廣東省山區(qū)河流河道建筑物的選擇

陳廣洲,么振東

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 ,廣東 州 510635)

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廣東省山區(qū)河流河道建筑物的選擇

陳廣洲,么振東

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 ,廣東 州 510635)

通過對(duì)山區(qū)河流常見河道建筑物的類型、特點(diǎn)等進(jìn)行過流條件、施工條件、運(yùn)行管理、維護(hù)管理、水景觀及生態(tài)環(huán)保等方面分析論述,對(duì)各種河道建筑物形式在山區(qū)河流中的實(shí)用條件及選擇提出建議,結(jié)果說明以供河道建筑物設(shè)計(jì)參考。

山區(qū)河流；河道建筑物；建筑物形式

廣東省境內(nèi)水系發(fā)育、河流眾多。根據(jù)統(tǒng)計(jì),廣東省集雨面積在200～3 000 km2之間的干、支河流共262條,約80%屬于山丘區(qū)河流。山區(qū)河流流經(jīng)城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村,沿河兩岸居民為了生產(chǎn)、生活所需,修建了大量的河道建筑物,建筑物的作用是攔截江河,形成水面或壅高水位,用于供水、灌溉、發(fā)電[1]。對(duì)于河道整治來說,河道建筑物的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。在進(jìn)行河道建筑物設(shè)計(jì)時(shí),既要考慮建筑物的整體功能,同時(shí)還要考慮建筑物與周圍環(huán)境的融合性,從而選擇合適的建筑物形式,在實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益的同時(shí),實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益[2]。

1 河道建筑物類型分析

1.1 水陂

在山區(qū)中小河流中,水陂因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,施工方便,應(yīng)用極為廣泛,發(fā)揮著灌溉、引水、發(fā)電等功能。

傳統(tǒng)的水陂為實(shí)體堰,一般由混凝土、埋石混凝土、塊石等材料形成堰體,造型簡(jiǎn)單單調(diào),缺乏足夠的景觀效果。浙江省在河道治理中,根據(jù)河道所處的具體位置及河流特性,應(yīng)用國(guó)內(nèi)外的一些壩工先進(jìn)技術(shù),建成了一批實(shí)用、堅(jiān)固、經(jīng)濟(jì)的新型堰壩[3]。平陽(yáng)縣懷溪等小流域等根據(jù)需要在陂體上修建混凝土墩,與兩岸的步級(jí)連通,既方便兩岸村民出行,又避免建筑物的簡(jiǎn)單劃一,實(shí)例見圖1。云和縣安溪等小流域在混凝土陂體表面貼砌卵石或者直接采用卵石砌筑陂體,增加建筑物的觀賞性,提高人文氣息,實(shí)例見圖2。有些小流域治理將堰體設(shè)計(jì)成圓形、弧形等各種不同形狀,既保證防洪要求,又避免千篇一律,增加其景觀功能。

圖1 水陂工程照片(陂體上修建混凝土墩)

圖2 水陂工程照片(表面灌砌卵石)

1.2 翻板閘

翻板閘門能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制水位,主要用于在水庫(kù)、河流、蓄水池等處攔截或排泄水流。目前應(yīng)用最為廣泛的翻板閘門為水力自控翻板閘門。水力自控翻板門一般可用于替代平板提升閘門和弧形閘門,在廣東省懷集縣、廣寧縣、韶關(guān)市、茂名市、中山市、連平縣等水利水電工程中使用[4-6],在廣東省河道治理中也有不少工程實(shí)例,實(shí)例照片見圖3。

圖3 翻板閘工程照片

1.3 格柵壩

格柵壩的特點(diǎn)是攔、排兼?zhèn)?變實(shí)體重力壩的全部攔擋為部分?jǐn)r擋。與實(shí)體壩相比,格柵壩具有良好的攔石排水效果,受力條件好且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工周期短、工程費(fèi)用低、利于維護(hù)管理。格柵壩在防治泥石流災(zāi)害中應(yīng)用較多[7],在水利工程中也有運(yùn)用。清遠(yuǎn)連州市某小流域整治工程修建了格柵壩,實(shí)例照片見圖4。

圖4 格柵壩工程照片

1.4 橡膠壩

橡膠壩是用高強(qiáng)度合成纖維織物做受力骨架,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)將其充脹形成的袋式擋水壩。壩頂可以溢流,并可根據(jù)需要調(diào)節(jié)壩高,控制上游水位,以發(fā)揮灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、防洪、擋潮等效益。橡膠壩在河道整治中應(yīng)用較多[8],實(shí)例照片見圖5。

圖5 橡膠壩工程照片

1.5 氣動(dòng)盾閘

氣動(dòng)盾閘是綜合了傳統(tǒng)鋼閘門及橡膠壩優(yōu)點(diǎn)的一種新型閘門,一般由擋水板(強(qiáng)化鋼板)、埋件、壩袋(充脹氣囊)、抑制帶和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。壩袋支撐在擋水板下游側(cè),整個(gè)系統(tǒng)通過壩袋的充氣或排氣控制擋水板起伏。在壩袋放空的情況下,擋水板完全倒臥于河底。國(guó)內(nèi)在北京市新鳳河水環(huán)境處理工程中第一次運(yùn)用,于2006年8月投入運(yùn)行,近幾年運(yùn)行良好。貴陽(yáng)市南明河畔、清遠(yuǎn)市陽(yáng)山縣七拱河流域、江西會(huì)昌縣水利工程[9]也陸續(xù)應(yīng)用該新型閘門。實(shí)例照片見圖6。

圖6 氣動(dòng)盾閘工程照片

1.6 鋼壩閘

大跨度底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門是一種能夠?qū)崿F(xiàn)雙向擋水、靈活啟閉、閘門開度無(wú)級(jí)可調(diào)、方便調(diào)度、工程隱蔽、無(wú)礙防汛和通航,改善河道景觀的新型閘門,該研究成果是對(duì)大跨度閘門設(shè)計(jì)的重大突破。該成果已在上海市蘇州河河口水閘工程中得到應(yīng)用[10],運(yùn)行情況表明,閘門運(yùn)行正常,安全可靠,百米跨度底軸驅(qū)動(dòng)閘門的成功應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外尚屬首例,并陸續(xù)在州河?xùn)|引西排和西引北排綜合調(diào)水等工程中得到應(yīng)用。實(shí)例照片見圖7。

圖7 鋼壩閘工程照片

2 河道建筑物特點(diǎn)分析

各種河道建筑物均具備其各自的特點(diǎn),在河道整治工程中發(fā)揮其防洪、引水、灌溉、景觀效應(yīng),隨著社會(huì)的發(fā)展,治水理念的轉(zhuǎn)變,河道建筑物的形式、性能、運(yùn)行成本等也越來越受到重視,因此有必要對(duì)河道建筑物特點(diǎn)進(jìn)行分析論證。

2.1 過流條件分析

水陂由水陂高度控制河道過流,會(huì)對(duì)上游河道造成一定的雍水高度。格柵壩相對(duì)于水陂來說,可由預(yù)留閘孔排洪過流。翻板閘：當(dāng)上游位較低水重小于閘門自重時(shí),閘門關(guān)閉,形成溢流堰,洪水時(shí),上游水位較高水重大于閘門自重,形成泄洪通道,隨著水位的升高,閘門開度越大,直至閘門完全放平,相當(dāng)于開敞式水閘。橡膠壩：當(dāng)氣袋沖漲時(shí),形成溢流堰,洪水時(shí),氣袋坍塌,相當(dāng)于開敞式水閘,滿足行洪要求。氣動(dòng)盾閘,當(dāng)閘門全關(guān)時(shí),形成溢流堰,洪水時(shí),閘門全開,門體全部臥倒在河底,過流條件近似于天然河道,滿足行洪要求；特別是在洪水泛濫引發(fā)斷電時(shí),仍可靠通過排放氣袋內(nèi)空氣控制水位安全泄洪。鋼壩閘的過流條件同氣動(dòng)盾閘類似,啟閉閘門則是通過底軸傳導(dǎo)到兩端,兩端靠液壓?jiǎn)㈤]機(jī)推動(dòng)。

2.2 施工條件分析

氣動(dòng)盾閘、橡膠壩通過采用鋼板擋水板或橡膠壩袋等薄壁性結(jié)構(gòu),一般不需要中間閘墩、工作橋和安裝啟閉設(shè)備等結(jié)構(gòu),水下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,土建工程量少,可在既有地基上施工,且鋼板擋水板或橡膠壩袋等均為工廠制作、現(xiàn)場(chǎng)安裝,施工速度較快,工期短。氣動(dòng)盾閘可模塊化安裝,統(tǒng)籌好各單元位置后就可以獨(dú)立施工。橡膠壩為一體結(jié)構(gòu),安裝時(shí)必須考慮整體位置和左右岸余量等多種因素,而且壩袋自重較大,施工強(qiáng)度較大[11]。

翻板閘采用水力自控翻板門,一般不需要隔墩、啟閉設(shè)備等,翻板門需固定在支墩上,閘門之間用止水橡膠密封,閘門可現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制或工廠制作,但土建工程量較大,地基要求相對(duì)較高,施工難度相對(duì)較大,施工時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

鋼壩閘由帶固定軸的鋼閘門門體、啟閉設(shè)備等組成,一般不需要中間閘墩、工作橋,土建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,閘門為廠家預(yù)制,但閘門和啟閉設(shè)備笨重,制造周期長(zhǎng),安裝時(shí)需要大型起重設(shè)備。

2.3 運(yùn)行管理方面比較

氣動(dòng)盾閘、橡膠壩、鋼閘壩運(yùn)行管理方便靈活,均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制。氣動(dòng)盾閘通過控制閘門起伏,準(zhǔn)確迅速控制水位,避免上游水位變化過大,閘門起伏時(shí)間較短,約為30～40 min。橡膠壩通過氣袋充排水或氣,使其充坍,上游水位變化較大。一般時(shí)間較長(zhǎng),充水約為4～6 h,充氣約為1～2 h。鋼閘壩采用啟閉機(jī)啟閉,運(yùn)行速度可達(dá)1～2 m/min,一般不超過5 min即可完成升壩和塌壩，但啟閉設(shè)備操作比較復(fù)雜。翻板閘要維持翻板門的開啟狀態(tài)必須有一定動(dòng)水壓力,動(dòng)水壓力來自于上下游水位差和流速,不需要額外動(dòng)力及專人操控,管理方便安全、省人、省事、省時(shí)、省力。

2.4 維護(hù)管理方面比較

布魯斯(Bruce J.MacLennan)的自然計(jì)算探索為我們提供了重要借鑒。[9]為了彌補(bǔ)圖靈計(jì)算的不足——適用范圍的有限性，布魯斯轉(zhuǎn)向了包括生物學(xué)領(lǐng)域在內(nèi)的更大領(lǐng)域的計(jì)算概念的探索，他將這種計(jì)算稱之為“自然計(jì)算”(Natural Computation)。

氣動(dòng)盾閘氣袋支撐的鋼板可以完全保護(hù)氣袋避免被浮木、礫石、冰塊等雜物的破壞。使用過程中一旦某一單元出現(xiàn)問題,由于各單元擋板之間的連接拉力,依然能夠維持運(yùn)行,可以選擇合適的時(shí)間段進(jìn)行針對(duì)性的維修。

橡膠壩的氣袋使用壽命較短,3～7 a就需更換,特別是在氣溫高、陽(yáng)輻射強(qiáng)、日照充足的南方地區(qū),橡膠老化更快,上游帶尖的漂浮物易損壞橡膠壩體。生產(chǎn)運(yùn)行及維修成本高、管理不方便。使用過程中,當(dāng)壩袋出現(xiàn)較為輕微的破損,還可以通過定時(shí)補(bǔ)氣的方式維持運(yùn)行,但擋水高度將不可控；一旦出現(xiàn)較為嚴(yán)重的破損,則無(wú)法擋水,必須塌壩維修,在豐水期或汛期將影響使用。

水力自控翻板閘門所需要的維護(hù)工作主要是除銹刷漆和更換止水,通?？稍诳菟凇⒎趴丈嫌蔚男钏筮M(jìn)行,如果不具備放空條件的可使用檢修閘門作為臨時(shí)圍堰。

鋼壩閘的閘門使用壽命可達(dá)50～60 a,閘門運(yùn)轉(zhuǎn)件采用特殊復(fù)合材料,在水下運(yùn)行無(wú)需加潤(rùn)滑油,也不會(huì)銹蝕,但液壓設(shè)備維護(hù)麻煩,閘門龐大,運(yùn)行液壓設(shè)備耗電量偏大。

2.5 水景觀方面比較

氣動(dòng)盾閘的結(jié)構(gòu)形式如同杠桿,充脹氣囊提供擋板啟閉的力矩,擋板抬升形成擋水高度,可以通過改變氣囊氣壓調(diào)節(jié)控制不同擋水高度,形成良好的水景觀。

鋼壩閘門采用的是機(jī)械鎖定,可以調(diào)節(jié)閘門啟閉開關(guān)進(jìn)行多角度協(xié)調(diào),調(diào)節(jié)水位利用閘門門頂過水形成瀑布景觀,在河道內(nèi)枯季形成較大水面。

橡膠壩通過改變壩袋內(nèi)填充介質(zhì)的多少來調(diào)節(jié)壩高,不過高度可調(diào)但不可控。因此在壩高調(diào)整過程中壩面過水呈現(xiàn)不穩(wěn)定性和波動(dòng)性。水景觀效果不如氣動(dòng)盾閘。

水力自控翻板閘閘門開啟后如果要維持閘門的開啟狀態(tài),除需要一定的上游水位外,還必須有一定的上下游水頭差,否則必須用其它輔助措施,可以在翻板門上加裝輔助操縱裝置,滿足任意操縱的需要,造成良好的水景觀效果,這會(huì)增加工程投資。

2.6 生態(tài)環(huán)保方面比較

氣動(dòng)盾閘以壓縮干凈空氣作為啟動(dòng)的方法,不會(huì)造成水和周圍環(huán)境的污染,不存在液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的油泄露現(xiàn)象或啟閉時(shí)間延長(zhǎng)問題。氣袋材料采用食品衛(wèi)生級(jí)材料,保證了水質(zhì)安全。氣動(dòng)盾閘可分段獨(dú)立操作,可以形成魚道,不需要額外的工程措施來形成；能精確控制穩(wěn)定水位,不會(huì)造成暴漲暴落,影響河道兩岸水鳥生存環(huán)境。

橡膠壩本身不用機(jī)械用油,沒有污染水質(zhì)的問題。橡膠壩無(wú)法以本身的系統(tǒng)來建立魚道,須增加額外的工程措施來形成；橡膠壩的高度會(huì)隨著上下游水位震動(dòng),不能精確控制水位,可能會(huì)影響河道兩岸水鳥生存環(huán)境。

翻板閘、鋼壩閘的閘門、機(jī)械軸承必須要用機(jī)械用油潤(rùn)滑,在安裝時(shí)或保養(yǎng)及損壞后非常容易污染水質(zhì)和地域；無(wú)法以本身的系統(tǒng)來建立魚道,須增加額外的工程措施來形成；翻板閘會(huì)因?yàn)殚l門的突然動(dòng)作淹沒兩岸的水鳥巢,破壞大自然的生態(tài)。

3 河道建筑物適應(yīng)性分析

山區(qū)河流暴雨短時(shí)間內(nèi)即形成洪峰,時(shí)間短、強(qiáng)度大、突發(fā)性強(qiáng),暴雨頻繁、強(qiáng)度大、時(shí)段長(zhǎng),同時(shí)山區(qū)中小河流漂浮物較多、上游水保措施不到位導(dǎo)致河流泥沙含量較大,針對(duì)山區(qū)河流的特點(diǎn),對(duì)于河道建筑物的適應(yīng)性進(jìn)行初步分析,以供設(shè)計(jì)參考。

水陂、格柵壩由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,管理方便,常修建于有灌溉、發(fā)電需求的蓄水河道上,陂體高度通常維持在0.8～1.2 m左右,因此在山區(qū)河道對(duì)于行洪要求不大或者兩岸岸坡高度滿足防洪的要求,河道建筑物形式可采用水陂,降低施工難度及工程總體投資。對(duì)于已有的水陂建筑物,如不可拆除,可進(jìn)行加固或改造。建議設(shè)計(jì)過程中加強(qiáng)建筑物結(jié)構(gòu)形式的研究,注重建筑物造型的運(yùn)用,既滿足防洪要求,同時(shí)又具備景觀效果。

鑒于山區(qū)中小河流的漂浮物、泥沙較多,在山區(qū)中小河流治理中,不建議推薦采用翻板閘。如有必要采用,建議進(jìn)行充分論證,保證其可靠運(yùn)行。比如增設(shè)液壓等啟閉設(shè)備,建成后需加強(qiáng)管理,及時(shí)清除閘后樹頭等雜物等。

考慮到山區(qū)洪水歷時(shí)較短,洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)不完善,管理人員疏忽等因素都將會(huì)增加洪災(zāi)的幾率,建議可以但必須慎重使用橡膠壩。如使用,建議橡膠壩袋單跨長(zhǎng)度以在100 m以內(nèi)為宜；對(duì)存在漂浮物較多等問題的河段,單跨以在20～30 m為宜。

氣動(dòng)盾閘在行洪安全、景觀效應(yīng)、維護(hù)管理上都有較明顯的優(yōu)勢(shì)。氣動(dòng)盾閘為新型閘門,在廣東省應(yīng)用較少,因此氣動(dòng)盾閘的使用應(yīng)充分論證,慎重使用?？稍谟泄こ虒?shí)例驗(yàn)證后,如效果良好、經(jīng)濟(jì)可行的條件建議推廣使用。由于其技術(shù)專利等問題,部分部件需進(jìn)口,投資相對(duì)較高,建議加快國(guó)產(chǎn)化以降低設(shè)備造價(jià)。

鋼壩閘在廣東省尚屬于新型閘門,未有工程實(shí)例,因此,建議對(duì)其使用應(yīng)充分論證,慎重使用。

4 工程實(shí)例

陽(yáng)西縣七拱河治理工程列入廣東省山區(qū)五市中小河流實(shí)施范圍,七拱河為典型山區(qū)河流,河道建筑物多為陂頭、橋梁,治理過程中查勘、調(diào)查發(fā)現(xiàn)元譚陂阻水較為嚴(yán)重,設(shè)計(jì)過程中對(duì)現(xiàn)狀陂頭、翻板閘、氣動(dòng)盾閘等建筑物形式進(jìn)行比選,經(jīng)分析論證后選用40 m寬氣動(dòng)盾閘,同時(shí)保留剩余兩側(cè)陂體,目前該閘已建成擋水,但效果仍有待時(shí)間檢驗(yàn)。施工中的氣動(dòng)盾閘見圖8,建成后擋水的氣動(dòng)盾閘見圖9。

圖8 施工中的氣動(dòng)盾閘

圖9 建成后的氣動(dòng)盾閘

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(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Selection of River Building in Mountainous Area of Guangdong Province

CHEN Guangzhou, YAO Zhendong

(Guandong Hydropower Planning & Design Institute, Guangzhou 510635, China)

Types and features of common river constructions in mountainous areas have been discussed in terms of flow conditions, construction conditions, operation management, maintenance, water landscape and ecological environmental protection. And the practical conditions and selection of types of river constructions have been also suggested. As a result, the study can be provided as references for future river constructions design.

mountain river； river construction； types of construction

2016-05-10;

2016-06-18

陳廣洲(1979),男,碩士,高級(jí)工程師,主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。

TV22

B

1008-0112(2016)05-0073-05