氣動盾形閘門系統在山區河流城市景觀水利工程中的適用性分析

【摘要】景觀壩（閘）有多種型式可供設計比選，本文列出氣動盾形閘門系統與常見的幾種壩（閘）型的對比情況，根據對比情況，氣動盾形閘門系統有較大的優勢，尤其能更好的適應山區水文泥沙特性，在山區城市景觀水利工程建設中的應用效果顯著。

【關鍵詞】城市景觀水利工程；山區河流；氣動盾形閘門系統；水力自控翻板閘門；液壓翻板閘門；液壓鋼壩；橡膠壩；液壓升降壩

1、山區河流水文泥沙特性

山區河流水文泥沙特性復雜，不同地域的河流其特性不盡相同，且差異較大，但其基本特性及表現型式類似，大致歸納總結以下幾個方面的基本特性：

（1）匯流特性：山區型流域，相對于平原型流域而言，山地溝系發育，地面陡峻、比降大，雨水能迅速向溝壑、水溪匯集，匯流速度快，流域對降雨的調蓄作用弱，匯流時間短，受降雨過程和暴雨空間分布的影響靈敏，洪水流量過程線呈陡漲陡落趨勢，變化劇烈、迅速，且多呈現復峰過程，即使是孤立洪水過程，其洪峰端也常呈現雙峰或多峰型，起漲流量與地面徑流終止時的流量變化不大。

（2）水沙特點和沖淤特性：山區河流的泥沙輸移特性及泥沙組成等與平原河流不同。

（3）水流和暴雨特性：山區河流多呈現季節性水流，在旱季或無雨期，河槽中水流細小甚至干涸無水；在雨季或汛期的暴雨易形成大洪水及災害性洪水。

2、山區城市河流建設功能要求

閘（壩）在山區城市河流中的建設，需要在不影響河流自身行洪規模的前提下，攔河蓄水、提升枯水期景觀水位、改善城市水環境，帶動兩岸濱河景觀的建設。受河流水文特性和洪水特性的影響，決定其必須具有的功能特點為：足夠的孔口規模在汛期宣泄洪水；能結合水情預報和管理調度進行靈活的啟閉運行；盡量不雍高汛期上游洪水水位，以免造成上游的防洪壓力；擋水泄水結構要求使用壽命長、結構可靠、抗沖擊、耐磨蝕。同時，山區河床往往相對狹窄，特別在城市中兩岸布置空間有限，應盡量減小建筑物體量和少占河道，減少占地和開挖范圍，平面布局緊湊合理，主體泄水建筑物應布置于河流的主流河槽，宜與水流方向正交布置，盡量減少對原河道的改變和過流影響，以免泄流對下游兩岸的沖刷。

3、閘（壩）型式對比

對于山區河流來說，承泄洪水流量大，防洪水位高，為避免閘（壩）上游壅水而引起的水面線抬高，傳統的砌石、混凝土等固定溢流壩型顯然不適合在城市景觀河流中建設。而對于傳統的水閘而言，由于流量大、河道寬，需要設置閘門的跨度很大，常規閘門已很難滿足這樣的條件，無論是直升式、臥倒式、橫拉式平板閘門或者弧形閘門，大部分門型單孔寬度都受到限制，閘墩數量設置較多，閘墩的阻水作用會直接造成壩上壅水，推高水面線，給兩岸的防洪造成較大的壓力，且為滿足高位洪水過境，大部分閘上結構高度相對較高。同時還必須設置工作橋、維修廊道和啟閉機等輔助設備，增加了工程的投資。因此，此類活動壩型式宜采用開敞式大跨度閘門或者可靈活開啟的活動壩型。

針對山丘地區河流的水文泥沙特性，氣動盾形閘門系統與水力自控翻板閘門、液壓翻板閘門、液壓鋼壩（底軸驅動翻轉閘門）、橡膠壩、液壓升降壩五種壩型進行技術比較。

3.1 氣動盾形閘門與水力自控翻板閘門的比較

（1）氣動盾形閘門無中間閘墩連接，水的流態較好，水力自控翻板閘門后設置有支承墩，有時為保護支承部件，翻板閘門前還設置有閘前防護墩，易卡塞和阻水，水流態較差；

（2）氣動盾形閘門無需河道整理，不會造成河道淤積，不會被漂浮物、淤泥等卡阻，水力自控翻板閘易受淤沙或者漂浮物的影響而不能正常啟閉；

（3）氣動盾形閘門密封性好，不易漏水；

（4）氣動盾形閘門自身不阻水，完全倒伏、高效泄水，水力自控翻板閘門中間形成一道很厚的阻水面，影響泄洪斷面，受洪水沖擊；

（5）氣動盾形閘門起伏狀態可控，不會因無預知的倒伏而造成下游危險；水力自控翻板閘門由于其工作原理是利用水壓與自重平衡的作用，使門體自動打開，不受人為控制，加上各種運行時的阻卡不同，很難把控合宜的開門時間，閘門開門泄洪時往往會對下游造成突然性的洪峰，造成一定程度的破壞；

（6）氣動盾形閘門無“拍打”現象，不會導致閘門壩坎結構毀壞；水力自控制翻板閘門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，易導致閘門門坎等結構的損壞，甚至使閘門、基礎全部破壞；

（7）氣動盾形閘門理論高度可達到10m，目前已實施并良好運行的工程實例已達到8m，跨度不受限制；水力自控翻板閘門理論高度不超過7m，需要設置中間支撐墩及門前防護墩，單扇閘門最大跨度一般不超過12m。

3.2 氣動盾形閘門與液壓翻板閘門的比較

（1）氣動盾形閘門以干凈空氣為動力介質，不存在液壓桿潤滑油污染；且氣袋材料為食品級，對作為飲用水的河道是安全的；

（2）氣動盾形閘門不存在液壓驅動的卡死點；

（3）氣動盾形閘門即使在斷電時仍能手動控制安全泄洪，不會造成安全事故；

（4）氣動盾形閘門土建結構比較簡單，無液壓啟閉設備所需的土建支承結構；

（5）氣動部件避免了液壓件的內泄漏和外泄漏問題，內泄漏會造成油缸動作緩慢甚至不動作，外泄漏會造成環境的污染；

（6）氣動盾形閘門在河道較寬時，無需設置中間閘墩和維護廊道；

（7）氣動盾形閘門理論高度可達到10m，目前已實施并良好運行的工程實例已達到8m，跨度不受限制；液壓翻板閘門理論高度不超過7m，需要設置中間支承墩及防護墩，單扇閘門最大跨度一般不超過12m。

3.3 氣動盾形閘門與液壓鋼壩（底軸驅動翻轉閘門）的比較

（1）氣動盾形閘門埋件將總水壓力均勻分布到土建基礎上，安全性比較好；

（2）氣動盾形閘門土建結構工程量小且結構相對簡單；

（3）氣動盾形閘門門體由氣囊全截面支承，可減少閘門扭曲變形；

（4）基礎的不均勻沉降對氣動盾形閘門的正常運行影響較小，沒有底板不均勻沉降引起的底橫軸變形變位等問題，避免了因閘門卡阻而造成啟閉困難；

（5）氣動盾形閘門不需要液壓啟閉設備，無機械用油，減少污染；

（6）氣動盾形閘門在河道較寬時，無需中間閘墩和維護廊道；

（7）氣動部件避免了液壓件的內泄漏和外泄漏的問題，內泄漏會造成油缸動作緩慢甚至不動作，外泄漏會造成環境的污染；

（8）氣動盾形閘門理論高度可達到10m，目前已實施并良好運行的工程實例已達到8m，跨度不受限制；液壓鋼壩（底軸驅動翻轉閘門）理論高度不超過7m，上、下游水位差不超過5，最大單扇閘門寬度不超過60m，超過60m后需要設置中墩支承墩。

3.4 氣動盾形閘門與橡膠壩的比較

（1）氣動盾形閘門理論壽命可達50年，可保證使用壽命30年，橡膠壩一般10-15年需要更換壩袋，使用壽命低，氣動盾形閘門壽命遠高于橡膠壩壽命；

（2）氣動盾形閘門在閘門動作時，僅有在閘門板下游邊緣會造成水流分離，因此不會發生卡門漩渦而引起的振動；

（3）氣動盾形閘門鋼面板與氣囊材質不同，可有效減少共振；橡膠壩受水流泥沙沖刷易引起壩體振動；

（4）氣動盾形閘門充放氣時間短，一般10-30分鐘，可根據運行使用要求進行時間設定；橡膠壩運行時充水升壩或放水塌壩時間較長，一般所需時間為2-3小時，影響快速泄洪或截流；

（5）氣動盾形閘門安全性高；橡膠壩壩袋磨損快、易受漂浮物或機械刺傷；

（6）氣動盾形閘門后期運行、維護費用較低，可靠性更高；橡膠壩使用壽命短，易老化，強度損失嚴重，后期運行、維護費用較高，可靠性較低；

（7）氣動盾形閘門水位控制性能較好，穩定而無危險；

（8）氣動盾形閘門理論高度可達到10m，目前已實施并良好運行的工程實例已達到8m，跨度不受限制；橡膠壩理論高度不超過5m，單跨最大跨度一般不超過100m。

3.5 氣動盾形閘門與液壓升降壩的比較

（1）氣動盾形閘門以干凈空氣為動力介質，不存在機械元件的潤滑油污染；且氣袋材料為食品級，對作為飲用水的河流是安全的；

（2）氣動盾形閘門不存在液壓及機械驅動的卡死點；

（3）氣動盾形閘門即使在斷電時仍能手動控制安全泄洪，不存在斷電不能開門泄洪的情況，不會造成安全事故；

（4）氣動盾形閘門土建結構比較簡單，無液壓及支承桿所需要的土建結構；

（5）氣動部件避免了液壓缸等液壓部件的內漏和外漏問題，內漏造成油缸動作緩慢或不動作，外漏造成環境污染；

（6）氣動盾形閘門理論高度可達到10m，目前已實施并良好運行的工程實例已達到8m，跨度不受限制；液壓升降壩理論高度不超過5m，由于受液壓系統壓力及液壓泵站布置的影響等跨度一般不超過100m為宜。

4、壩型對比結論

通過對氣動盾形閘門系統與水力自控翻板閘門、液壓翻板閘門、液壓鋼壩（底軸驅動翻轉閘門）、橡膠壩、液壓升降壩等壩型進行的綜合技術分析比較可知，橡膠壩和水力自控翻板閘（壩）雖然造價相對較低，但對山區河流而言，橡膠壩易受尖銳物刺傷，壩袋維修工作量大且影響正常蓄水、行洪，水力自控翻板閘（壩）易受水流拍打振動失穩，水流夾雜物易撞擊閘門或造成閘門卡阻，達不到啟閉自如的預期效果，且與同規模氣動盾形閘門對比泄流量偏小。液壓鋼壩（底軸驅動翻轉閘門）缺點是土建結構的施工精度要求高，重載驅動軸的支承和連接、制造和安裝工藝要求高，劣質水環境下的軸承材料和軸承結構的制造加工技術要求高，對大跨度底軸驅動閘門啟閉系統及其控制要求嚴格，底軸及側向止水制造、安裝要求高。氣動盾形閘門系統與液壓翻板閘門的比較除了水力自控翻板閘門的對比情況外，還有以干凈空氣為動力介質，不存在液壓桿潤滑油、液壓啟閉機液壓油等的污染，對作為飲用水的河道是安全的，不存在液壓驅動的卡死點，即使在斷電時仍能手動控制安全泄洪，不會造成安全事故等優點。

從技術分析來看，氣動盾形閘門作為城市景觀水利中的一種新型水閘，雖然其工程初期投資相對于其他活動閘壩較高，但其具有跨度大、閘門擋水高度高、啟閉靈活、結構可靠、抗沖刷、耐磨損、建筑造型美觀、人工景觀效果好、排冰、排冰效果好等一些獨特的優勢，能更好的適應山區的水文泥沙特性，在山區城市景觀水利工程建設中的應用效果良好。

作者簡介：李云峰（1977—），男（漢族），貴州貴陽人，高級工程師，主要從事水工金屬結構設計及咨詢工作

項目基金：貴州省水利科技項目：《氣盾壩技術應用研究》科研課題，項目編號KT201301。