂，而人工清淤極易損壞壩袋。

翻板壩具有投資較少、工期短、結構簡單、管理運行方便等優點，上游水位變動時，能自動調節閘門開度。其主要缺點為:①易造成阻水，暴雨期間，往往經不起瞬間特大洪水的沖擊，壩體易被洪水沖毀，我國每年有大量翻板壩被洪水沖毀的報道;②易被上游漂浮物卡塞或泥砂淤積，導致壩體自身不能自動翻板，影響防洪安全;③經過洪水沖擊后，翻板門容易被異物卡住關閉不嚴，造成水庫大量漏水，無法正常蓄水工作;④壩體上游漂浮物較難清理，導致河道臟亂，污染環境。

液壓升降壩作為一種先進的新型活動壩，其主要優點包括:①力學結構科學，解決了泥砂淤積問題;②結構堅固可靠，抗洪水沖擊的能力強;③不受漂浮物影響，在水量損失極小的情況下，能很容易沖掉上游的漂浮物，使河水清澈，保護環境;④壩體間無須建支墩，平板放倒后平鋪河床基礎，不阻水;⑤放壩速度快，不影響防洪安全，特別適合雨量充沛的南方及洪水陡漲陡落的山區。總體上講，液壓升降壩克服了傳統活動壩的缺點，同時保留了橡膠壩、翻板壩等傳統活動壩的基本優點，具有明顯優勢，是性價比最高的活動壩［6］。

液壓升降壩與傳統活動壩性能比較見表1。

3 工程實例分析

運用3種壩型的工程案例較多，但較少將實施方案作橫向對比。為此，特優先選用以下兩個工程案例進行分析比較，從而總結出選擇適合壩型的理由及建議。

表1 液壓升降壩與傳統活動壩性能比較

3.1 案例一

某攔河壩工程規劃設計Ⅰ號、Ⅱ號及Ⅲ號3處壩址，通過對投資、工程安全性、發揮效益、水流條件及景觀效果等方面進行分析對比后，推薦Ⅲ號壩址方案。針對該壩址壩型選擇問題，分別對液壓升降壩、橡膠壩及翻板壩3種壩型進行了比較。

3.1.1 性能比較

(1)橡膠壩。擋水壩主體擬使用三布四膠橡膠壩袋，通過鋼壓板將壩袋錨固在壩底板上，通過機電設備抽取河道水源進行充壩擋水。該壩型的優點是跨度大、整體效果好。缺點是每間隔一定時間(約15 a)需要更新更換壩袋，重復投資較大;日常運行管理維護費用較高，且壩袋易造成人為損壞;受季節影響較大，冬季基本無法正常升壩。

(2)翻板壩。擋水壩主體采用鋼板，通過鋼筋混凝土支鉸結構將支撐固定在壩底板上。該壩型的優點是壩體能根據上游來水量的增加及時加大閘門張開度，洪水結束時能及時關閉閘門攔截洪水尾水，有效利用水資源。缺點是阻水較嚴重，影響防洪安全;容易遭受洪水損壞;后期維修費用較高;上游漂浮物無法清理，影響景區美觀。

(3)液壓升降壩。擋水壩主體采用鋼筋混凝土板，通過液壓啟閉機支撐固定在壩底板上。該壩型的優點是跨度大，結構簡單，工期較短，耐久性較好，實際使用壽命可達到50 a。缺點是每間隔約5 a時間，需要為液壓系統補充液壓油，但費用很小。

3.1.2 經濟比較

以上3種方案通過計算，得出各壩型的單延米投資總額。計算表明，翻板壩的單延米投資最高，而橡膠壩和液壓升降壩的單延米投資較低。結合使用壽命和維護成本看，液壓升降壩的性價比最高。具體經濟比較情況見表2。

表2 經濟比較情況

通過對以上各種壩型導致的水流條件、河道行洪雍水、消能防沖、工程投資、工程管理及費用的對比分析，經綜合經濟技術比較，選擇液壓升降壩方案作為推薦壩型。

3.2 案例二

根據規劃，某航道水運工程需要設置一道攔水壩，以實現航道枯水期蓄水通航。根據工程附近區域的水文、氣象及規劃景觀要求，結合航道的汛期防洪要求及通航水深要求，分別對橡膠壩、液壓升降壩及翻板壩3種壩型進行了對比分析，3種壩型的優缺點如下。

(1)橡膠壩。優點是結構簡單，自重輕，壩體塌落時壩袋緊貼河床基礎面，基本不阻水，壩體跨度大，抗震性能較好，整體效果美觀。但具有橡膠壩所固有的通病，而且項目所在地汛期降雨強度較大，汛期和非汛期河道流量差異較大，為協調好蓄水和防洪的關系，要求汛期強降雨期間攔河壩能快速塌壩，汛后又能及時升壩蓄水，因此橡膠壩不太適宜。

(2)翻板壩。優點是自動化程度相對較高，投資低，結構簡單，工期短，管理運行方便。但同樣有前面所述的易被洪水沖毀、被異物卡住、影響水庫正常蓄水等缺點。

(3)液壓升降壩。除具有結構相對簡單、工期短、投資較少、自動化程度較高、方便檢修和管理等常規優點外，更重要的是結構性能可靠，壩體塌落后的高度僅超出河床基礎面約30 cm，壩體升起后形成穩定的支撐壩體結構，活動壩體的高度可調節，泄流、行洪、沖砂及排漂效果較好，且使用壽命一般長達30 a以上。缺點是壩體液壓系統的油路和液壓桿均位于水面以下，檢修期間需要抽水干地作業，為此可設置檢修閘墩，利用船閘檢修門擋水，為檢修和維護液壓系統設備提供干地作業條件［6，7］。

通過對以上3種壩型的優缺點對比分析，結合該項目的實際條件，認為液壓升降壩的優點之多，遠遠超過了橡膠壩和翻板壩，為較合適的壩型，故選擇液壓升降壩為推薦壩型。

4 結語

橡膠壩的優點是安裝簡便，下降時能無阻礙地泄洪;翻板壩構造簡單、施工方便、便于維修，部分開啟時有良好的穩定性;而液壓升降壩與上述傳統的活動壩型相比，特點更為突出，即具有投資少、適用范圍廣、結構堅固可靠、抗洪水沖擊能力強、運行管理簡單、壽命長等優點。液壓升降壩是水利科技的一項創新性成果，是目前世界領先的活動壩技術，該技術攻克了傳統活動壩型的缺點，并兼有傳統壩型的優點，適應性強。目前，液壓升降壩技術已在城市河道景觀、農業灌溉、漁業、船閘、山區河道治理等工程中得到了應用，并發揮了巨大的作用，其社會經濟效益和生態效益顯著。建議在現代水利活動壩工程建設中優先考慮采用液壓升降壩［8］。

［1］陳東清.不同擋水建筑物方案的應用比選［J］.水利規劃與設計，2014，(1):56-59.

［2］高本虎.國內外橡膠壩發展概況和展望［J］.水利水電技術，2002，33(10):5-8.

［3］Steelhead Emigration in a Seasonal Impoundment Created by an Inflatable Rubber Dam［J］.Fishes Management，2005，(25):1239-1255.

［4］湖南省水利水電勘測設計研究總院.擋水建筑物分冊:橡膠壩與翻板壩［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［5］陳業銀，任華春，朱水生.液壓升降壩工作原理及結構性態分析［J］.水電能源科學，2012，30(7):69-72.

［6］丁峰，劉月剛，邱象玉.液壓升降壩在城市河道中的選型設計［J］.水利規劃與設計，2015，(3):59-61.

［7］關紅俊.晉城市沁河河道蓄水工程液壓壩水工設計［J］.陜西水利科技，2015，(1):111-113.

［8］趙娜，唐德善，朱聰.基于風險評價模型的活動壩方案必選［J］.水電能源科學，2010，28(1):80-82.

TV644

:A

1006-0081(2015)12-0023-04

2015-10-11

饒和平，男，長江水利委員會網絡與信息中心副處長，教授級高級工程師.

朱水生，男，安徽池州百川液壓壩科技有限公司董事長，工程師.