中小河流閘壩新選擇
——液壓升降壩

季昌化朱水生鄭毅

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)，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;3.長(zhǎng)江水利委員會(huì)網(wǎng)絡(luò)與信息中心，湖北武漢430010)

中小河流閘壩新選擇
——液壓升降壩

季昌化1朱水生2鄭毅3

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)，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;3.長(zhǎng)江水利委員會(huì)網(wǎng)絡(luò)與信息中心，湖北武漢430010)

隨著中小河流治理的加速推進(jìn)，適應(yīng)于中小河流的各種閘壩，特別是活動(dòng)壩得到廣泛應(yīng)用，液壓升降壩就是一種適用性很強(qiáng)的新壩型。與橡膠壩、翻板壩、鋼壩閘等比較，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、運(yùn)行和維護(hù)簡(jiǎn)便，不阻水。已有的實(shí)用結(jié)果證明了其優(yōu)越性，值得推廣。介紹了液壓升降壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)分析成果。

閘壩;液壓升降壩;中小型河流

在很多中小河流的治理開發(fā)中，廣泛運(yùn)用著各種閘壩，常規(guī)泄水閘，或是橡膠壩、翻板門壩和鋼壩閘等小型壩。泄水閘的金屬結(jié)構(gòu)及土建工程量較大，上部需設(shè)置啟閉設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)施工量大，一般投資較高。橡膠壩是目前國(guó)內(nèi)使用最多的活動(dòng)壩，它具有緊貼河床不阻水、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壩體跨度大、自重輕、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，但存在可靠性較差、壩袋易被漂浮物或尖銳物損壞、使用壽命短等缺點(diǎn)。翻板門壩雖然能根據(jù)上游水位自動(dòng)調(diào)節(jié)，造價(jià)低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管理運(yùn)行方便，但也存在阻水效應(yīng)、易被洪水沖毀、易被漂浮物卡塞或上游泥砂淤積，造成翻板不能自動(dòng)翻轉(zhuǎn)進(jìn)而影響防洪安全、上游漂浮物無(wú)法清理等諸多問(wèn)題。

1 液壓升降壩的原理和特點(diǎn)

為了克服上述活動(dòng)壩的缺點(diǎn)，池州百川液壓壩科技有限公司研制了一種新型活動(dòng)壩——液壓升降壩。如圖1和圖2所示，液壓升降壩是由一組合頁(yè)式啟閉的混凝土面板、系列固定支撐桿和液壓缸、混凝土基礎(chǔ)板構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如下:

(1)活動(dòng)面板的底部為鉸鏈軸，將活動(dòng)面板固定在攔水壩的基礎(chǔ)上。

(2)活動(dòng)面板有兩種形式，一種是平面板，一種是弧形彩色面板。壩面高度1.5～6 m，每扇門板的標(biāo)準(zhǔn)寬度為6 m。

(3)液壓缸的下部以基礎(chǔ)底板為受力點(diǎn)。液壓缸的上部鉸接在活動(dòng)門板的背面。液壓缸伸縮帶動(dòng)活動(dòng)門板作活頁(yè)式扇形啟閉，達(dá)到攔水或降低高泄水的目的。

(4)支撐桿下部安裝滑輪，滑輪可以前后運(yùn)動(dòng)。

(5)控制支撐桿下部滑輪運(yùn)動(dòng)的是解鎖裝置，解鎖裝置由小液壓缸控制，可保持面板穩(wěn)定于任意開度。

(6)控制室設(shè)在岸邊。采用浮標(biāo)開關(guān)，控制液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人管理，在洪水達(dá)到設(shè)定水位時(shí)，自動(dòng)放壩行洪。

(7)采用電腦遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)一控多管。

這種活動(dòng)壩的主要特點(diǎn)如下:

(1)雙三角形超靜定結(jié)構(gòu)，力學(xué)結(jié)構(gòu)科學(xué);

(2)面板間無(wú)須設(shè)置閘墩，適用于各種寬度的河道;

(3)面板以最底部為鉸連軸，放平后緊貼河床，行洪效果好，不受泥砂淤積和漂浮物影響;

(4)除基礎(chǔ)板為現(xiàn)澆外，其他構(gòu)件為工廠化制造，運(yùn)輸和安裝方便，質(zhì)量有保障;

(5)單面板操作，任何漂浮物均可在指定位置快速?zèng)_至下游，沖沙沖淤效果極佳;

(6)分區(qū)式控制，面板啟閉快，不影響防洪安全，特別適合雨量充沛的南方及洪水漲落快速的山區(qū)及城市景觀河道;

(7)造價(jià)低。

圖1 湖南省炎陵縣5 m高液壓升降壩

2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

以下以4 m高液壓升降壩為典型，分析其結(jié)構(gòu)受力情況。4 m高水頭的液壓升降壩，在上游靜水4 m，下游無(wú)水的受力狀況下，考慮水壓力，取壩面板為鋼筋混凝土面板，計(jì)壩體自重，取單寬進(jìn)行分析，面板及支撐液壓桿受力情況如圖2。

通過(guò)力學(xué)計(jì)算，面板及液壓支撐桿內(nèi)力如圖3。

圖2 4 m水頭液壓升降壩實(shí)例

圖3 典型液壓壩結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

表1 液壓升降壩內(nèi)力(一)

對(duì)于不同的壩高及壩上不同的溢流水頭，每米單寬壩面及液壓支撐桿的內(nèi)力見(jiàn)表1～2。液壓升降壩面板支撐鉸點(diǎn)受到的合力數(shù)值見(jiàn)表3。

表2 液壓升降壩內(nèi)力(二)

表3 液壓升降壩面板支撐鉸點(diǎn)受力

配筋可根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。配筋計(jì)算表明:門體縱向鋼筋配置較少，基本為構(gòu)造配筋，門體橫向受拉側(cè)鋼筋是主要受力筋。造成這種原因主要是門的跨度和支點(diǎn)的位置選擇，如果門跨度減小，跨中彎矩減少，可有效減少配筋。因此可以得出結(jié)論，門體跨度是液壓升降壩的關(guān)鍵尺寸，單扇門跨度直接影響門體結(jié)構(gòu)的安全性和門體的經(jīng)濟(jì)性。

3 水力計(jì)算及消能防沖

根據(jù)液壓升降壩在運(yùn)行時(shí)的工作情況，其過(guò)流可分為如下幾種方式。液壓升降壩立壩擋水時(shí)上游水頭超過(guò)壩頂，水流從壩頂過(guò)流;液壓升降壩局部壩段部分開啟，從開啟壩扇與擋水壩扇間的局部出流;在洪水期或需大流量放水時(shí)放平面板過(guò)流。

(1)壩頂過(guò)流。液壓升降壩的壩頂溢流屬于典型的薄壁堰出流。液壓升降壩在壩頂出流時(shí)，壩下可發(fā)生遠(yuǎn)離水躍、臨界水躍和淹沒(méi)水躍等3種不同形式水躍。壩下發(fā)生遠(yuǎn)離水躍和臨界水躍時(shí)，壩下游水位不影響壩的泄流量。當(dāng)下游發(fā)生淹沒(méi)水躍時(shí)，壩下水位仍不影響泄流量。除非下游水位超過(guò)壩頂，液壓升降壩的壩下水位一般不影響泄流量。當(dāng)下游水位超過(guò)壩頂時(shí)，在正常工況下液壓升降壩壩面已放平，基本與河道過(guò)流類似。

(2)局部開啟出流?？杀日杖茄哌M(jìn)行計(jì)算。

(3)塌壩過(guò)流。由于壩寬小于上游河槽寬度，過(guò)壩水流受到兩側(cè)邊界收縮的約束，使有效溢流寬度小于實(shí)際壩頂寬度，并使水頭損失增大，導(dǎo)致壩的過(guò)流能力降低。此時(shí)，流量系數(shù)m可采用有側(cè)收縮的Bazin經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

綜上，液壓升降壩無(wú)論是在壩頂溢流或洪水期過(guò)流，壩下的出流和其他任何出流方式相比都是非常優(yōu)越的。在消能防沖方面，液壓升降壩壩下宜采用底流式消能，對(duì)于壩高2 m以上的工程應(yīng)設(shè)消力池，對(duì)于壩高1.5 m以下的小型工程宜設(shè)防沖槽。在實(shí)際運(yùn)行中，最好要避免發(fā)生淹沒(méi)水躍。

4 結(jié)語(yǔ)

自2007年第一座液壓升降壩建成投運(yùn)以來(lái)，迄今已經(jīng)建成投運(yùn)300多座。最高的高度達(dá)5 m，最長(zhǎng)的一座長(zhǎng)達(dá)240 m。地區(qū)遍布華北、華東和華南。運(yùn)行狀況良好，獲得用戶一致肯定，值得在中小河流上為兩岸灌溉、村鎮(zhèn)供水和城市景觀建設(shè)中進(jìn)一步推廣。

TV649

:A

1006-0081(2015)12-0027-03

2015-10-13

季昌化，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)原副主任，《人民長(zhǎng)江》雜志原主編，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(zhǎng)，工程師.