鋼壩閘——一種新型擋水結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用

蔡金麗 孟建發(fā)

（太原市水利勘測設(shè)計院 太原 030002） （河北省石津灌區(qū)管理局 石家莊 050000）

鋼壩閘
——一種新型擋水結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用

蔡金麗 孟建發(fā)

（太原市水利勘測設(shè)計院 太原 030002） （河北省石津灌區(qū)管理局 石家莊 050000）

鋼壩閘作為一種新型的擋水結(jié)構(gòu)，克服了橡膠壩容易被尖銳物刺破、易老化、充塌壩時間長影響行洪等不利條件，是一種新型可調(diào)控溢流閘門，啟閉簡單，使用維護便利，非常適用于北方多泥沙河流的擋水蓄水工程，近年來得到了較多的應(yīng)用。

鋼壩閘 橡膠壩 擋水 結(jié)構(gòu)原理

1 引言

在水利水電建設(shè)中，隨著城市用水、景觀建設(shè)及環(huán)境整治和灌溉、發(fā)電工程的需要，翻板閘、水閘和橡膠壩得到廣泛的運用。近年來，由于橡膠壩具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、可按需要調(diào)節(jié)水位、操作靈活、節(jié)省鋼材、造價低廉等優(yōu)點，被廣泛運用于水利水電工程建設(shè)中。尤其是其壩體能自由充脹和塌縮、蓄泄控制自如，以及跨度大、景觀協(xié)調(diào)性好、壩頂可溢流等諸多特點，使橡膠壩在防洪河道治理及城市生態(tài)景觀建設(shè)中得到了更為廣泛的應(yīng)用。

然而，橡膠壩也有其自身的弱點，由于橡膠壩是由高分子合成材料聚合而成，壩袋容易被尖銳物刺破，長期在室外環(huán)境中壩袋易老化，同時運行時充水（充氣）升壩或放水（放氣）塌壩時間較長，影響快速截流或泄洪，給河道行洪帶來一定的安全隱患?，F(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)閘門，無論是提升式水閘還是臥倒式翻板閘，由于受閘門自重和提升設(shè)備的限制，單孔孔徑都很小，加之上部啟閉設(shè)備復(fù)雜，很難適應(yīng)城市河道景觀美化的要求。

鋼壩閘既克服了傳統(tǒng)鋼閘門孔徑小、啟閉設(shè)備復(fù)雜等缺點，又克服了橡膠壩易老化、塌立壩速度慢等缺點，是一種新型可調(diào)控溢流閘門。它由帶固定軸的鋼閘門門體、液壓啟閉設(shè)備和配套土建結(jié)構(gòu)工程等組成。這種建筑物適合于閘孔較寬（10～100m）而水位差比較小（1～7m）的工況，由于它可以設(shè)計得比較寬，可以省掉數(shù)孔閘墩，因此不僅結(jié)構(gòu)簡單美觀，而且可以立門蓄水，臥門行洪排澇，適當(dāng)開啟調(diào)節(jié)水位，還可以利用閘門門頂過水，形成瀑布的景觀效果（見圖1）。

圖1 鋼坎閘景觀

2 鋼壩閘結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用

2.1 工作原理

鋼壩閘不同于以往的鋼閘門，它是由底部帶固定軸，并與鋼閘門門葉鉚接在一起組成，閘門的啟閉靠埋設(shè)于兩側(cè)邊墩內(nèi)的液壓啟閉機帶動軸轉(zhuǎn)動，從而達到使閘門立門蓄水、臥門行洪排澇的目的。它在擋水時還可以適當(dāng)調(diào)節(jié)一定開啟角度來調(diào)節(jié)水位，同時可以利用閘門門頂過水，形成瀑布的景觀效果。

鋼壩閘是一種特殊結(jié)構(gòu)的水閘型式，它沒有底門槽和側(cè)門槽，是門葉圍繞底軸心轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)。上游止水壓在圓軸上，當(dāng)門豎起或倒下時，止水不離圓軸的表面，始終保持密封止水狀態(tài)；側(cè)止水固定在門的兩側(cè)，采用“Π”形止水形式，依靠橡皮止水與側(cè)墻的擠壓力達到止水的目的。閘門臥倒時，止水面始終不離開側(cè)胸墻（不銹鋼埋件），因此不會造成側(cè)漏水，也不會影響鋼壩閘門的開啟和關(guān)閉。

2.2 鋼壩閘的啟閉設(shè)備

傳統(tǒng)的閘門啟閉機有卷揚式和螺桿式兩種，這兩種啟閉機不僅外形復(fù)雜，不能滿足景觀要求，安裝也極不方便，需要大量的土建支持和許多輔助設(shè)施。

鋼壩閘的突出優(yōu)點就是采用了集成式啟閉機。這是一種新型的機電液一體化的液壓啟閉機，通過液壓桿的平行移動帶動鋼壩閘底軸轉(zhuǎn)動，完成閘門的啟閉（見圖2）。它只需要簡單的預(yù)埋就可以實現(xiàn)長期穩(wěn)定地工作，既達到了其他啟閉形式無法達到的景觀效果，也減少了工程投資額，更為將來極少的維護減少了許多管理工作。

2.3 配套土建工程

鋼壩閘所需配套土建工程與一般水閘大致相同，有鋪蓋段、底板段、消力池段等。其中底板為臺階式，將轉(zhuǎn)軸置于設(shè)計底板高程以下，以便閘門在臥倒時與底板面齊平，有利于河道泄洪、排沙。由于底止水和側(cè)止水與常規(guī)水閘設(shè)置不同，所以不需設(shè)底門槽和側(cè)門槽，邊墩與啟閉機室布置為一體。鋼壩閘相對于一般水閘的突出優(yōu)點就是它能適用于跨度較大的河道，其單孔閘孔寬度可50～60m，因此其中墩設(shè)置較少，對河床的束窄率低，能滿足河道泄洪要求。

3 鋼壩閘主要優(yōu)缺點

3.1 優(yōu)點

相對于常規(guī)水閘和橡膠壩，鋼壩閘無論是從結(jié)構(gòu)型式還是美觀實用上，都有著諸多優(yōu)點：

圖2 鋼壩閘啟閉設(shè)備

a.從美觀和安全適用情況來看，常規(guī)水閘由于受啟閉設(shè)備的限制，單孔尺寸一般都不超過10m，這樣不僅需要設(shè)置很多的中墩，土建工程增加，而且對河道行洪和美觀上都有一定的影響。橡膠壩克服了以上缺點，但是橡膠壩壩袋易被尖銳物刮破，且其充塌壩時間較長，對于北方季節(jié)性河道來說，一是洪水期河道內(nèi)夾雜的大石塊或樹枝等較多，壩袋容易被刮破，二是塌壩時間長（約30~80min左右），容易對防洪留下隱患。同時橡膠壩還存在被人為造成破壞、被漂浮物刺破、壩體振動磨損、壩與兩岸的磨損、火災(zāi)等諸多隱患。鋼壩閘很好地解決了上述幾方面的問題，剛性的門體本身就具有較強的堅硬性，不易被損壞，而且鋼性閘門采用液壓啟閉機啟閉，運行速度可達1~2m/min，經(jīng)計算不超過2min即可完成開閘和閉閘，可有效地保證突發(fā)洪水時能及時泄洪。

b.從使用耐久性來看，鋼壩閘的設(shè)計使用壽命可達50~60年，當(dāng)前國際上最長壽命的閘為近百年。而橡膠壩10~15年就必須更換一次壩袋。

c.從運行可靠性上分析，橡膠壩一般須建一座供氣站或抽排水泵房，管路多且復(fù)雜，而鋼壩閘門僅僅配套二臺集成式啟閉機，該種啟閉機是一種新型啟閉機，它結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，無需油管、泵站等附屬設(shè)施，另外該啟閉機配備了手動裝置，操作力只需50N，可以有效保證塌壩時能塌壩、立壩時能立壩，安全性極高。

d.從運行能耗上來看，100m長的鋼壩閘只需要4臺液壓啟閉機，每臺液壓啟閉機的額定最大功率為15kW。100m的鋼壩閘用電負(fù)荷量只需60kW·h左右，每次升壩時間約為2～3min；而100m橡膠壩的用電負(fù)荷量最少要在100kW·h左右，每次升壩時間約為3～6個h或更長。因此鋼壩閘比橡膠壩可節(jié)省相當(dāng)大的用電量。

e.從管理上看，鋼壩閘操作簡單，僅需配備一兩名運行維護人員，還可以實現(xiàn)先進的自動化網(wǎng)絡(luò)控制，相比橡膠壩可大大減少運行管理人員。

f.在冬季運行的問題上，鋼壩閘可以輕松安全地度過冬季，一般情況下鋼壩閘的蓄水位比橡膠壩高幾十厘米，所以到了冬季，將鋼壩閘傾斜一定角度，此時若結(jié)冰，冰層可以沿著斜角向上延伸，從而有效地釋放冰的膨脹力，這樣鋼壩閘不會受到任何破壞。另外由于鋼材本身的堅硬特質(zhì)，每年春天的凌汛均可以完全在壩頂泄洪。而橡膠壩根據(jù)實際使用情況，冬季一旦結(jié)冰就必須做好刨冰工作，否則將對橡膠壩造成致命的損壞，而刨冰工作完全依靠人工完成，既耗時又耗力，且給管理帶來極大的不便。到春天解凍時，冰凌不能在橡膠壩上溢流，結(jié)實而鋒利的冰塊很可能把橡膠壩劃破。

3.2 缺點

鋼壩閘的缺點主要表現(xiàn)在門體需要耗費大量的鋼材，一次性投資較大。橡膠壩工程（含土建及泵站工程）擋水高度3m時，每延米投資約4.8萬元，同樣情況下鋼壩閘每延米投資約8萬元，高于橡膠壩工程。

4 結(jié)語

鋼壩閘作為一種新型的擋水結(jié)構(gòu)，克服了橡膠壩容易被尖銳物刺破，易老化，充塌壩時間長影響行洪等不利條件，是一種新型可調(diào)控溢流閘門，可以立門蓄水、臥門行洪排澇，啟閉閘門靠隱藏在邊（中）墩的液壓設(shè)備，啟閉簡單，適當(dāng)開啟可以調(diào)節(jié)水位，還可以利用閘門門頂過水，形成瀑布的景觀效果，非常適用于北方多泥沙河流的擋水蓄水工程。

由于鋼壩閘為一新興的事物，目前還沒有國家統(tǒng)一設(shè)計規(guī)范，生產(chǎn)廠家也較少，據(jù)了解其底部采用的滾軸國內(nèi)還不能生產(chǎn)，只能從德國進口，但考慮到其與橡膠壩相比有諸多優(yōu)點，相信在不遠的將來，隨著鋼壩閘技術(shù)的日臻成熟，鋼壩閘的應(yīng)用會越來越廣泛。