“鋼壩”水閘在小窯灣國際商務區(qū)內(nèi)湖景觀水利中的應用

趙巖松 伊佳倩 李媛媛

（大連市水利規(guī)劃設計院 遼寧 大連 116021）

1 工程概述

小窯灣國際商務區(qū)內(nèi)湖位于東側(cè)臥龍河與西側(cè)翔鳳河之間，是兩條河流連通的紐帶。 根據(jù)規(guī)劃，在內(nèi)湖與兩條河流相交處各設橋梁一座。為了攔蓄水體、形成湖面，需要在兩端交通橋內(nèi)湖側(cè)合適位置各設擋水建筑物一座，以保證景觀湖面的形成。 并滿足內(nèi)湖與人工河道通航及內(nèi)湖水體交換的功能要求。

本工程的具體任務如下：

1）通過擋水建筑物的修建，可以滿足景觀對內(nèi)湖水面的要求；

2）可根據(jù)擋水建筑上下游水位的變化，對擋水建筑物進行相應的控制，從而可以實現(xiàn)游船的通行；

3）通過對擋水建筑物進行相應的控制，可以實現(xiàn)對內(nèi)湖水體交換的要求。

基于以上工程任務，需要對擋水建筑物的型式的選定進行定性的分析以及相應的方案比選工作。 以下將對其進行詳細敘述。

2 設計參數(shù)

設計河底高程：-1.5m

設計擋水位：0.5m

50 年一遇設計洪水位：3.34m（外河）

設計高潮位（?？冢?.93m

設計閘孔凈寬：10m

3 方案提出

綜合分析本工程各方面對擋水建筑物的要求，本工程擋水建筑物的組合型式基本上可為如下組合：

方案（一）：采用混凝土擋水堰與鋼壩閘（即底橫軸翻轉(zhuǎn)閘門）相結(jié)合的建筑物型式；

方案（二）：采用混凝土擋水堰與橡膠壩相結(jié)合的建筑物型式；

方案（三）：采用混凝土擋水堰與其它型式閘門（例如“人”字形船閘等）相結(jié)合的建筑物型式。

4 方案比選

方案（三）組合的閘門型式為單向受力、單向止水，不能滿足本工程的雙向受力、雙向止水的要求，所以此方案行不通。故以下著重對其他兩個方案進行比較，即鋼壩與橡膠壩的比較。 方案比較主要從使用壽命、損壞及維修、運行情況、安全可靠性分析、冬季冰凍問題、防腐問題、淤積問題、能耗的對比及影響泄洪斷面等九個方面進行相應的分析比較。 具體如下：

4.1 使用壽命

鋼壩的設計使用壽命可達50～60 年，當前國際上最長壽命的鋼性閘門為近百年。 國內(nèi)最早的福建小溪電站為1958 年建成至今仍在使用， 同樣的鋼結(jié)構在解放前就開始使用一直運用至今的案例到處都有。而權威部門根據(jù)室內(nèi)測試資料和工程實踐初步判定橡膠壩的使用壽命10～15 年就必須更換一次壩袋。至今國內(nèi)第一條橡膠壩的壽命未超過15 年， 上世紀我國東北地區(qū)建的許多橡膠壩已拆除，2005 年位于廣西東筍電站建的橡膠壩也已拆除改建鋼性閘門。一次鋼壩的投資等于四次橡膠壩的投資（中間壩袋要換需要大量建設輔助工作不算）。

4.2 損壞及維修

4.2.1 壩的損壞

1）人為破壞造成的損壞

橡膠壩容易受到尖利和有尖角物體的損壞，在容易受到人為破壞或河道內(nèi)有尖角物較多的地方不宜安裝橡膠壩。

2）洪水過后的殘骸造成的損壞，景觀的影響

由于洪水過后遺留的各種殘骸，諸如民用設施與建筑材料這類尖利的物體很可能對壩體的上游面造成損傷。 微小處的漏氣易于修復，如果漏氣面積較大，修復起來比較困難。 每次升壩或塌壩后各種殘骸遺留在壩袋上給景觀帶來極大影響， 運行單位每次都派員進行擦洗，工作量較大。

3）放氣孔（水）造成的損壞

放氣（水）期間，橡膠壩體可能會由于緊靠壩下游面的尖利物體所刺破。

4）火造成的損壞

（1）火也許是對橡膠壩最為不利的潛在危害因素。 火可引起大范圍的壩體損壞，而修復大面積的壩體有時是不可能的。 對于很重要的壩，可行的辦法是提供備用橡膠壩，以便在出現(xiàn)嚴重損壞時，能迅速替換。 運行成本大大增加。

（2）鋼性閘門它本身屬性決定上述情況都不會發(fā)生。 在此對鋼性閘門進行了細致的分析，現(xiàn)在閘門的運轉(zhuǎn)件采用特殊復合材料，該種材料在水下運行若干年無需加潤滑油，也不會銹蝕。

（3）最近有資料報導山東某工程攔河橡膠壩運行五六年，就壩體已維修了三次，費用高達600 萬元（其它未計算），而鋼性閘門約三十年左右進行一次防腐即可。

4.3 運行情況

4.3.1 運行時間

橡膠壩是通過充氣或充水達到升壩的目的，正常需要2～3 小時才能完全升或塌壩，時間較長。而鋼性閘門采用啟閉機啟閉，運行速度可達1～2m/分鐘，一般工程不超過2 分鐘即可完成升壩和塌壩。 這樣可有效的保證突發(fā)洪水時能及時泄洪。橡膠壩會隨著使用次數(shù)和年份的增加而且使用充氣（水）、排氣（水）時間增長，因為壩內(nèi)和管道內(nèi)會結(jié)垢的原因。

4.3.2 運行可靠性

由于橡膠壩存在泄漏，原因是橡膠臘交聯(lián)、刺傷、管道聯(lián)結(jié)缺陷以及緊固系統(tǒng)和施工質(zhì)量，故要不斷經(jīng)常性的充氣，否則會出現(xiàn)過了一段時間壩泄氣（水）自動塌下來的現(xiàn)象，有時河道內(nèi)水流干都不知道，造成一定損失，而鋼壩采用機械鎖定，當塌壩、升壩和調(diào)節(jié)水位時任意角度都可鎖定，不會發(fā)生移動。

4.3.3 壩頂溢流

橡膠壩設計規(guī)范中明確規(guī)定溢流不能超過50cm， 否則將易出現(xiàn)跨壩事件，而鋼壩可有效的克服這一缺陷，可以長時間大流量的從壩頂溢流形成瀑布效果。

4.3.4 自動化程度高

橡膠壩一般難實現(xiàn)集中網(wǎng)絡控制，而鋼壩可以實現(xiàn)先進的自動化控制和網(wǎng)絡控制，可以在全球任一互聯(lián)網(wǎng)控制。

4.4 安全可靠性分析

橡膠壩一般須建一座供氣站或水泵房，管路多且復雜，而鋼壩僅僅配套二臺驅(qū)動裝置，該種型式驅(qū)動裝置是一種新型驅(qū)動型式，它結(jié)構簡單，操作方便，無須油管、泵站等附屬設施，另該種驅(qū)動裝置配備了手動裝置，若由于停電或其他故障可以手動操作，操作力只需5kg。這樣可以有效的保證塌壩時能塌壩，立壩時能立壩，安全性極高。

4.5 冬季冰凍問題

橡膠壩根據(jù)《設計規(guī)范》和實際使用情況，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。

到了冬季，將鋼壩傾斜一定角度，此時若結(jié)冰，冰層可以沿著斜角向上延伸，從而有效的釋放水結(jié)冰的膨脹力，這樣鋼壩不會受到任何破壞，另由于鋼材本身的堅硬特性，每年春天的凌汛可以安全在壩頂泄洪，鋼壩可以輕松安全的度過冬季。

4.6 防腐問題

鋼壩表面是按照《水利水電鋼閘門制造標準規(guī)范》進行熱噴鋅，附著力極強，權威機構研究結(jié)果表明，沙的流速8≤m/s，不會對鋅層構成破壞，一般河流的流速不可能達到這個速度。

4.7 淤積問題

鋼壩是一種特殊結(jié)構的壩閘形式，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。上游止水壓在圓軸上，當壩豎起或倒下時，止水不離圓軸的表面，始終保持密封止水狀態(tài)；側(cè)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）不會影響鋼壩的升壩和塌壩。

針對淤積較嚴重的地區(qū)，一般在壩前設擋沙（泥）檻和喇叭口。 一是為了有效的擋住大的石塊，二是當塌壩泄洪時，提高壩口位置的流速，可有效的讓泥沙、水混合物直接隨洪水沖至下游。

北方地區(qū)立壩蓄水是該壩的主要功能。 立壩時間較長易淤積，但是鋼壩是圍繞底軸向下游傾倒， 故塌壩時淤積的泥沙被水流沖向下游，不可能形成阻塞。另，行洪后我們會根據(jù)當?shù)氐哪嗌澈糠治龀鲇卸嗌倭康挠偕常啵┏恋碓陂T體上，并通過淤沙（泥）量計算出升壩時需要的升壩力，充分考慮到升壩時克服淤沙（泥）的力量。

4.8 能耗的對比

100m 橡膠壩的用電負荷量最少需要功率100kw/小時左右， 每次升壩時間約為2～3 個小時。

鋼壩閘比橡膠壩每年節(jié)省了相當大的用電量。

4.9 影響泄洪斷面

橡膠壩設計規(guī)范要求壩的底坎高20cm，另外，塌壩時橡膠壩內(nèi)的水不能完全放盡，形成不低于20cm 的高度，兩者相加塌壩時在河流斷面形成不低于40cm 的阻水斷面，嚴重影響泄洪流量。 而鋼壩無此影響。

5 方案選定

通過以上對鋼壩和橡膠壩的諸多方面的綜合比較可知：

方案（二）組合的橡膠壩運行調(diào)度時，控制困難且充氣、放氣過程耗時很長，大概需要三個小時左右，對本工程的運行管理不利；使用壽命短，一般15 年左右就要換一次壩袋；規(guī)范要求橡膠壩過流時，壩頂溢流高度不得超過50cm。 這些都不能滿足本工程的要求。

方案（一）組合即能滿足本工程雙向受力、雙向止水的要求，又能滿足運行時開關耗時短（約幾分鐘）的要求；且設計使用壽命較長，達50～60 年。 閘頂可長期溢流，且高度可控。

6 結(jié)論

從滿足工程運行和使用壽命的角度出發(fā)，方案（一）是最適合本工程的方案，故方案（一）為本工程的推薦方案，小窯灣國際商務區(qū)內(nèi)湖擋水建筑物最終選定為混凝土擋水堰與鋼壩閘 （即底橫軸翻轉(zhuǎn)閘門）相結(jié)合的建筑物型式是合適的。

［1］劉細龍，陳福榮，編著.閘門與啟閉設備[M].北京：中國水利水電出版社出版，2002.