液壓壩在高郵狀元溝的設計應用及運行調度方案

焦響樂

北京中鐵生態環境設計院有限公司 北京 102600

液壓壩作為一種重要的水利工程設施，廣泛應用于水資源開發、水環境保護等領域。本論文旨在探討液壓壩的設計應用及運行調度方案，以優化水資源的合理利用和提高運行使用效率，通過案例分析探討液壓壩的設計內容及如何合理安排調度方案，為液壓壩的科學合理設計和高效運行調度提供思路和方法。

1 工程概況

擬建狀元溝蓄水閘位于高郵高新技術產業開發區的狀元溝下游段，工程目標是以提升區域防洪能力為基礎，改善沿河生態環境為目的，依托當地自然地理條件，結合當地文化背景，在區域營造良好的水生態環境，改善當地生態環境，為項目的建設提供良好的基底。該區域狀元溝治理段內除末端高郵湖控制閘外，無其他攔蓄水設施，為了在本項目狀元溝打造生態蓄水水面，以滿足水生植物種植、水景觀打造需求，修建狀元溝蓄水壩一座，規模為108m寬、2.5m高。

2 水閘壩型比選

根據水閘所在項目開發目標，水面工程總體布置在滿足行洪排澇基本功能的前提下，尚需滿足環境景觀要求，建筑物形式與周圍環境應相協調，新建攔水閘需在枯水季節蓄水，汛期滿足行洪，并盡可能減輕對河道行洪的不利影響。

采用固定的攔水壩會對河道過流能力產生影響，且每年都需要清淤。

采用常規水閘，雖然設計施工經驗豐富、運行調度靈活、可控制閘孔開啟排放不同規模來水，但土建結構復雜，閘室上方需設啟閉機房，相較于自然景觀較突兀，不利于河道的生態景觀，且建設工期長，投資高，運行維護費用高。

因此，本階段排除了固定堰壩和常規水閘型式，并參考各種河道和生態治理及蓄水工程所采用的壅水工程型式，通過綜合比較現國內外已使用得比較熟練的攔水壩類型及其國際上近年出現的工程型式，初選液壓壩、底軸驅動翻板閘、橡膠壩等三種型式進行比選，并提出了建議方案[1]。

3 閘型比選

方案一：液壓壩

液壓壩，應用自卸汽車力學原理，液壓壩（又稱液壓升降壩）能夠有效地調節河道的流向，并且能夠實現自動控制[2]。它由弧形（或直線）壩面、液壓桿、支撐桿、液壓缸以及液壓泵站組成，其中，液壓桿通過伸縮來調節升降壩面，使得在上升的過程中能夠攔蓄水，而在下降的過程中，則由支撐桿提供支撐，并通過定位銷固定或移動位置。液壓壩的特性是：受力結構合理，阻水性低，不易造成淤積，不會對漂浮物造成阻礙，而且可以快速升降，并且具有很好的抗沖擊能力[3]。液壓壩適合于打造寬水面和溢流景觀效果，并且可控制單扇閘門啟閉減少泥沙淤積的問題。

方案二：底軸驅動翻板閘

底軸驅動翻板閘又稱為鋼壩，由具有固定軸線的鋼件閘體及其啟閉設備等所組成，通過閘門門頂過水，可以形成跌水飛瀑的景觀效果。采用集成式啟閉機啟動，啟閉速度較快，能保證及時泄洪。并且可根據不同需求水位，在0～90°內任意調節閘門角度，閘門可通過鎖定裝置在任意角度鎖定[4]。底軸驅動翻板閘臥倒能貼合河床不阻水、對防洪排澇影響較小、啟閉迅速、耐久性好無淤積、抗洪水沖擊能力強的多項優點[5]。鋼壩適合于打造連續寬水面和水位差較小的工況。

方案三：橡膠壩

橡膠壩是采用高分子合成材料作為壩體的水工建筑物，使用規定尺寸的膠布，按照設計錨固于底板，使其形成封閉的壩袋，充入水或氣成為擋水壩壩體。橡膠壩主要由土建結構、壩袋、錨固件、充排水（氣）系統和控制系統組成。壩袋充水（或氣）后，作用在壩體上的水壓力，通過錨固螺栓傳遞到壩體底板結構上，固定壩袋使其可以穩定蓄水，放空壩袋內的水（或氣）行洪[6]。由于充排水（氣）系統需通過管道完成，整體升壩及降壩速度較慢，無法用于有突發洪水較多的河道，且壩袋使用年限受水中漂流物影響，相對鋼制閘門壽命較短。橡膠壩適合于使用年限較少、河道水流穩定且漂流物較少的工況。

通過以上技術、經濟比較，考慮到橡膠壩使用使用壽命短、不能及時行洪、蓄水且后期管理維護均有不便，因此排除橡膠壩方案；考慮到液壓壩在使用壽命、景觀效果、運管維護方面與鋼壩相當，而在結構受力、行洪安全、泥沙淤積、工程投資具有一定的優勢工程，經綜合比較，選擇液壓壩方案。

4 工程設計

液壓壩平面布置軸線與河道中心線采用正交，閘室段底板及側墻采用C30W4F50鋼筋混凝土結構，閘孔總寬108m，閘門高度2.5m，采用一孔布置。依據壩體塌壩閘門寬度及上、下游運行維護檢修需求，液壓壩順水流方向底板長12.0m，液壓壩底軸重心距底板上游端長4.45m，門后長7.55m，底板采用C30W4F50鋼筋砼底板，上、下游設前后齒墻，齒墻深0.8m。門前底板頂面比上游河床高0.30m，即5.34m，門后底板頂高程4.61m。壩段邊墩設置為扶壁式擋土墻結構，墻后通過水平平臺過渡后與堤頂相接。

壩體段上游設10.0m長鋪蓋，頂高程5.04m，鋪蓋采用C30W4F50鋼筋混凝土結構，厚0.5m，鋪蓋段邊墻采用C30W4F50鋼筋混凝土懸臂式擋墻，墻頂高程采用狀元溝河道堤頂設計高程10.79m，臨水側為直立面，背水側坡比1:0.15。

下游消力池采用下挖式消力池，且在末端設消力坎，池深1.72m，總長15.0m，采用1.0m長的水平段過渡后，以1:4的斜坡連接至池底。消力池池底板頂高程4.01m，底板為C30W4F50鋼筋混凝土結構，厚0.6m。消力池中下游段設排水孔，底部設反濾層。消力池段邊墻，采用C30W4F50鋼筋混凝土扶壁式擋墻，墻頂高程10.79m，臨水側為直立面。

消力池段下游設20m長海漫，頂高程5.23m，海漫分為兩段，上游采用0.5m厚漿砌石海漫，下游接0.5m厚格賓石籠海漫，底部設碎石墊層及土工布作為反濾層。漿砌石海漫范圍內順水流向10m長范圍內設弧形擋土墻，邊墻結構采用C30W4F50鋼筋混凝土懸臂式擋墻，墻頂高程10.79m，臨水側為直立面，背水側坡比1:0.15。

海漫段后接4m長防沖槽，防沖槽呈倒梯形布置，底寬1.0m，池深1.0m，海漫側坡比1:2，下游河床側坡比1:2，內填塊徑大于0.4m的拋石。

圖1 液壓壩平面圖

圖2 液壓壩局部斷面圖

5 液壓壩設計

5.1 閘門設計

狀元溝液壓壩共設置16扇液壓壩閘門，兩端各2扇6m寬閘門，中間12扇7m寬閘門。閘門擋水設計水位7.84m，對應下游無水，水頭差2.5m。擋水時，單寬6.0m門葉的總水壓187.5kN，單寬7.0m門葉的總水壓218.75kN。閘門結構型式為露頂式弧形閘門，主橫梁布置，門葉主材為Q235B，閘門沿底軸翻轉，底軸主材為Q345B，埋件主材為Q235B，單扇閘門結構重量約5t（6.0m閘門）、5.8t（7.0m閘門）。底止水采用“P”型止水，側止水用“U”型止水，止水材料為SF6674型止水橡膠，埋件結構型式為焊接板材結構，液壓壩埋件總重量約為1.9t。

閘門操作運行工況為動水啟閉，液壓啟閉機采用雙作用力單級柱塞式液壓啟閉機。啟閉機容量：2×400kN，啟閉機行程：900mm。16扇閘門合用1套液壓泵站系統。

5.2 啟閉機

本工程中液壓壩的啟閉均采用液壓啟閉，液壓壩配備1套液壓系統。液壓壩啟閉系統統計表詳見下表。

表2 液壓壩起閉系統表

液壓系統由油箱、電機、液壓泵、管道、溢流閥、換向閥等附件組成[7]。柱塞泵額定工作壓力31.5MPa，公稱排量25mL/r；電磁伺服閥組（16組+16組）最高工作壓力31.5MPa，最大流量36L/min+36L/min；電機：2臺電機（一用一備）橫臥布置，n=1480r/min；液壓系統使用46#抗磨液壓油；油液正常工作清潔度NAS9級；系統油液正常工作溫度范圍：-30℃～50℃。油箱采用鋼板焊接，用于盛裝液壓油。液壓泵是采用配油盤配油、缸體旋轉的軸向柱塞泵。

6 液壓壩運行調度方案

6.1 水閘的運行調度方案原則

維護生態環境：調度運行方案應盡量減少對河流生態環境的影響，保護和維護河流生態系統的平衡。

滿足水文要求：調度運行方案應考慮降雨、融雪等自然水文條件，及時響應洪水、旱情等突發水文事件，確保安全度汛、灌溉和水資源利用。

經濟合理：調度運行方案應盡量減少運行成本、提高水閘效益，同時考慮社會、經濟和環境因素，實現資源的最優配置。

可控性：調度運行方案應具有可控性，能夠通過水文監測、預測等手段進行調整，保證水閘運行穩定可靠。

6.2 液壓壩運行調度方式

液壓壩采用現場按鍵控制、自動升降及遠程終端控制三種方式進行控制[8]：

升壩操作：首先啟動液壓泵站及控制系統，按照從兩端閘門至中心閘門的順序開啟升壩按鈕，控制電磁閥按順序啟動，液壓缸運行，壩面依次升起，升至設計高程時感應控制器反饋控制液壓泵站自動停止[9]。

降壩操作分為三種：

①正常降壩：首先啟動控制系統，依次開啟下降按鈕，控制電磁閥依次啟動，液壓缸在壩面及水壓自重下開始逐步下降，壩面下降至設計高度時感應控制器反饋控制系統自動停止。

②自動降壩：當壩頂水位超過設定警戒水位時，超水位控制器工作，啟動壩面下降控制系統壩面依次打開降低水位：當出現緊急狀況時（如停電、設備故障等），壩頂水位超過設定警戒水位，壩面受到的壓力大于設定的警戒壓力時，壓力控制系統自動開啟，壩面下降。

③緊急降壩：發生緊急情況時，通過人工打開手動緊急控制閥門，控制調節壩體下降速度。

6.3 運行調度方案

正常蓄水情況下，液壓壩為立壩狀態，當河道行洪時，通過自動升降壩系統調整，通過洪水預警預測來水流量，與降壩設計流量相比較，若預測流量較小，可保持液壓壩溢流水深不超過0.3m時無需降壩；當預測流量較大時，自動降壩系統開啟，液壓壩由中間閘門依次向兩側降壩，使河道以全斷面行洪。

狀元溝液壓壩平時運行方式主要設計為兩種：

①非汛期：10月初至次年4月底，液壓壩全壩面立壩蓄水。

當液壓壩溢流水深達到0.3m，即河道水位8.14m、流量32.35m3/s時，液壓壩閘門依次由中間閘門向兩側打開，待洪水位低于7.44m時，再將閘門重新立起。

②汛期：5月初至9月底，液壓壩全壩面放倒開啟。

依據液壓壩的設計規定，結合狀元溝河道防洪排澇、生態蓄水的實際需求，需要在較短的時間內完成降壩泄洪，降壩每1分鐘從中間2扇閘門依次向兩端開啟2扇閘門，特殊情況下可人工控制減少降壩時間間隔。本液壓壩設計升壩時間設計為0.5小時，降壩系統由計算機監控進行控制，運行中實現自動化控制[9]。

液壓壩冬季運行時，控制系統需采用耐低溫液壓油，另外項目位于高郵，蓄水區冬季形成冰面時，需要塌壩或者破冰運行，防止壩體被冰層破壞，破冰操作先降低壩面高度0.5m，再將壩面升起破碎冰層后降壩排出冰凌，從而保護壩體安全。在管理中，應該加強河道管理，禁止到冰面上行走[10]。

另外，結合液壓壩蓄水可減緩水流及其漂浮物流速的情況，在其蓄水區建設垃圾攔截裝置，采用攔污浮筒[11]或新型攔污設施[12-13]，以阻攔漂浮垃圾對水質及水面環境造成破壞，安排管理人員定期清理并收集垃圾，建立相應的監測體系，對垃圾情況進行監測，及時采取應對措施。

7 結語

液壓壩作為一種低水頭攔蓄水新閘型，其安全性、便捷性、耐久性、景觀性均具有較大優勢，在城市河湖整治、調蓄水資源中得到廣泛應用。在液壓壩的調度運行過程中，需要遵循科學、安全、合理的原則，根據具體的水情和季節要求來進行調節和運行，保證其發揮最佳效果，同時確保河道的安全和生態環境的保護。