液壓升降壩與傳統(tǒng)活動(dòng)壩比較研究

饒和平朱水生唐湘茜

(1.長江水利委員會(huì)網(wǎng)絡(luò)與信息中心，湖北武漢430010; 2.安徽池州百川液壓壩科技有限公司，安徽池州247100)

液壓升降壩與傳統(tǒng)活動(dòng)壩比較研究

饒和平1朱水生2唐湘茜1

(1.長江水利委員會(huì)網(wǎng)絡(luò)與信息中心，湖北武漢430010; 2.安徽池州百川液壓壩科技有限公司，安徽池州247100)

為有利于在現(xiàn)代水利活動(dòng)壩工程建設(shè)中進(jìn)行壩型比選，針對橡膠壩、翻板壩及液壓升降壩3種壩型，概述了各種壩型的特點(diǎn)，從技術(shù)、投資、運(yùn)行管理及效益等方面對各種壩型進(jìn)行了對比分析，并結(jié)合工程實(shí)例，介紹了壩型比選情況。結(jié)果表明，液壓升降壩在多數(shù)情況下優(yōu)于橡膠壩和翻板壩，值得廣泛應(yīng)用與推廣。

液壓升降壩;橡膠壩;翻板壩;比較研究

活動(dòng)壩主要有橡膠壩、翻板壩和液壓升降壩等3種壩型。橡膠壩是一種薄壁柔性壩，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代末，其基本工作原理是用高強(qiáng)度合成纖維織物作受力骨架，內(nèi)外涂敷橡膠作保護(hù)層，加工成膠布，再將其錨固于底板上成封閉狀的壩袋，通過充排管路用水(氣)將其充脹形成。翻板壩是一種低水頭擋水建筑物，也稱為水力自控翻板閘，1972年發(fā)明于日本，其基本工作原理是杠桿平衡與轉(zhuǎn)動(dòng)，通過上游水作用力和閘門自身重量的相互制衡及增設(shè)阻尼反饋系統(tǒng)達(dá)到調(diào)控上游水位的目的。液壓升降壩是目前世界領(lǐng)先的活動(dòng)壩，于2006年由我國發(fā)明，屬于攔河活動(dòng)壩的第三代產(chǎn)品，是一種利用自卸汽車力學(xué)原理，結(jié)合支墩壩水工結(jié)構(gòu)型式的新型活動(dòng)壩，具有擋水和泄洪雙重功能。以下將分別敘述這3種活動(dòng)壩的特點(diǎn)，并將其各種性能進(jìn)行比較。

1 三種壩型各自的特點(diǎn)

1.1 橡膠壩

橡膠壩主要由壩袋、充排設(shè)備、錨固結(jié)構(gòu)、安全及觀測裝置等組成，可分為充水式、充氣式和氣水混合3種形式［1］。采用高強(qiáng)度合成纖維織物作為壩體的受力骨架，在骨架內(nèi)外表面涂敷高分子合成橡膠作為粘結(jié)保護(hù)層，形成整體的高強(qiáng)度膠布，再按照設(shè)計(jì)尺寸加工成封閉的袋形，錨固在混凝土基礎(chǔ)底板上，利用水(氣)壓力將其充脹形成袋式擋水壩，壩頂可溢流，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行壩高調(diào)整，從而更好地發(fā)揮灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、防洪及擋潮等效益。

美國、澳大利亞及日本等國先后對橡膠壩開展了不同程度的研究，包括試驗(yàn)研究、壩袋制造技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)制定等，并取得了一系列研究成果［2，3］。較為著名的橡膠壩有澳大利亞的孔伯龍巴(Koombooloomba)充水式橡膠壩、日本為荷蘭建造的拉姆斯波爾(Ramspol)橡膠壩等。1965年以來，我國橡膠壩的發(fā)展歷史大致經(jīng)歷了試驗(yàn)研究、總結(jié)改進(jìn)、穩(wěn)步發(fā)展及快速發(fā)展4個(gè)階段。目前我國的橡膠壩工程主要以充水式為主。

1.2 翻板壩

翻板壩主要由面板、支腿、支墩及連桿等部件組成，通過上游來水量的增減自動(dòng)控制作用于閘門上的合力大小及作用點(diǎn)位置，同時(shí)利用支腿、支墩、導(dǎo)板、滑輪及連接桿的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)翻板閘門的自動(dòng)開啟和關(guān)閉。當(dāng)上游水位升高時(shí)，閘門逐漸開啟泄流，上游水位下降時(shí)，閘門逐漸關(guān)閉蓄水，從而保證了上游水位一直保持在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)［4］。

目前應(yīng)用較多的翻板壩形式主要有多鉸軸式、雙支點(diǎn)復(fù)合式、多絞連桿滑塊式和滑塊支承鉸式等，如我國漢江支流天河尾間鄖西縣的天河口翻板閘門、廣東省懷集縣水下三級(jí)水電站翻板壩等。在國外的應(yīng)用中，日本擬利用翻板壩來防止海嘯對沿海岸地帶居民的襲擊。

1.3 液壓升降壩

液壓升降壩主要由壩面(弧形或直線)、支撐桿、液壓桿、液壓缸及液壓泵站組成(從EI、Elsevier ScienceDirect、Springer等知名數(shù)據(jù)庫，以及在Google等網(wǎng)絡(luò)搜索引擎上搜索的結(jié)果來看，尚未找到液壓升降壩這一新生壩型的國外文獻(xiàn)及報(bào)道)。

液壓升降壩的主要工作原理是利用液壓系統(tǒng)控制活動(dòng)攔水壩，從而達(dá)到升壩時(shí)攔水，降壩時(shí)泄洪的目的。壩體結(jié)構(gòu)是在壩面的背面設(shè)置滑動(dòng)支撐桿作為支撐，構(gòu)成穩(wěn)定的支撐墩壩，通過液壓系統(tǒng)和限位卡裝置，實(shí)現(xiàn)壩體支撐墩壩活動(dòng)和固定的相互轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到固定攔水、活動(dòng)降壩的目的。此外，液壓升降壩通過浮標(biāo)開關(guān)控制操作液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，并能根據(jù)洪水漲落情況，實(shí)時(shí)升降活動(dòng)壩面［5］。

液壓升降壩既保留了傳統(tǒng)活動(dòng)壩型的優(yōu)點(diǎn)，又克服了傳統(tǒng)活動(dòng)壩型的缺點(diǎn)，是水利科技的一項(xiàng)革命性成果。由于該壩型力學(xué)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行過程中，既可以像橡膠壩一樣緊貼河床不阻水、無泥沙淤積，上游水量較大時(shí)又可以像翻板壩一樣自動(dòng)放壩泄洪，不影響防洪安全，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠，抗洪水沖擊能力強(qiáng)，任意調(diào)節(jié)水位高度，像水閘一樣堅(jiān)固耐用。因此目前廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、漁業(yè)、船閘、河道治理等領(lǐng)域。實(shí)用案例有安徽池州青陽縣液壓壩、北京豐臺(tái)弧形液壓壩等。

2 三種壩型的比較

2.1 適用范圍

橡膠壩主要應(yīng)用于低水頭、大跨度的閘壩工程，沿海海岸防浪堤或擋潮閘工程，跨度較大的孔口船閘上、下閘門工程，施工圍堰或活動(dòng)圍堰工程，城區(qū)園林工程等。

翻板壩為較常見的活動(dòng)壩，適用于中、小型河道水位調(diào)節(jié)，特別適用于洪水陡漲陡落、供電、交通不便的山溪性河道建造中。城市河道整治中，為防洪、便于運(yùn)行管理及美化環(huán)境改善景觀等亦常需建翻板壩。

液壓升降壩是一種低水頭新型活動(dòng)壩，廣泛應(yīng)用于中小河流治理中的攔蓄水工程，如城市河道景觀、小水電站建設(shè)、農(nóng)田灌溉、沿海拒咸蓄淡、鹽田攔蓄海水和環(huán)境保護(hù)等工程。

2.2 優(yōu)劣分析

橡膠壩結(jié)構(gòu)簡單，其優(yōu)點(diǎn)主要有緊貼河床不阻水，自重輕，壩體跨度大，壩型美觀，抗震性能好等。其缺點(diǎn)主要有:①可靠性、安全性較差，使用壽命短;②壩體壩袋易被硬質(zhì)漂浮物或尖銳物損壞，尤其冰凍問題容易導(dǎo)致?lián)p壞壩袋;③增加泵房，機(jī)電設(shè)備;④需人工定期清理漂浮物;⑤管理運(yùn)行困難，汛期塌壩與蓄水調(diào)度協(xié)調(diào)較困難，塌壩時(shí)間長，經(jīng)常出現(xiàn)洪水暴漲期間來不及塌壩就被洪水沖毀，在浙江省，一場臺(tái)風(fēng)就摧毀了十幾座橡膠壩;⑥塌壩放水后，出現(xiàn)泥砂淤積覆蓋壩袋，壩袋無法沖水，需人工清理泥砂，而人工清淤極易損壞壩袋。

翻板壩具有投資較少、工期短、結(jié)構(gòu)簡單、管理運(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)，上游水位變動(dòng)時(shí)，能自動(dòng)調(diào)節(jié)閘門開度。其主要缺點(diǎn)為:①易造成阻水，暴雨期間，往往經(jīng)不起瞬間特大洪水的沖擊，壩體易被洪水沖毀，我國每年有大量翻板壩被洪水沖毀的報(bào)道;②易被上游漂浮物卡塞或泥砂淤積，導(dǎo)致壩體自身不能自動(dòng)翻板，影響防洪安全;③經(jīng)過洪水沖擊后，翻板門容易被異物卡住關(guān)閉不嚴(yán)，造成水庫大量漏水，無法正常蓄水工作;④壩體上游漂浮物較難清理，導(dǎo)致河道臟亂，污染環(huán)境。

液壓升降壩作為一種先進(jìn)的新型活動(dòng)壩，其主要優(yōu)點(diǎn)包括:①力學(xué)結(jié)構(gòu)科學(xué)，解決了泥砂淤積問題;②結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠，抗洪水沖擊的能力強(qiáng);③不受漂浮物影響，在水量損失極小的情況下，能很容易沖掉上游的漂浮物，使河水清澈，保護(hù)環(huán)境;④壩體間無須建支墩，平板放倒后平鋪河床基礎(chǔ)，不阻水;⑤放壩速度快，不影響防洪安全，特別適合雨量充沛的南方及洪水陡漲陡落的山區(qū)?？傮w上講，液壓升降壩克服了傳統(tǒng)活動(dòng)壩的缺點(diǎn)，同時(shí)保留了橡膠壩、翻板壩等傳統(tǒng)活動(dòng)壩的基本優(yōu)點(diǎn)，具有明顯優(yōu)勢，是性價(jià)比最高的活動(dòng)壩［6］。

液壓升降壩與傳統(tǒng)活動(dòng)壩性能比較見表1。

3 工程實(shí)例分析

運(yùn)用3種壩型的工程案例較多，但較少將實(shí)施方案作橫向?qū)Ρ?。為此，特?yōu)先選用以下兩個(gè)工程案例進(jìn)行分析比較，從而總結(jié)出選擇適合壩型的理由及建議。

表1 液壓升降壩與傳統(tǒng)活動(dòng)壩性能比較

3.1 案例一

某攔河壩工程規(guī)劃設(shè)計(jì)Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)及Ⅲ號(hào)3處壩址，通過對投資、工程安全性、發(fā)揮效益、水流條件及景觀效果等方面進(jìn)行分析對比后，推薦Ⅲ號(hào)壩址方案。針對該壩址壩型選擇問題，分別對液壓升降壩、橡膠壩及翻板壩3種壩型進(jìn)行了比較。

3.1.1 性能比較

(1)橡膠壩。擋水壩主體擬使用三布四膠橡膠壩袋，通過鋼壓板將壩袋錨固在壩底板上，通過機(jī)電設(shè)備抽取河道水源進(jìn)行充壩擋水。該壩型的優(yōu)點(diǎn)是跨度大、整體效果好。缺點(diǎn)是每間隔一定時(shí)間(約15 a)需要更新更換壩袋，重復(fù)投資較大;日常運(yùn)行管理維護(hù)費(fèi)用較高，且壩袋易造成人為損壞;受季節(jié)影響較大，冬季基本無法正常升壩。

(2)翻板壩。擋水壩主體采用鋼板，通過鋼筋混凝土支鉸結(jié)構(gòu)將支撐固定在壩底板上。該壩型的優(yōu)點(diǎn)是壩體能根據(jù)上游來水量的增加及時(shí)加大閘門張開度，洪水結(jié)束時(shí)能及時(shí)關(guān)閉閘門攔截洪水尾水，有效利用水資源。缺點(diǎn)是阻水較嚴(yán)重，影響防洪安全;容易遭受洪水損壞;后期維修費(fèi)用較高;上游漂浮物無法清理，影響景區(qū)美觀。

(3)液壓升降壩。擋水壩主體采用鋼筋混凝土板，通過液壓啟閉機(jī)支撐固定在壩底板上。該壩型的優(yōu)點(diǎn)是跨度大，結(jié)構(gòu)簡單，工期較短，耐久性較好，實(shí)際使用壽命可達(dá)到50 a。缺點(diǎn)是每間隔約5 a時(shí)間，需要為液壓系統(tǒng)補(bǔ)充液壓油，但費(fèi)用很小。

3.1.2 經(jīng)濟(jì)比較

以上3種方案通過計(jì)算，得出各壩型的單延米投資總額。計(jì)算表明，翻板壩的單延米投資最高，而橡膠壩和液壓升降壩的單延米投資較低。結(jié)合使用壽命和維護(hù)成本看，液壓升降壩的性價(jià)比最高。具體經(jīng)濟(jì)比較情況見表2。

表2 經(jīng)濟(jì)比較情況

通過對以上各種壩型導(dǎo)致的水流條件、河道行洪雍水、消能防沖、工程投資、工程管理及費(fèi)用的對比分析，經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，選擇液壓升降壩方案作為推薦壩型。

3.2 案例二

根據(jù)規(guī)劃，某航道水運(yùn)工程需要設(shè)置一道攔水壩，以實(shí)現(xiàn)航道枯水期蓄水通航。根據(jù)工程附近區(qū)域的水文、氣象及規(guī)劃景觀要求，結(jié)合航道的汛期防洪要求及通航水深要求，分別對橡膠壩、液壓升降壩及翻板壩3種壩型進(jìn)行了對比分析，3種壩型的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

(1)橡膠壩。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，自重輕，壩體塌落時(shí)壩袋緊貼河床基礎(chǔ)面，基本不阻水，壩體跨度大，抗震性能較好，整體效果美觀。但具有橡膠壩所固有的通病，而且項(xiàng)目所在地汛期降雨強(qiáng)度較大，汛期和非汛期河道流量差異較大，為協(xié)調(diào)好蓄水和防洪的關(guān)系，要求汛期強(qiáng)降雨期間攔河壩能快速塌壩，汛后又能及時(shí)升壩蓄水，因此橡膠壩不太適宜。

(2)翻板壩。優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度相對較高，投資低，結(jié)構(gòu)簡單，工期短，管理運(yùn)行方便。但同樣有前面所述的易被洪水沖毀、被異物卡住、影響水庫正常蓄水等缺點(diǎn)。

(3)液壓升降壩。除具有結(jié)構(gòu)相對簡單、工期短、投資較少、自動(dòng)化程度較高、方便檢修和管理等常規(guī)優(yōu)點(diǎn)外，更重要的是結(jié)構(gòu)性能可靠，壩體塌落后的高度僅超出河床基礎(chǔ)面約30 cm，壩體升起后形成穩(wěn)定的支撐壩體結(jié)構(gòu)，活動(dòng)壩體的高度可調(diào)節(jié)，泄流、行洪、沖砂及排漂效果較好，且使用壽命一般長達(dá)30 a以上。缺點(diǎn)是壩體液壓系統(tǒng)的油路和液壓桿均位于水面以下，檢修期間需要抽水干地作業(yè)，為此可設(shè)置檢修閘墩，利用船閘檢修門擋水，為檢修和維護(hù)液壓系統(tǒng)設(shè)備提供干地作業(yè)條件［6，7］。

通過對以上3種壩型的優(yōu)缺點(diǎn)對比分析，結(jié)合該項(xiàng)目的實(shí)際條件，認(rèn)為液壓升降壩的優(yōu)點(diǎn)之多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了橡膠壩和翻板壩，為較合適的壩型，故選擇液壓升降壩為推薦壩型。

4 結(jié)語

橡膠壩的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡便，下降時(shí)能無阻礙地泄洪;翻板壩構(gòu)造簡單、施工方便、便于維修，部分開啟時(shí)有良好的穩(wěn)定性;而液壓升降壩與上述傳統(tǒng)的活動(dòng)壩型相比，特點(diǎn)更為突出，即具有投資少、適用范圍廣、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠、抗洪水沖擊能力強(qiáng)、運(yùn)行管理簡單、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。液壓升降壩是水利科技的一項(xiàng)創(chuàng)新性成果，是目前世界領(lǐng)先的活動(dòng)壩技術(shù)，該技術(shù)攻克了傳統(tǒng)活動(dòng)壩型的缺點(diǎn)，并兼有傳統(tǒng)壩型的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)性強(qiáng)。目前，液壓升降壩技術(shù)已在城市河道景觀、農(nóng)業(yè)灌溉、漁業(yè)、船閘、山區(qū)河道治理等工程中得到了應(yīng)用，并發(fā)揮了巨大的作用，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益顯著。建議在現(xiàn)代水利活動(dòng)壩工程建設(shè)中優(yōu)先考慮采用液壓升降壩［8］。

［1］陳東清.不同擋水建筑物方案的應(yīng)用比選［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014，(1):56-59.

［2］高本虎.國內(nèi)外橡膠壩發(fā)展概況和展望［J］.水利水電技術(shù)，2002，33(10):5-8.

［3］Steelhead Emigration in a Seasonal Impoundment Created by an Inflatable Rubber Dam［J］.Fishes Management，2005，(25):1239-1255.

［4］湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院.擋水建筑物分冊:橡膠壩與翻板壩［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［5］陳業(yè)銀，任華春，朱水生.液壓升降壩工作原理及結(jié)構(gòu)性態(tài)分析［J］.水電能源科學(xué)，2012，30(7):69-72.

［6］丁峰，劉月剛，邱象玉.液壓升降壩在城市河道中的選型設(shè)計(jì)［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015，(3):59-61.

［7］關(guān)紅俊.晉城市沁河河道蓄水工程液壓壩水工設(shè)計(jì)［J］.陜西水利科技，2015，(1):111-113.

［8］趙娜，唐德善，朱聰.基于風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型的活動(dòng)壩方案必選［J］.水電能源科學(xué)，2010，28(1):80-82.

TV644

:A

1006-0081(2015)12-0023-04

2015-10-11

饒和平，男，長江水利委員會(huì)網(wǎng)絡(luò)與信息中心副處長，教授級(jí)高級(jí)工程師.

朱水生，男，安徽池州百川液壓壩科技有限公司董事長，工程師.