大跨度鋼壩閘在水景觀中的利用和探討

劉草原，陳能成

（1.廣德市水利局，安徽 廣德 242200；2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，上海 200439）

隨著我國經濟實力的提升和社會的進步，水利也在發生著與時俱進的改變，從傳統的防洪保安等內容逐步轉變為現代化的綜合性水務。將美學融到城市河道治理之中，使治理后的城市河道與周圍環境協調統一，形成城市景觀中的新亮點，以滿足人民日益增長的優美生態環境需要，是新階段水利高質量發展的要求。

傳統的直升式鋼閘門單孔的寬度較小，且需要配啟閉機房，隱蔽性不佳，嚴重影響城市的水體景觀。大跨度鋼壩閘具有結構簡潔、不易損壞、止水密封好等優點，且可以減少中墩數量，增加過水面積，增強河道行洪能力。本文以廣德市高湖閘為工程實例，闡述大跨度鋼壩閘在城市水景觀中的應用。

1 工程概況

高湖壩位于安徽省廣德市郎川河鐵路橋下游約2.5km 處，主要功能為滿足農田灌溉用水、集鎮居民生活用水和河道生態蓄水的需求。現狀高湖壩每年汛期行洪期間，阻水嚴重，嚴重影響附近居民生活。同時高湖壩為砂礫石外包砼結構組成，滲漏嚴重，且下游消力池嚴重損毀，具體詳見圖1。因此，本次擬對其拆除并新建高湖閘。

圖1 現狀高湖壩現場照片

高湖壩周邊電力和交通方便，考慮到現狀高湖壩右側有舊河道可以利用作為導流。因此，閘址擬基本維持現有壩址附近不變，并充分論證水閘下游水流對橋梁基礎的沖刷，確保橋梁安全。

新建高湖閘位于現狀高湖壩上游約80m。

2 閘型比選

本工程的主要功能為生態蓄水，同時必須滿足行洪要求。攔河閘是抬高河道水位，保證河湖灌溉、生態或景觀蓄水功能的代表性建筑物。目前，河道較寬的低水頭攔河壩中應用較為廣泛的、不阻礙河道行洪，且景觀效果較好的有橡膠壩、鋼壩閘、液壓翻板閘和氣動盾形閘等。根據現場實際，本次方案比選鋼壩閘、氣動盾形閘壩（簡稱“氣盾壩”）和橡膠壩三種型式。

2.1 鋼壩閘

鋼壩閘是一種底橫軸的翻轉門，外形新穎、美觀、實用，操作方便、啟閉靈活、且工作較隱蔽、無礙防汛和通航。鋼壩閘采用鋼材，表面進行熱噴鋅，堅固耐用，易于安裝和維護。閘門通過液壓設備啟閉，速度快，一般在2 min 之內即可完成。特有的鎖定裝置，可以有效地控制閘門開啟角度，任意調節水位，形成大尺度景觀效果。

圖2 鋼壩閘照片一

圖3 鋼壩閘照片二

2.2 氣盾壩

氣盾壩也稱氣動盾形閘壩，是一種新型擋水壩，結合了傳統鋼壩閘和橡膠壩的特點，剛柔并濟，其擋水高度可達10m，跨度可達數百米，具有高水頭、大跨度、可調節擋水水位、景觀效果好等特點。

氣盾壩結構主要由盾板、充氣氣囊、埋件、空壓系統及控制系統等組成。氣盾壩利用充氣氣囊支撐盾板擋水，氣囊排氣后塌壩，氣囊臥于盾板下，可避免河道砂石、冰凌等對壩袋的破壞；氣囊內填充介質為氣體，塌壩迅速：各個部件均為預制部件，安裝工期短；盾板及氣囊模塊化，便于修復。

圖4 氣盾壩照片

2.3 橡膠壩

橡膠壩是以高強度合成纖維為骨架，內外涂敷橡膠保護層，形成壩袋，按設計尺寸錨固于基礎底板上做成“封閉”袋形，旱季橡膠壩袋內充水成壩擋水，以滿足用水需要，雨季泄出壩袋內的水塌壩不影響河道泄洪。橡膠壩的優點是相對于常規閘造價低，可減少投資30%～70%。施工期短，壩袋只需3 ～15d 即可安裝完畢。壩體為柔性軟殼結構，能抵抗地震、波浪等沖擊，跨度大，不阻水。缺點是壩袋是由高分子合成材料聚合而成，容易受到尖銳物體或火的損壞；長期在室外環境中壩袋易老化，其使用壽命一般為10 ～ 15年；升降壩是通過充泄水系統來完成，正常需要2 ～ 4 h，時間較長；充泄水系統需要建泵房、充泄水管路，相對復雜。

圖5 橡膠壩照片

2.4 閘型比選

上述三種方案各有優缺點，均能夠滿足本工程攔蓄水要求。氣盾壩是一種新型擋水建筑物，適用于多泥沙河道，景觀效果較好，投資適中，運行管理方便，但易發生不均勻溢流。橡膠壩充排水泵房均埋設于地下，可設置于堤后空地，上部建筑也可進行景觀處理，整體效果較好，但壩袋使用壽命較短，充排水時間長，對河道防洪有一定影響，運行管理要求高；考慮攔河閘壩作為整個無量溪整治工程的亮點，對景觀要求較高，而鋼壩閘升降壩時間最短，使用壽命最長，整體景觀效果最好，瀑布效果最佳。因此，從防洪安全、景觀效果、運行管理等方面，推薦采用鋼壩閘形式。

3 工程布置

高湖蓄水閘采用開敞式水閘型式，閘孔總凈寬60m，單孔。

閘室為單孔鋼筋砼結構，閘室長12.4m。閘門型式為鋼壩閘，水閘口門凈寬60m，閘室側壁頂標高28.6m，厚0.8m。閘室底板頂標高22.10m，厚1.30m。閘門門頂標高25.0m，總高2.0m。鋼壩閘門軸距離邊線距離為3.7m，與底板及底坎連接固定。閘門采用液壓啟閉機啟閉，啟閉機設在閘室兩側的地埋式啟閉機房內，機房凈寬2.7m。閘室下方采用C20 埋石混凝土換填至15.6m 高程。

4 鋼壩閘結構設計

底軸旋轉式鋼閘門由門葉、底軸、支鉸座、拐臂、止水裝置、驅動裝置、穿墻裝置、鎖定裝置等組成。鎖定裝置將閘門固定在某一個或某幾個特定位置，避免驅動系統長期受壓產生下滑。

4.1 門葉

閘門為1 扇，門葉寬度60.0m，高度2.0m。門葉采用風帆型結構，該種結構可將水流對門體的部分正向壓力轉化為向下的壓力，增加閘門的穩定性。閘門采用縱向懸臂梁的體系，由橫梁，縱梁、橫梁、底軸共同構成閘門的主受力框架。面板設置在上游側，材質采用Q235B。

4.2 旋轉底軸

旋轉底軸采用高強度的不銹鋼一次加工、焊接、二次車工、法蘭焊接、三次車工和法蘭鉆孔而成，直徑一般為φ650～1000，旋轉底軸與拐臂之間也采用焊接方式連接。

4.3 支鉸座

支鉸座布置于河道中，為鋼混結構。每套閘門共設置9 個支鉸座，間距為6.50m；支鉸座均采用開敞結構，該種結構可在基礎輕微不均勻沉降的情況下保證閘門的正常運行。

4.4 穿墻裝置

底軸兩端從孔口寬度范圍延伸至啟閉機室內時需穿過兩側閘墩側墻，為此設有專門的穿墻裝置，采用二期砼澆筑的方式進行安裝。為保證翻板閘門在全關狀態下穿墻裝置的密封性能，設置了多重密封。其一，調節補償裝置，對止水組件進行軸向壓縮，補償環向形變產生的間隙，保證防水套的止水效果；其二，設置帶水檢修密封裝置，具有備用和啟用兩種狀態。在備用狀態時，帶水檢修密封裝置與底軸不接觸，從而避免鋼壩運行中對其產生磨損，此時由止水組件進行防水套的止水。在啟用狀態時，帶水檢修密封裝置抱緊底軸，阻止河道的水流至止水組件的位置，從而保證止水組件的順利更換，更換完畢后，再將帶水檢修密封裝置切換回備用狀態，恢復止水組件的止水以及鋼壩的正常運行，減少后期維護成本。

4.5 拐臂

底軸和啟閉機是通過拐臂聯接，底軸與拐臂的下端聯接部位通過焊接方式連接，啟閉機的吊耳與拐臂上端連接部位采用銷軸聯接。拐臂的下端聯接部位和上端聯接部位距離2.5m。拐臂材質為Q355B。

4.6 止水

閘門在底部及兩側設有水封裝置。底部止水采用P型，通過螺栓固定在底止水埋件上。鋼壩閘沒有底門槽和側門槽，門葉圍繞底軸心旋轉，上游止水壓在圓軸上，側止水始終不離開側胸墻，始終保持密封止水狀態。底止水橡皮應保證通長直線布置，不得有凹槽、缺口，保證止水橡皮的完整性。側止水采用V 型止水，處于預壓狀態，可實現帶水更換止水橡皮。所有與水封接觸的部位，均需保證光滑無毛糙。

4.7 埋件

閘門的埋件主要包括底止水、穿墻防水套埋件、支鉸座等。

底檻、穿墻防水套埋件、支鉸預埋板采用二期混凝土澆筑的方式進行。

側水封座的外露表面采用拋光大理石，底止水、支鉸預埋件板以及穿墻裝置采用焊接件，材質均為Q235B或Q355B。

4.8 防腐設計

本工程所有金屬結構設備的防腐蝕，均采用熱噴鋅外加油漆封閉層、面漆層，鋅層的最小局部厚度不小于120μm，中間漆采用環氧云鐵漆2 道，每道干漆膜厚度40μm，面漆采用氯化橡膠面漆2 道，每道干漆膜厚度40μm，涂層的總厚度不小于280μmm。埋件的外露部分（不銹鋼板除外）也采用該種防腐方式進行防腐。

4.9 啟閉機

啟閉機采用液壓集成式啟閉機，啟閉機數量：2 臺。

持住力：800kN；

啟門力：800kN；

開門速度：0.6m/min；

關門速度：0.4m/ min；

工作行程：3.7m；

5 電氣設計

高湖閘從附近引入一路0.4kV 低壓電源，電纜穿管埋地引入電表箱，然后接入液壓啟閉機控制柜。

本工程鋼壩閘門采用單跨布置，凈寬60m。壩體兩側由2 臺套液壓驅動裝置控制，每套液壓驅動裝置配1臺電動機，電機功率均為15kW；電控系統布置在管理房內，另外還有照明負荷等。由于壩體在降壩的同時承擔泄洪任務，因此鋼壩閘的用電等級汛期屬一級。

控制箱額定工作電壓為380V，額定絕緣電壓不小于660V。液壓啟閉機現地控制箱內設置隔離開關、電流互感器、塑殼斷路器、交流接觸器、熱繼電器、轉換開關、電壓表、電流表、控制用按鈕、信號燈、繼電器、PLC、變頻器及其他必需的配件和附件。

6 結語

隨著自動化系統的普及，鋼壩閘可以實現現地控制和遠程控制，并且可以無縫對接當地山洪預警系統，在城市景觀河道治理中被廣泛應用。