城市河道液壓升降壩的選型設(shè)計(jì)

張立群

(朝陽縣凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 朝陽122004)

0 引 言

隨著人民群眾生活水平的不斷提高以及城市功能的發(fā)展和完善，城市河道整治工作對(duì)于景觀的要求也在不斷提升。就目前的實(shí)際情況來看，城市河道設(shè)計(jì)原則已經(jīng)在原有的保障城市水系防洪、供水標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加了與河道景觀完美結(jié)合的內(nèi)容，簡(jiǎn)單的講，就是在滿足河道基本水利功能的同時(shí)盡可能營(yíng)造河岸景觀、為城市增添生態(tài)自然的空間環(huán)境，進(jìn)而帶給居民以更好的視覺享受。

水工建筑物常用的閘門型式主要有人字閘門、弧形鋼閘門以及直升式平面鋼閘門，這幾種閘門型式雖然在功能和性能方面已經(jīng)得到了反復(fù)驗(yàn)證，但是應(yīng)用于有景觀要求的城市河道則顯得不盡如人意:

1)人字閘門:在寬度較大的航運(yùn)河道，此類閘門的適用性非常顯著，但靜水啟閉的運(yùn)行要求卻對(duì)其適用范圍產(chǎn)生了較大限制。

2)弧形鋼閘門:具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、水流條件好、啟閉力小的優(yōu)勢(shì)，但在河道寬度較大的情況下，必須同時(shí)設(shè)置多孔弧形鋼閘門，河道過流斷面會(huì)因閘墩的存在而縮小，進(jìn)而對(duì)閘門泄流能力產(chǎn)生負(fù)面影響。

3)直升式平面鋼閘門具有安裝簡(jiǎn)單、管理方便的特點(diǎn)，但設(shè)于孔口上部的啟閉系統(tǒng)與土建結(jié)構(gòu)在視覺方面不夠通透，影響景觀效果。

液壓升降壩是一種全新閘型，與傳統(tǒng)擋水型閘壩相比擁有更好的泄水效果、更為合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)，同時(shí)還具有不易出現(xiàn)泥沙淤積、較少受漂浮物影響的特點(diǎn)。

本次研究在簡(jiǎn)單介紹液壓升降壩工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行了分析，隨后結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)液壓升降壩選型設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論，以期為今后同類工程設(shè)計(jì)工作的有效開展提供思路上的參考以及方法上的借鑒。

1 液壓升降壩的工作原理

液壓升降壩是一種新型活動(dòng)壩，以支墩壩的水工結(jié)構(gòu)型式為基礎(chǔ)，將機(jī)械力學(xué)以及液壓系統(tǒng)控制原理整合其中，同時(shí)具有泄水和擋水功能。其液壓系統(tǒng)主要由以下4 個(gè)部分組成:

1)動(dòng)力裝置:即液壓泵，可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能。

2)控制調(diào)節(jié)裝置:即液壓控制閥組，包括溢流閥、節(jié)流閥、換向閥等部件，可對(duì)液壓油的流量、方向和壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3)執(zhí)行元件:即液壓缸，可將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能［1］。

4)輔助裝置:該部分包括的部件較多，如油管、濾油器、油箱等。其中，油管及相應(yīng)的接頭部件用于構(gòu)建液壓回路;濾油器可過濾液壓油中的各類雜質(zhì)，使液壓油的清潔度得到有效保持，在避免發(fā)生閥組堵塞問題的同時(shí)，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及各部件使用壽命的延長(zhǎng)提供保障。

在液壓系統(tǒng)的控制下，液壓缸內(nèi)的活塞沿內(nèi)壁(即軸向)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)液壓桿及壩體做直線運(yùn)動(dòng)，從而使孔口啟閉的要求得到滿足。需要說明的一點(diǎn)是，為滿足局部開啟狀態(tài)下的過流要求，絕大部分液壓升降壩都在液壓系統(tǒng)中設(shè)置了液壓鎖定裝置。

2 液壓升降壩的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 液壓升降壩的結(jié)構(gòu)

弧形壩面、液壓與支撐桿、液壓泵站、液壓缸以及油路系統(tǒng)是液壓升降壩結(jié)構(gòu)的主要組成部分，其中，弧形壩面采用鋼筋混凝土材料，厚度、半徑等關(guān)鍵參數(shù)需結(jié)合壩前擋水水頭的實(shí)際情況加以確認(rèn)。多扇壩板共同構(gòu)成壩面，為確保壩體的止水效果，各壩板間設(shè)置止水橡皮而非阻水建筑物(如閘墩)。一般來說，單扇壩板的寬度為6 m(若有需要可酌情修正)，壩高1.5 ～6 m。

液壓升降壩的底部通過鉸鏈軸固定于壩基之上，壩面支撐由鉸鏈承力桿負(fù)責(zé)，液壓桿設(shè)置于壩面后，通過其伸縮動(dòng)作來帶動(dòng)壩面的扇形上下升降運(yùn)動(dòng)。為控制壩體升降，支撐桿、液壓缸均設(shè)有解鎖裝置。通過設(shè)置浮標(biāo)開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)坍壩功能。值得一提的是，目前絕大部分液壓升降壩都具備以遠(yuǎn)程操作方式控制液壓系統(tǒng)的功能。

2.2 液壓升降壩的特點(diǎn)

結(jié)合壩體構(gòu)造，我們可以將液壓升降壩的特點(diǎn)概括為以下6 個(gè)方面:

1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跨度較大、支撐可靠、施工簡(jiǎn)易。2)液壓系統(tǒng)可自動(dòng)完成液壓升降壩的啟閉操作，運(yùn)行管理的自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度較低。

3)在倒伏狀態(tài)下，液壓升降壩幾乎完全貼近河床，具有優(yōu)越的水力條件。除滿足泄洪要求外，還可讓泥沙、漂浮物等更為順利的進(jìn)入下游。在設(shè)計(jì)水頭范圍內(nèi)，壩面可在液壓系統(tǒng)的控制下停留在任意位置，這種靈活性為滿足下泄流量以及上游蓄水水位的要求提供了有力保障［2］。

4)蓄水后，活動(dòng)壩面門前可形成平靜、寬闊的睡眠，門頂溢流可作為小型瀑布景觀，景觀效果顯著。

5)鋼筋混凝土材料的應(yīng)用使活動(dòng)壩面的強(qiáng)度得到有效保障，在日常運(yùn)行和管理工作中，工作人員需要注意的關(guān)鍵問題僅有保障液壓缸的密封和防腐性能。

6)與傳統(tǒng)閘門相比，液壓升降壩的混凝土工程量小，且無閘墩和金屬結(jié)構(gòu)埋件，不僅工期較短，而且可大幅減少建設(shè)成本。

3 液壓升降壩選型設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

某城市河道過水?dāng)嗝妾M小，受建設(shè)年代較早的影響，防洪標(biāo)準(zhǔn)無法滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，即便是在這種情況下，部分河段因長(zhǎng)期運(yùn)行，其現(xiàn)有的防洪能力僅有最初設(shè)計(jì)20 ～30%的水平，并且河道構(gòu)筑物內(nèi)阻水、壅水的問題比較嚴(yán)重，一旦遭遇較大規(guī)模的洪水沖擊，勢(shì)必會(huì)對(duì)兩岸居民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。

本次工程的主要任務(wù)是對(duì)河道進(jìn)行疏挖整治，使河道排水行洪能力與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及城市發(fā)展的要求相適應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，改善河道的水環(huán)境，以此帶來良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。結(jié)合業(yè)主單位的要求以及河道現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)人員提出在樁號(hào)1+400、1+850、2+422 三處位置分別新建1 座節(jié)制閘。汛期到來時(shí)，節(jié)制閘開啟，為行洪安全提供保障;在非汛期，節(jié)制閘關(guān)閉，形成水面景觀。

3.2 閘型對(duì)比與選擇

在前文的敘述中我們提到，本次工程需同時(shí)滿足行洪以及景觀要求，為此，以2+422 處的節(jié)制閘24×2.2m(寬×高)為例，對(duì)閘型進(jìn)行對(duì)比和選擇。在現(xiàn)階段的城市河道整治設(shè)計(jì)中，水力自控翻板閘、氣動(dòng)盾形閘、鋼壩閘是應(yīng)用較為廣泛的幾種景觀閘型，下面對(duì)其進(jìn)行逐一介紹。

3.2.1 水力自控翻板閘

門葉、連桿、支腿是水利自控翻板閘的主要組成部分，在上游水位調(diào)節(jié)時(shí)，閘門的啟閉由重力和水壓力的合力及相應(yīng)力矩變化共同完成;在泄流時(shí)，門葉上游同時(shí)出流。值得一提的是，部分工程采用了為水力自控翻板閘增配液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的做法，以此實(shí)現(xiàn)水力與液壓的雙重控制功能。

3.2.2 氣動(dòng)盾形閘

熱浸鍍鋅高強(qiáng)度鋼板、聚酯纖維強(qiáng)化橡膠氣袋是氣動(dòng)盾形閘的主要組成部分，二者均固定于閘底板基礎(chǔ)混凝土上。其中，橡膠氣袋設(shè)置于熱浸鍍鋅高強(qiáng)度鋼板的下游，為避免閘門板向上游倒伏，其后設(shè)有抑制帶。

氣動(dòng)盾形閘的啟閉通過壓縮空氣完成，可以滿足動(dòng)水啟閉的要求，同時(shí)滿足門板分區(qū)倒伏過水和閘門局部開啟的要求。

3.2.3 鋼壩閘

液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備、門葉、底軸和拐臂結(jié)構(gòu)是鋼壩閘的主要組成部分，其中，拐臂的任務(wù)是連接閘門底軸和液壓缸，并將后者的機(jī)械能傳遞給前者，以此控制閘門啟閉。

由于允許門頂溢流，因此鋼壩閘在立壩蓄水的狀態(tài)下，可形成小型的瀑布景觀;在局部開啟的狀態(tài)下，可對(duì)上下游水位進(jìn)行調(diào)節(jié);在完全倒伏的狀態(tài)下，閘門高程與下游閘底板相同，可使阻水問題得到徹底的消除。

表1 對(duì)各類景觀閘型的成本、壽命、泄洪與景觀效果等進(jìn)行了列舉，以便更加清晰的進(jìn)行比對(duì)和選擇。

表1 四種景觀閘型的對(duì)比

由表1 可以清晰的看出，四種景觀閘型均有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。在景觀效果、泄洪效果、自動(dòng)化水平3 個(gè)方面，液壓升降壩、氣動(dòng)盾形閘、鋼壩閘的優(yōu)勢(shì)都比較突出，而在使用壽命方面，液壓升降壩則明顯優(yōu)于另外兩種壩型，為進(jìn)一步提高項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)人員最終選擇了液壓升降壩。

3.3 液壓升降壩布置

在樁號(hào)2+422 處的河道斷面為矩形，河底高程、寬度分別為117.5 m、24 m，堤頂高程121.04 m，工程布置依次為上游連接段、鋪蓋段、閘室段、消力池段、下游連接段。其中，上游鋪蓋段為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板高程、長(zhǎng)度、厚度依次為117.54 m、10 m、400 mm。閘室底板采用二層臺(tái)階，為單孔分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘孔長(zhǎng)度、寬度分別為5 m、24 m。其中，上層臺(tái)階高程117.54 m，與鋪蓋段相連;下層臺(tái)階高程116.24 m，與消力池段相連。

液壓升降壩安裝在上層臺(tái)階，因此上層臺(tái)階需要為壩體鉸支座預(yù)留二期混凝土孔口尺寸;下層臺(tái)階需要為液壓缸預(yù)留二期混凝土安裝尺寸;上、下兩層臺(tái)階的銜接處需要為支撐桿預(yù)留二期混凝土尺寸。在澆筑過程中，以上部位均應(yīng)保證一期混凝土預(yù)留鋼筋、預(yù)埋件鋼筋的牢固連接。邊墻、底板均應(yīng)為液壓管路槽預(yù)留相應(yīng)尺寸，前者預(yù)留的管路槽上需鋪蓋混凝土蓋板，后者需鋪蓋鋼板蓋板。

液壓升降壩的壩板共計(jì)4 扇，其間設(shè)有橡皮止水。單扇閘門重約4 500 kg，其后設(shè)置液壓缸2 支，液壓泵房設(shè)置在左岸稍遠(yuǎn)處。下游消力池段長(zhǎng)10 m、底板厚600 mm，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為避免啟閉操作造成門后負(fù)壓以及局部開啟時(shí)門頂溢流，壩后兩側(cè)邊墻設(shè)置了具有補(bǔ)氣效果的通氣孔，以便使壩體振動(dòng)得到減輕。

4 結(jié) 語

結(jié)合本次工程設(shè)計(jì)實(shí)例得出以下結(jié)論:①液壓升降壩擁有良好的景觀及泄洪功能，行洪不阻水;②液壓升降壩施工簡(jiǎn)易，可大幅減少項(xiàng)目成本;③在城市景觀河道閘型選擇與設(shè)計(jì)中，液壓升降壩可作為首選型式，但也應(yīng)注意結(jié)合工程的實(shí)際情況。

［1］尚加濤，馮銀安.液壓升降壩在鄭州市金水河河道綜合整治中的應(yīng)用［J］.四川建材，2015(03):96－96.

［2］王大勝，惠榮奎.液壓升降壩在水運(yùn)工程中的應(yīng)用［J］.中國(guó)水運(yùn)，2014(09):329－330.