氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)在山區(qū)河流城市景觀水利工程中的適用性分析

【摘要】景觀壩（閘）有多種型式可供設(shè)計(jì)比選，本文列出氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)與常見的幾種壩（閘）型的對比情況，根據(jù)對比情況，氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)有較大的優(yōu)勢，尤其能更好的適應(yīng)山區(qū)水文泥沙特性，在山區(qū)城市景觀水利工程建設(shè)中的應(yīng)用效果顯著。

【關(guān)鍵詞】城市景觀水利工程；山區(qū)河流；氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)；水力自控翻板閘門；液壓翻板閘門；液壓鋼壩；橡膠壩；液壓升降壩

1、山區(qū)河流水文泥沙特性

山區(qū)河流水文泥沙特性復(fù)雜，不同地域的河流其特性不盡相同，且差異較大，但其基本特性及表現(xiàn)型式類似，大致歸納總結(jié)以下幾個(gè)方面的基本特性：

（1）匯流特性：山區(qū)型流域，相對于平原型流域而言，山地溝系發(fā)育，地面陡峻、比降大，雨水能迅速向溝壑、水溪匯集，匯流速度快，流域?qū)涤甑恼{(diào)蓄作用弱，匯流時(shí)間短，受降雨過程和暴雨空間分布的影響靈敏，洪水流量過程線呈陡漲陡落趨勢，變化劇烈、迅速，且多呈現(xiàn)復(fù)峰過程，即使是孤立洪水過程，其洪峰端也常呈現(xiàn)雙峰或多峰型，起漲流量與地面徑流終止時(shí)的流量變化不大。

（2）水沙特點(diǎn)和沖淤特性：山區(qū)河流的泥沙輸移特性及泥沙組成等與平原河流不同。

（3）水流和暴雨特性：山區(qū)河流多呈現(xiàn)季節(jié)性水流，在旱季或無雨期，河槽中水流細(xì)小甚至干涸無水；在雨季或汛期的暴雨易形成大洪水及災(zāi)害性洪水。

2、山區(qū)城市河流建設(shè)功能要求

閘（壩）在山區(qū)城市河流中的建設(shè)，需要在不影響河流自身行洪規(guī)模的前提下，攔河蓄水、提升枯水期景觀水位、改善城市水環(huán)境，帶動(dòng)兩岸濱河景觀的建設(shè)。受河流水文特性和洪水特性的影響，決定其必須具有的功能特點(diǎn)為：足夠的孔口規(guī)模在汛期宣泄洪水；能結(jié)合水情預(yù)報(bào)和管理調(diào)度進(jìn)行靈活的啟閉運(yùn)行；盡量不雍高汛期上游洪水水位，以免造成上游的防洪壓力；擋水泄水結(jié)構(gòu)要求使用壽命長、結(jié)構(gòu)可靠、抗沖擊、耐磨蝕。同時(shí)，山區(qū)河床往往相對狹窄，特別在城市中兩岸布置空間有限，應(yīng)盡量減小建筑物體量和少占河道，減少占地和開挖范圍，平面布局緊湊合理，主體泄水建筑物應(yīng)布置于河流的主流河槽，宜與水流方向正交布置，盡量減少對原河道的改變和過流影響，以免泄流對下游兩岸的沖刷。

3、閘（壩）型式對比

對于山區(qū)河流來說，承泄洪水流量大，防洪水位高，為避免閘（壩）上游壅水而引起的水面線抬高，傳統(tǒng)的砌石、混凝土等固定溢流壩型顯然不適合在城市景觀河流中建設(shè)。而對于傳統(tǒng)的水閘而言，由于流量大、河道寬，需要設(shè)置閘門的跨度很大，常規(guī)閘門已很難滿足這樣的條件，無論是直升式、臥倒式、橫拉式平板閘門或者弧形閘門，大部分門型單孔寬度都受到限制，閘墩數(shù)量設(shè)置較多，閘墩的阻水作用會(huì)直接造成壩上壅水，推高水面線，給兩岸的防洪造成較大的壓力，且為滿足高位洪水過境，大部分閘上結(jié)構(gòu)高度相對較高。同時(shí)還必須設(shè)置工作橋、維修廊道和啟閉機(jī)等輔助設(shè)備，增加了工程的投資。因此，此類活動(dòng)壩型式宜采用開敞式大跨度閘門或者可靈活開啟的活動(dòng)壩型。

針對山丘地區(qū)河流的水文泥沙特性，氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)與水力自控翻板閘門、液壓翻板閘門、液壓鋼壩（底軸驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)閘門）、橡膠壩、液壓升降壩五種壩型進(jìn)行技術(shù)比較。

3.1 氣動(dòng)盾形閘門與水力自控翻板閘門的比較

（1）氣動(dòng)盾形閘門無中間閘墩連接，水的流態(tài)較好，水力自控翻板閘門后設(shè)置有支承墩，有時(shí)為保護(hù)支承部件，翻板閘門前還設(shè)置有閘前防護(hù)墩，易卡塞和阻水，水流態(tài)較差；

（2）氣動(dòng)盾形閘門無需河道整理，不會(huì)造成河道淤積，不會(huì)被漂浮物、淤泥等卡阻，水力自控翻板閘易受淤沙或者漂浮物的影響而不能正常啟閉；

（3）氣動(dòng)盾形閘門密封性好，不易漏水；

（4）氣動(dòng)盾形閘門自身不阻水，完全倒伏、高效泄水，水力自控翻板閘門中間形成一道很厚的阻水面，影響泄洪斷面，受洪水沖擊；

（5）氣動(dòng)盾形閘門起伏狀態(tài)可控，不會(huì)因無預(yù)知的倒伏而造成下游危險(xiǎn)；水力自控翻板閘門由于其工作原理是利用水壓與自重平衡的作用，使門體自動(dòng)打開，不受人為控制，加上各種運(yùn)行時(shí)的阻卡不同，很難把控合宜的開門時(shí)間，閘門開門泄洪時(shí)往往會(huì)對下游造成突然性的洪峰，造成一定程度的破壞；

（6）氣動(dòng)盾形閘門無“拍打”現(xiàn)象，不會(huì)導(dǎo)致閘門壩坎結(jié)構(gòu)毀壞；水力自控制翻板閘門開門泄洪時(shí)翻板門體斜臥于水中，受復(fù)雜的門頂和門底高速水流的影響而產(chǎn)生“拍打”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)使閘門產(chǎn)生越來越大幅度的擺動(dòng)，以致不能控制，從而使閘門失衡，易導(dǎo)致閘門門坎等結(jié)構(gòu)的損壞，甚至使閘門、基礎(chǔ)全部破壞；

（7）氣動(dòng)盾形閘門理論高度可達(dá)到10m，目前已實(shí)施并良好運(yùn)行的工程實(shí)例已達(dá)到8m，跨度不受限制；水力自控翻板閘門理論高度不超過7m，需要設(shè)置中間支撐墩及門前防護(hù)墩，單扇閘門最大跨度一般不超過12m。

3.2 氣動(dòng)盾形閘門與液壓翻板閘門的比較

（1）氣動(dòng)盾形閘門以干凈空氣為動(dòng)力介質(zhì)，不存在液壓桿潤滑油污染；且氣袋材料為食品級，對作為飲用水的河道是安全的；

（2）氣動(dòng)盾形閘門不存在液壓驅(qū)動(dòng)的卡死點(diǎn)；

（3）氣動(dòng)盾形閘門即使在斷電時(shí)仍能手動(dòng)控制安全泄洪，不會(huì)造成安全事故；

（4）氣動(dòng)盾形閘門土建結(jié)構(gòu)比較簡單，無液壓啟閉設(shè)備所需的土建支承結(jié)構(gòu)；

（5）氣動(dòng)部件避免了液壓件的內(nèi)泄漏和外泄漏問題，內(nèi)泄漏會(huì)造成油缸動(dòng)作緩慢甚至不動(dòng)作，外泄漏會(huì)造成環(huán)境的污染；

（6）氣動(dòng)盾形閘門在河道較寬時(shí)，無需設(shè)置中間閘墩和維護(hù)廊道；

（7）氣動(dòng)盾形閘門理論高度可達(dá)到10m，目前已實(shí)施并良好運(yùn)行的工程實(shí)例已達(dá)到8m，跨度不受限制；液壓翻板閘門理論高度不超過7m，需要設(shè)置中間支承墩及防護(hù)墩，單扇閘門最大跨度一般不超過12m。

3.3 氣動(dòng)盾形閘門與液壓鋼壩（底軸驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)閘門）的比較

（1）氣動(dòng)盾形閘門埋件將總水壓力均勻分布到土建基礎(chǔ)上，安全性比較好；

（2）氣動(dòng)盾形閘門土建結(jié)構(gòu)工程量小且結(jié)構(gòu)相對簡單；

（3）氣動(dòng)盾形閘門門體由氣囊全截面支承，可減少閘門扭曲變形；

（4）基礎(chǔ)的不均勻沉降對氣動(dòng)盾形閘門的正常運(yùn)行影響較小，沒有底板不均勻沉降引起的底橫軸變形變位等問題，避免了因閘門卡阻而造成啟閉困難；

（5）氣動(dòng)盾形閘門不需要液壓啟閉設(shè)備，無機(jī)械用油，減少污染；

（6）氣動(dòng)盾形閘門在河道較寬時(shí)，無需中間閘墩和維護(hù)廊道；

（7）氣動(dòng)部件避免了液壓件的內(nèi)泄漏和外泄漏的問題，內(nèi)泄漏會(huì)造成油缸動(dòng)作緩慢甚至不動(dòng)作，外泄漏會(huì)造成環(huán)境的污染；

（8）氣動(dòng)盾形閘門理論高度可達(dá)到10m，目前已實(shí)施并良好運(yùn)行的工程實(shí)例已達(dá)到8m，跨度不受限制；液壓鋼壩（底軸驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)閘門）理論高度不超過7m，上、下游水位差不超過5，最大單扇閘門寬度不超過60m，超過60m后需要設(shè)置中墩支承墩。

3.4 氣動(dòng)盾形閘門與橡膠壩的比較

（1）氣動(dòng)盾形閘門理論壽命可達(dá)50年，可保證使用壽命30年，橡膠壩一般10-15年需要更換壩袋，使用壽命低，氣動(dòng)盾形閘門壽命遠(yuǎn)高于橡膠壩壽命；

（2）氣動(dòng)盾形閘門在閘門動(dòng)作時(shí)，僅有在閘門板下游邊緣會(huì)造成水流分離，因此不會(huì)發(fā)生卡門漩渦而引起的振動(dòng)；

（3）氣動(dòng)盾形閘門鋼面板與氣囊材質(zhì)不同，可有效減少共振；橡膠壩受水流泥沙沖刷易引起壩體振動(dòng)；

（4）氣動(dòng)盾形閘門充放氣時(shí)間短，一般10-30分鐘，可根據(jù)運(yùn)行使用要求進(jìn)行時(shí)間設(shè)定；橡膠壩運(yùn)行時(shí)充水升壩或放水塌壩時(shí)間較長，一般所需時(shí)間為2-3小時(shí)，影響快速泄洪或截流；

（5）氣動(dòng)盾形閘門安全性高；橡膠壩壩袋磨損快、易受漂浮物或機(jī)械刺傷；

（6）氣動(dòng)盾形閘門后期運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用較低，可靠性更高；橡膠壩使用壽命短，易老化，強(qiáng)度損失嚴(yán)重，后期運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用較高，可靠性較低；

（7）氣動(dòng)盾形閘門水位控制性能較好，穩(wěn)定而無危險(xiǎn)；

（8）氣動(dòng)盾形閘門理論高度可達(dá)到10m，目前已實(shí)施并良好運(yùn)行的工程實(shí)例已達(dá)到8m，跨度不受限制；橡膠壩理論高度不超過5m，單跨最大跨度一般不超過100m。

3.5 氣動(dòng)盾形閘門與液壓升降壩的比較

（1）氣動(dòng)盾形閘門以干凈空氣為動(dòng)力介質(zhì)，不存在機(jī)械元件的潤滑油污染；且氣袋材料為食品級，對作為飲用水的河流是安全的；

（2）氣動(dòng)盾形閘門不存在液壓及機(jī)械驅(qū)動(dòng)的卡死點(diǎn)；

（3）氣動(dòng)盾形閘門即使在斷電時(shí)仍能手動(dòng)控制安全泄洪，不存在斷電不能開門泄洪的情況，不會(huì)造成安全事故；

（4）氣動(dòng)盾形閘門土建結(jié)構(gòu)比較簡單，無液壓及支承桿所需要的土建結(jié)構(gòu)；

（5）氣動(dòng)部件避免了液壓缸等液壓部件的內(nèi)漏和外漏問題，內(nèi)漏造成油缸動(dòng)作緩慢或不動(dòng)作，外漏造成環(huán)境污染；

（6）氣動(dòng)盾形閘門理論高度可達(dá)到10m，目前已實(shí)施并良好運(yùn)行的工程實(shí)例已達(dá)到8m，跨度不受限制；液壓升降壩理論高度不超過5m，由于受液壓系統(tǒng)壓力及液壓泵站布置的影響等跨度一般不超過100m為宜。

4、壩型對比結(jié)論

通過對氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)與水力自控翻板閘門、液壓翻板閘門、液壓鋼壩（底軸驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)閘門）、橡膠壩、液壓升降壩等壩型進(jìn)行的綜合技術(shù)分析比較可知，橡膠壩和水力自控翻板閘（壩）雖然造價(jià)相對較低，但對山區(qū)河流而言，橡膠壩易受尖銳物刺傷，壩袋維修工作量大且影響正常蓄水、行洪，水力自控翻板閘（壩）易受水流拍打振動(dòng)失穩(wěn)，水流夾雜物易撞擊閘門或造成閘門卡阻，達(dá)不到啟閉自如的預(yù)期效果，且與同規(guī)模氣動(dòng)盾形閘門對比泄流量偏小。液壓鋼壩（底軸驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)閘門）缺點(diǎn)是土建結(jié)構(gòu)的施工精度要求高，重載驅(qū)動(dòng)軸的支承和連接、制造和安裝工藝要求高，劣質(zhì)水環(huán)境下的軸承材料和軸承結(jié)構(gòu)的制造加工技術(shù)要求高，對大跨度底軸驅(qū)動(dòng)閘門啟閉系統(tǒng)及其控制要求嚴(yán)格，底軸及側(cè)向止水制造、安裝要求高。氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)與液壓翻板閘門的比較除了水力自控翻板閘門的對比情況外，還有以干凈空氣為動(dòng)力介質(zhì)，不存在液壓桿潤滑油、液壓啟閉機(jī)液壓油等的污染，對作為飲用水的河道是安全的，不存在液壓驅(qū)動(dòng)的卡死點(diǎn)，即使在斷電時(shí)仍能手動(dòng)控制安全泄洪，不會(huì)造成安全事故等優(yōu)點(diǎn)。

從技術(shù)分析來看，氣動(dòng)盾形閘門作為城市景觀水利中的一種新型水閘，雖然其工程初期投資相對于其他活動(dòng)閘壩較高，但其具有跨度大、閘門擋水高度高、啟閉靈活、結(jié)構(gòu)可靠、抗沖刷、耐磨損、建筑造型美觀、人工景觀效果好、排冰、排冰效果好等一些獨(dú)特的優(yōu)勢，能更好的適應(yīng)山區(qū)的水文泥沙特性，在山區(qū)城市景觀水利工程建設(shè)中的應(yīng)用效果良好。

作者簡介：李云峰（1977—），男（漢族），貴州貴陽人，高級工程師，主要從事水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及咨詢工作

項(xiàng)目基金：貴州省水利科技項(xiàng)目：《氣盾壩技術(shù)應(yīng)用研究》科研課題，項(xiàng)目編號KT201301。