合頁活動壩在北方景觀生態河流建設中的應用

趙月芬，王 湛，耿曄晗，吳海濤，李凱旋

(1.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048；2.敦化市水利局，吉林 延吉 133700)

1 工程背景及概況

1.1 工程背景

敦化市牡丹江水利景觀攔河壩工程位于牡丹江干流上游，依據2007年《牡丹江梯級開發總體規劃》及2014年《延邊州水生態文明城市試點建設方案》，擬在05橋上游100m至敖東工業園段河道之間建設六鼎山、雙勝及敖東三座活動攔河壩，使之與原有1#、2#攔河壩結合，形成5個連續景觀湖面，美化城市風景，項目區位如圖1所示。作為水生態文明試點城市示范項目，工程要求貫徹水安全、水環境、水景觀、水文化、水經濟、水管理六水合一的現代化生態水利設計理念[1]，工程建成應為集蓄水、景觀、生態、休閑娛樂等為一體的水生態文明城市精品工程。

圖1 敦化市牡丹江水利景觀攔河壩區位圖

1.2 工程概況

本流域屬北溫帶大陸性季風氣候區，寒暑溫差懸殊，冰期長(11月中旬—翌年3月下旬)，極端低溫-38.3℃(1970年1月4日)。多年平均降水量為633.2mm，降水量年內分配不均勻，降水主要集中在6—9月，占全年降水量的73.6%。多年平均蒸發量為1223.8mm。多年平均風速為3.10m/s，歷年最大平均風速為16.8m/s，歷年汛期(7、8、9月)最大平均風速為11.4m/s。20年一遇洪峰流量1060m3/s，50年一遇洪峰流量1480m3/s。壩址區域構造屬于基本穩定區，3座攔河壩均處于同一地貌單元，地層結構基本一致。水庫區淤積、塌岸問題不大，但存在一定的浸沒、滲漏問題。

根據GB 50201—2014《防洪標準》[2]、SL 252—2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》[3]和GB 50286—2013《堤防工程設計規范》[4]的規定，牡丹江水利景觀攔河壩工程為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級，相應的洪水標準，即正常運行期為20年一遇，非常運行期為50年一遇，臨時工程洪水標準為非汛期洪水5年一遇。本工程包括景觀攔河壩、控制房、海漫、護岸、魚道等建筑物，長度分別為188m、212m和56m，高度均為2m。

2 閘型適用性分析

依據敦化市水生態文明建設總體要求和目標，在注重增加市區水域面積的同時，充分考慮維護河道自然屬性，綜合考慮國內外目前較為成熟應用的四類活動壩型，包括合頁活動壩、鋼壩閘、液壓升降壩和氣盾閘，四類閘型如圖2所示。四類閘型經過合理設計基本能滿足本工程要求，但各類壩體在本工程中的性能表現各有特點[5- 6]。本文結合河道特點、工程建設目標等，就不同閘型在行洪安全、景觀、冬季運行等技術特點、運行維護及投資等因素進行綜合考慮分析，優選出適合本工程的壩型[7- 8]，也為同類項目設計拓寬思路。

圖2 活動攔河壩工程照片展示

2.1 行洪安全

整治河段位于城區，河道寬度基本已限定，為不影響原有河道行洪安全，所選壩型不宜減少原有河道斷面。所選四類閘型在洪汛期全部放倒，緊貼河床，閘體結構不影響河道行洪。但對于鋼壩閘，河道中至少增設3個寬約3m的中繼啟閉機房，對河道行洪安全及水流形態有一定影響，且中繼啟閉機房的運行管理較其它閘型明顯復雜，設計時應予以考慮。其它3類壩型均可不設中墩，也無中繼啟閉機房。

由于城市河道行洪關系到城市居民生命財產安全，因此洪汛期攔河壩的安全快速放壩首選必備功能。液壓升降壩采用主缸支撐與輔缸配合固定桿鎖定的兩套聯動液壓系統控制模式。在降壩程序較為繁瑣耗時，須先采用主缸回頂，卸去固定支撐桿對卡槽壓力，再利用卡槽底部輔液壓缸回頂托起固定支撐桿，再縮回主缸，帶動固定支撐桿滑出卡槽，進行降壩動作[9]。本工程受壩頂過流、下游洄水水位較高、冰凍等因素限制，該降壩操作過程耗時長，解鎖可靠性較受限制。汛前提前解鎖可以解決本問題，但本河道面臨春汛、秋汛及大汛，存在較為頻繁的降壩操作需求，運行管理相對繁瑣。

合頁活動壩和氣盾壩結合其結構特點，優化了液壓或充排系統設計，具備無動力降壩及一鍵降壩功能[10]，行洪安全得到有效保障，且日常管理非常方便。無動力降壩功能，即使在面臨超標洪水且現場無動力源條件下，手動操作液壓/排氣系統中關鍵部件，可實現全部壩扇同時倒伏，且降幅降速可調。若電力有保證，并配套遠程控制系統，可輕松實現一鍵降壩。此項特點除了適用于本工程外，在洪水漲落快速的城市河道、偏遠的缺電山區也尤為適用。

2.2 結冰期蓄水

依據GBT 50662—2011《水工建筑物抗冰凍設計規范》[11]，冰凍期擋水而不開啟的表孔閘門，應與閘門前冰蓋之間保持不結冰的水域或水縫，即閘門不應承受靜冰壓力。而本項目活動攔水壩要求冬季蓄水，穩定封凍期長約131d，多年平均河心及岸邊冰厚均為0.8m。規范中冰厚按0.8m計，冰層升溫膨脹時水平向靜冰壓力達215kN/m，四類閘型共同特點是面板繞底軸轉動，單位寬度因靜冰壓力導致面板繞軸彎矩增大引起門體撓度及應力大為增加。四種閘門冬季蓄水若不進行壩前壩后除冰的蓄水方式，存在以下問題：①鋼壩閘由于采用整體式面板結構，冰壓力導致鋼壩閘底軸撓度大為增加，故冬季蓄水須解除壩面鎖定，一定程度可緩解靜冰壓力對面板結構造成的破壞；②液壓升降壩主油缸較為細長，下游結冰易至油缸及固定支撐桿折彎，位于坑槽內的油缸易受冰凍影響而無法動作，凌汛期存在越壩冰凌直接沖撞油缸的問題；③氣盾壩為鋼板與橡膠的結合，可充分利用氣囊的柔性來緩解冰壓力，但翻壩冰凌及冰凍破壞氣囊的威脅依然存在；④合頁活動壩結構上采用粗短油缸支撐，底板結構采用低矮臺階式結構，緩解了冰凍對油缸動作的影響；液控系統設置冬季運行專用油路，通過溢流閥與電氣控制的聯動，實現超壓釋壓、面板定期輕微回頂進行壩前破冰，破除靜冰壓力對閘體結構的破壞作用[12]。但冰期蓄水易導致合頁壩及液壓升降壩止水結構局部破壞或錯位而在閘扇之間出現漏水掛冰現象。故冰期無除冰蓄水推薦采用鋼壩閘(解除鎖定狀態運行)及合頁活動壩。

2.3 景觀改造

為滿足工程水生態城市建設目標，要求所選壩型在壩體造型、水景瀑布上有獨特之處，且與其它水利景觀元素可以有機結合。合頁活動壩、鋼壩閘、氣盾閘因其面板材料為鋼質，在面板造型及瀑布造型上定制設計的空間較大，經合理設計均能滿足本工程的水利景觀需求。液壓升降壩因其面板多為鋼筋混凝土薄壁板材，其面板應調整為鋼質板材，提高耐凍融能力，且便于塑型造景。

2.4 排漂浮物及排沙

工程位于牡丹江干流上游，森林覆蓋率達87%，洪汛期漂浮物較多。本工程洪汛期壩體倒伏，漂浮物對鋼壩閘的中繼啟閉機房的沖撞影響，設計應考慮優化迎水面墩體形態，減緩漂浮物的影響。對于一般漂浮物，合頁活動壩及液壓升降壩均可分扇操作，局部放水即可進行漂浮物排放，而合頁壩支撐結構位于水體跌落區外，對支撐結構保護更為有利。依敦化水文站有泥沙觀測資料，測算年輸沙量為14.2萬t/a，汛后庫區淤積問題不大，不作為壩型選擇關鍵因素。

2.5 投資

鋼壩閘需在河道中配置中繼啟閉機房，有條件地配置檢修廊道，土建工程量較大，且底板結構較為復雜；其金結機電設備投資也較其它閘型較高。氣盾閘土建工程較為簡單，投資較省，但其設備進口造價最高(設備全部國產化，投資大幅降低)。從投資角度來看，鋼壩閘及氣盾閘總投資均超出預算較多，合頁活動壩及液壓升降壩投資相對較低。4種水利景觀攔河壩的工程估算對比詳見表1。

表1 敦化市牡丹江水利景觀攔河壩工程估算表 單位：萬元

綜上，針對牡丹江河道的特性，合頁壩與氣盾壩在行洪安全方面表現更為優越；結冰期蓄水方面，鋼壩閘及合頁壩較有優勢；景觀化閘型改造方面，鋼壩閘、合頁壩、氣盾壩有較大空間；排漂排沙性能合頁活動壩獨占鰲頭；合頁壩和液壓升降壩節省投資，更有優勢。綜合比對上述關鍵因素，優選本工程壩型為景觀型合頁活動壩。

3 合頁活動壩工程設計

3.1 工程設計總體思路

依據2015年《敦化市生態市建設規劃》和《敦化市水生態文明建設規劃》，牡丹江梯級景觀攔河壩工程作為水生態文明城市建設的重點項目，要求在注重增加市區水域面積的同時，充分考慮維護河道自然屬性，提升河道的親水性，展示敦化原水態文明和現代文明成果，使工程建成后成為集蓄水、景觀、生態、休閑娛樂等為一體的水生態精品工程。總體壩型采用合頁活動壩、水車、魚道、抽象建筑等有機結合，該壩型組合在國內外尚屬首創。設計創新點提煉如下，以供設計人員拓寬思路。

(1)在合頁壩堰頂設置挑水擾流裝置，在防止共振增加安全性能的同時，根據來量大小產生近瀑遠噴的水層次之美。兩岸設觀景平臺，增加水閘水景的親水性。冬季蓄冰成湖，形成冰場雪場，開發當地冬季旅游資源項目，提升冬季城市活躍度。

(2)在壩中設置兩道寬0.8m，高0.6m的魚類洄游通道，體現關愛自然、和諧共生之美。

(3)在兩道魚道之上各安裝一個直徑6m的水車，利用自然水流，使水車轉動，體現敦化原始水生態之美。

(4)六鼎山水利景觀攔河壩，因零五橋與河道斜向相交，而攔河壩原則上又需與河道垂直，故采用三曲壩型，使局部與河道垂直，整體與零五橋平行，體現幾何曲線之美。

(5)機電控制房采用鋼結構，造型為抽象的船、浪花、貝殼、蝌蚪等，象征敦化經濟社會和諧發展，乘船運航。

3.2 土建設計

景觀攔河壩總長應與河道寬度相適應，過洪斷面滿足河道設計行洪要求。本工程綜合考慮上述要求結合壩址地形條件，除六鼎山采用三曲壩型布置外，平面布置圖如圖3所示，縱剖面圖如圖4所示，其它均采用一字型形式。合壩活動壩設計內容和結構基本類似，本文以六鼎山合頁壩來說明合頁活動壩的設計參數及設計要點，敖東及雙勝攔河壩布置形式與結構基本類似，不再贅述。

六鼎山攔河壩從右岸到左岸依次布置為右岸擋土墻及觀景平臺段、攔河壩段、左岸擋土墻及觀景平臺段。攔河壩全長188m，由兩個中墩、三跨組

圖3 六鼎山景觀攔河壩平面布置圖

成，設計蓄水高度為2m。攔河壩兩邊跨長56m，中間跨長72m，每個中墩寬2m。底板選用開敞式無坎寬頂堰，堰頂高程為496.0m，順水流向6m。壩底板基礎至于巖基上，壩基礎前后設寬0.5m，深0.5m的齒槽。中墩為獨立式鋼筋混凝土結構，長6.0m，寬2.0m，中墩頂高程為498.2m，基礎深度與攔河壩相同。為達到美觀效果及生態保護要求，中墩內設魚道，上部設水車。經計算，本工程不需要修消力池，但為保證安全，于壩后設置6.0m長，0.5m厚的鉛絲石籠海漫。

3.3 金屬結構設計

六鼎山景觀攔河壩總凈寬188m，共分3跨，兩側跨各設置7扇，中間跨設置9扇合頁活動壩。合頁活動壩主要承擔調節河道水位等任務，調度運行要求閘門動水啟閉，可控制運行。單扇寬度每孔尺寸為2.00m×8.00m，設計擋水高度2.00m，設計最大溢流高度0.30m。閘門材質為Q345C，前板厚16mm，無背板。門體采用多縱梁框架結構，支鉸軸承采用自潤滑圓柱軸承。壩體造型采用折線型面板，迎水側焊固弧形豎向肋板來造型和防沖撞，頂部配挑水擾流裝置，減緩背水側負壓，營造不同水景瀑布。閘門側止水及底止水均采用可調節P型橡膠(SI774)。門體啟閉范圍內側墻采用鋼質整體蒙板，確保門體任意開度蓄水均能全程止水。閘體埋件獨立定位，與底板同期澆筑，門體支座前側、油管溝、防震墩、側墻止水鋼板均為一期預留埋件二期澆筑定型。

圖4 六鼎山攔河壩縱剖面圖

3.4 液壓電氣設計

液壓系統包括液壓缸總成、液壓管道、液壓泵站總成等組成，主要技術特征見表2。每個面板由2支液壓缸支撐，選用500kN柱塞式液壓啟閉機作為合頁活動壩的啟閉設備。油缸活塞桿徑200mm，工作行程約570mm，額定工作壓力16MPa，最高工作壓力25MPa。啟閉油缸兩端分別與閘門和鉸支座采用銷軸連接。48支液壓缸共用1套液壓泵站，油泵電機設兩組，互為備用。液壓泵站電機功率及油泵排量按同時升降5個面板，即10支油缸來配置，電機額定功率30KW，油泵排量45l/min。配置兩臺獨立的液壓閥組架，閥件最大工作壓力31.5MPa。

液壓泵站及電控系統采用手動閥控制、PLC電動控制、電腦現地控制及中控室遠程操作四種可切換操作模式，可人為或程控調節閘門開度，基于螢石配置手機APP實時監視功能。

表2 液壓系統主要技術特征

4 合頁活動壩實施效果分析

4.1 景觀合頁壩技術集成度高，行洪安全可靠

工程實施后，梯級景觀攔水壩實現了任意開度蓄水、快速排沙排漂、洪峰期無動力動降壩泄洪、冰期無除冰蓄水、人工瀑布等先進功能，拓寬了水閘多重功用，簡化了水閘運行管理。配備遠程監控系統，具備實時監控、溢流監測、梯級洪水調度、異地升降操作等功能，提高了現代化水利管理水平。

以敖東合頁壩為例，開閘放水如圖5所示，7扇閘體逐扇降壩耗時僅為2.5min，無動情況下采用無動力降壩，全線降壩耗時僅為40s，表明該閘型對洪水漲落快速的山區河道和城市河道適用能力強，大大提升河道應急行洪的安全性。閘頂超高溢流能力強，以液壓缸最大工作壓力為25MPa來計，經測算，該工程理論最大壩頂溢流高達1.3m，應對洪水陡增對閘體帶來的安全風險大為降低。工程至建設以來對行洪渡汛、渡凌汛、過漂浮物及泥砂淤積均適用良好。

圖5 敖東合頁壩開閘放水

4.2 開創性解決結冰期蓄水/冰問題

冬季擋冰運行采用設計壩高2m、設計壩高1m、完全倒伏三種狀態運行，冰期蓄水未投入額外費用進行閘前鑿冰處理。經2a越冬運行觀測，三種狀態下閘體及液壓構件均可安全越冬，表明“敵來我退，冰來閘退”的合頁壩電液聯控技術成功為北方冰期蓄水河道提供了新的設計思路。采取設計壩高1m運行的河段，閘前形成明顯的寬約2～3m的冰層破碎帶，分析原因是閘體傾角較小，利于冰層在閘頂的爬行，形成明顯的冰塊破碎帶，降低閘前的冰脹壓力。對于合頁活動壩冰期無除冰蓄水有存疑或凌汛較大的河道管理單位，建議采用降低設計壩高的擋冰運行方案試運行以降低工程運行風險。

4.3 景觀環境及經濟效益明顯

梯級景觀攔河壩，創造性地將現代化水閘與水車、魚道、水景、抽象建筑等元素有機結合，形成了集蓄水/冰、景觀、生態、休閑娛樂等為一體的水生態精品工程。工程實施后，結合1#、2#攔河壩，牡丹江干流在市區段全部形成連續水面，形成較大面積的人工湖，可以美化環境，發展旅游事業，改善市區小氣候，提高地下水位，減少城市漏斗化。冬季還可形成遼闊冰場雪場，用于冬季冰上及雪上項目的開發，對敦化市冬季旅游事業的發展和經濟繁榮起到了促進作用。

工程經2a越冬運行驗證，表明該閘型運行安全可靠，冰期蓄水無需額外費用進行閘前鑿冰處理，大大節省了冰期運行的管理費用。

5 結語

合頁活動壩具有突出的安全、冰期蓄水及景觀等效益，近幾年在國內外快速推廣應用。由于北方河道冬季蓄水面臨問題較多，本文介紹了一種合頁活動壩，并針對牡丹江河道的特點，對比分析的鋼壩閘、氣盾閘、液壓升降壩在該工程中適用性進行分析，為該類河道閘型設計提供了一種新的思路。并結合工程設計成果及2a來的工程實踐驗證，表明合頁活動壩在本工程中充分發揮了該技術的優點，在牡丹江河段著重體現在冰期無除冰運行、無動力降壩等技術效果上。