底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門與橡膠壩分析比較及應(yīng)用

張家松

（山東省臨沂市水利勘測設(shè)計(jì)院，山東 臨沂276000）

1 概述

近幾年，我國水利工程建設(shè)不僅要滿足基本的防洪、除澇、灌溉、發(fā)電等基本要求，還要滿足景觀要求。在這種情況下，底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門及橡膠壩得到了廣泛應(yīng)用。兩者均具備大跨度、可溢流、景觀效果好等特點(diǎn)，但同時(shí)也具備各自的諸多缺點(diǎn)。本文對(duì)兩者各自的優(yōu)缺點(diǎn)分別論述。

2 底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門

底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門是一種用于城區(qū)河道工程的新型液壓驅(qū)動(dòng)式閘門，由土建、帶固定軸的鋼結(jié)構(gòu)門葉、驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)備等組成。

2.1 工作原理

底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門由門葉、底橫軸、底鉸座、自潤滑軸承、底水封、側(cè)水封、液壓啟閉機(jī)及液壓鎖定裝置等組成。門葉的下端與底橫軸固定連接，底橫軸與埋置于閘底板的鉸支座連接，底橫軸的兩端分別固定連接啟動(dòng)臂，啟動(dòng)臂的上端分別與對(duì)應(yīng)的液壓啟閉機(jī)的伸縮桿鉸連接，液壓啟閉機(jī)鉸連接在支座上，支座內(nèi)分別設(shè)置鎖定裝置，鎖定裝置的一端分別與啟動(dòng)臂鉸連接。液壓啟閉機(jī)通過啟動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)底橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)閘門做弧形運(yùn)動(dòng)，并由鎖定裝置控制閘門的開啟角度。

2.2 特點(diǎn)

2.2.1 適合于大跨度、低水頭攔河建筑物

底橫軸翻轉(zhuǎn)門適用于較寬（20～100m）河道的擋水或水位調(diào)節(jié)，一般用于上下游水位差不大于7m的情況。

2.2.2 結(jié)構(gòu)簡單，隱蔽性好

土建結(jié)構(gòu)主要包括底板、中墩、邊墩、啟閉機(jī)室等，無須油管、泵站等附屬設(shè)施。

2.2.3 景觀效果好，壩頂可溢流

底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門在啟閉過程中，底止水和側(cè)止水始終保持密封止水狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生滲漏，從而可以壩頂過水，形成人工瀑布的景觀效果。

2.2.4 不易損壞，使用壽命長

底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門是由鋼板焊接并進(jìn)行防腐處理而成，并且運(yùn)轉(zhuǎn)件采用特殊復(fù)合材料，在水下運(yùn)行若干年無需加潤滑油，也不會(huì)銹蝕。底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門的設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)50～60a。

2.2.5 啟閉時(shí)間短

閘門采用啟閉機(jī)啟閉，運(yùn)行速度可達(dá)1～2m/min，一般工程不超過2min即可完成升壩和塌壩，可有效保證突發(fā)洪水時(shí)能及時(shí)泄洪。

2.2.6 安全可靠性較高

底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門配套新型驅(qū)動(dòng)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，無須油管、泵站等附屬設(shè)施，另驅(qū)動(dòng)裝置配備了手動(dòng)裝置，若由于停電或其他故障可以手動(dòng)操作，這樣可以有效保證及時(shí)塌壩、立壩，安全性極高；另外底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門運(yùn)行時(shí)，可任意角度實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖定，保證了運(yùn)行可靠性。

2.2.7 解決冬季冰凍問題

到了冬季，將底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門傾斜一定角度，此時(shí)若結(jié)冰，冰層可以沿著斜角向上延伸，從而有效釋放水結(jié)冰的膨脹力，這樣底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門不會(huì)受到任何破壞，另由于鋼材本身的堅(jiān)硬特性，每年春天的凌汛可以安全在壩頂泄洪，底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門可以安全度過冬季。

2.2.8 解決淤積問題

底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門是一種特殊結(jié)構(gòu)的壩閘形式，它沒有底門槽和側(cè)門槽，是門葉圍繞底軸心旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。上游止水壓在圓軸上，當(dāng)壩豎起或倒下時(shí)，止水不離圓軸的表面，始終保持密封止水狀態(tài)；側(cè)面止水同樣的原理，止水面始終不離開側(cè)胸墻（不銹鋼埋件或大理石），故淤沙（泥）不會(huì)影響底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門的升壩和塌壩。

北方地區(qū)立壩蓄水是該壩的主要功能。立壩時(shí)間較長易淤積，但是底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門是圍繞底軸向下游傾倒，故塌壩時(shí)淤積的泥沙被水流沖向下游，不可能形成阻塞。

2.2.9 工程造價(jià)較高，但運(yùn)行費(fèi)用較低

以擋水高度3m，單孔跨度30m為例，底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門每m造價(jià)6萬元（不包含土建費(fèi)）。

3 橡膠壩

橡膠壩是用膠布按要求的尺寸，錨固于底板上成封閉狀，用水（氣）沖脹形成的袋式擋水壩，是一種新型擋水建筑物。

3.1 工作原理

攔蓄時(shí)，通過充水（氣）系統(tǒng)將壩袋沖脹，依靠充脹的袋體擋水；泄洪或坍壩時(shí)，通過排水（氣）系統(tǒng)，放空壩袋內(nèi)的水（氣），恢復(fù)原河道的行洪斷面。充排水（氣）系統(tǒng)是橡膠壩能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

3.2 特點(diǎn)

3.2.1 適合于大跨度、低水頭攔河建筑物

橡膠壩適用于較寬河道的擋水或水位調(diào)節(jié)，單孔凈跨可達(dá)100m以上；一般用于上下游水位差不大于5m的情況。

3.2.2 結(jié)構(gòu)較簡單

結(jié)構(gòu)簡單，但隱蔽性較好，須建一座供氣站或水泵房，管路多且復(fù)雜。

3.2.3 景觀效果好

景觀效果好，可壩頂溢流。

3.2.4 易損壞老化，使用壽命短

橡膠壩容易受到尖利和有尖角物體的損壞，微小處的漏氣易于修復(fù)，如果漏氣面積較大，修復(fù)起來比較困難，則需要徹底更換壩袋。橡膠壩的使用壽命10～15a。

3.2.5 啟閉時(shí)間長

橡膠壩是通過充氣或充水達(dá)到升壩的目的，正常需要2～3h才能完全升壩或塌壩，時(shí)間較長。

3.2.6 安全可靠性較低

橡膠壩由于存在橡膠臘交聯(lián)、刺傷、管道聯(lián)結(jié)缺陷及緊固系統(tǒng)和施工質(zhì)量等問題，會(huì)存在泄漏問題。

3.2.7 冬季冰凍問題嚴(yán)重

冬季一旦結(jié)冰必須做好刨冰工作，否則將對(duì)橡膠壩的使用造成致命的損壞，而刨冰工作完全依靠人工完成，既耗時(shí)又耗力，且給管理帶來極大的不便。到春天解凍時(shí)，冰凌不能在橡膠壩上溢流，結(jié)實(shí)而鋒利的冰塊很可能把橡膠壩劃破。

3.2.8 工程造價(jià)相對(duì)較低，但運(yùn)行管理費(fèi)用較高

以擋水高度3m為例，橡膠壩每m造價(jià)0.65萬元（不包含土建費(fèi)）。

4 工程實(shí)例

霸王河地處內(nèi)蒙古烏蘭察布市中部，是內(nèi)陸水系黃旗海水系中流域面積第二大的河流，自北向南穿越烏蘭察布市區(qū)?？偪刂屏饔蛎娣e899km2，全長93.1km，河道平均比降0.517%。為改善城市環(huán)境，提升城市品味，帶動(dòng)沿河的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，2010年對(duì)霸王河進(jìn)行綜合治理。

4.1 方案比選

工程設(shè)計(jì)方案確定前，對(duì)霸王河進(jìn)行了詳細(xì)的工程論證，主要有：

（1）攔河建筑物位于霸王河水庫下游600m，水庫泄洪時(shí)要求攔河壩快速啟閉；

（2）洪水含沙量大，淤積問題嚴(yán)重，充分考慮淤積對(duì)攔河建筑物啟閉造成的影響；

（3）河道內(nèi)平時(shí)干枯無水，橡膠壩充水難的問題突出；

（4）冬季氣候寒冷，最低氣溫-33.7℃，冰凍問題突出；

（5）河道寬度相對(duì)較窄，擋水高度較?。?/p>

（6）工程景觀效果要求較高；

針對(duì)以上工程特征，結(jié)合底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門及橡膠壩的比較分析，綜合確定采用單孔跨度30m的底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門。

4.2 攔河建筑物的總體布置

攔河建筑物位于霸王河水庫大壩下游600m，霸王河中泓樁號(hào)8+200處，由底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門及副壩組成。底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門布置于右岸主河槽內(nèi)，副壩布置于左岸河道灘地內(nèi)，小洪水時(shí)開啟閘門泄洪，大洪水時(shí)閘及副壩同時(shí)行洪。

4.2.1 底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門工程

底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門自上游至下游依次為鋪蓋段、閘室段、消力池段、海漫段。

（1）上游鋪蓋段。順?biāo)鞣较蜷L9m，寬65m，上游端底高程1339.2m，下游端接底板高程1339.5m，鋪蓋段采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；鋪蓋段兩岸采用C30鋼筋混凝土懸臂擋土墻護(hù)岸。

（2）閘室段。順?biāo)鞣较蜷L度11.0m，總寬65m，共2孔，單孔凈寬30m，擋水高度2.0m，閘底板頂高程1339.5m，正常蓄水位1341.5m，壩室段采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。中墩內(nèi)為啟閉機(jī)室，采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

（3）消力池段。消力形式為底流式消力，消力池段由陡坡段與水平段組成。陡坡段上游有1.0m的水平段與壩室段相連，陡坡段的坡度為1∶4，順?biāo)鞣较蛩酵队伴L度為5.8m；水平段順?biāo)鞣较蜷L7.2m，池底高程1337.5m，池坎厚1.2m，坎頂高程1338.7m，消力池段采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，消力池段兩岸采用C30鋼筋混凝土懸臂擋土墻護(hù)岸。

（4）海漫段。海漫長10m，厚1.5m，海漫段采用格賓網(wǎng)填塊石結(jié)構(gòu)，海漫段兩岸采用C30鋼筋混凝土懸臂擋土墻護(hù)岸。

4.2.2 副壩工程

副壩總長173m，頂高程1341.5m，頂寬5m，上、下游坡比1∶8，表面采用格賓網(wǎng)填鵝卵石護(hù)坡，中間填筑砂礫料。

（1）上游護(hù)坡自上而下依次為：格賓網(wǎng)填鵝卵石護(hù)坡厚400mm，級(jí)配碎石厚100mm，反濾土工布1層，砂粒料回填厚1400mm，防滲土工膜1層，中粗砂保護(hù)層厚200mm。

（2）下游護(hù)坡自上而下依次為：格賓網(wǎng)填鵝卵石護(hù)坡厚400mm，級(jí)配碎石厚100mm，土工布1層，中粗砂保護(hù)層厚100mm。

副壩頂部采用奇石覆蓋，奇石底部采用寬2m的C25鋼筋混凝土堰為底座，奇石與堰之間用M10砂漿粘結(jié)。

副壩下游坡腳處設(shè)拋石防沖槽，以避免副壩溢流后對(duì)下游坡腳進(jìn)行沖刷。

5 結(jié)語

底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門作為一種新型的擋水結(jié)構(gòu)，克服了橡膠壩存在的諸多缺點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、啟閉時(shí)間短、景觀效果佳、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。相比橡膠壩工程造價(jià)相對(duì)較高，但他非常適用于北方寒冷及多泥沙的河流中應(yīng)用。

內(nèi)蒙古烏蘭察布市霸王河工程實(shí)施后，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］GB/T50662—2011，水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］SL227—98，橡膠壩技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］高本虎.橡膠壩工程技術(shù)指南［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.

［4］GB50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］SL265—2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.