鋼構(gòu)攔水壩在城市水生態(tài)建設(shè)中的應用進程與技術(shù)經(jīng)濟比較

趙月芬，李凱旋，王 湛，閆永生，耿曄晗，劉 杰

（中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048）

1 研究背景

水利工程結(jié)合生態(tài)環(huán)境建設(shè)，是當前解決河流生態(tài)環(huán)境的需求，也是未來發(fā)展的必然趨勢。自古以來，水利工程主要以修建堤壩、水閘、溢洪道等不同類型的水工建筑物為主，實現(xiàn)防洪、供水、灌溉、水力發(fā)電、調(diào)整河勢等功能。傳統(tǒng)的水利工程往往給生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)帶來了不利影響，現(xiàn)代水利工程的建設(shè)不僅要實現(xiàn)傳統(tǒng)的功能，還要結(jié)合當代生態(tài)治水理念，考慮到凈化環(huán)境、涵養(yǎng)水源、服務生產(chǎn)、景觀效益、休閑娛樂等多方面的需求，實現(xiàn)恢復生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，體現(xiàn)人水和諧，提升精神文明層次，保證城市的可持續(xù)發(fā)展。

攔水壩作為水利工程中關(guān)鍵的組成部分，在河流治理和生態(tài)文明建設(shè)中起著不可或缺的作用，有利于改善河道生態(tài)環(huán)境、提升河道水資產(chǎn)、傳播城市河道水文化等。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，以及對水資源高效利用的要求，在滿足擋水、蓄水、泄洪的基本功能前提下，擋水建筑物型式不再局限于常規(guī)的閘門型式，出現(xiàn)了大量具有生態(tài)、景觀功能的大跨度、低水頭且設(shè)計新穎、造型獨特的攔水壩，廣泛應用于城市河道治理工程，常見的類型有：橡膠壩和鋼構(gòu)攔水壩，鋼構(gòu)攔水壩又包括升臥式閘門、氣動盾形閘、鋼壩閘、液壓升降壩及合頁活動壩。型式多種多樣，如何根據(jù)工程實際，從技術(shù)、經(jīng)濟、景觀融合等角度出發(fā)，合理選擇閘型，對于實際應用具有重要的意義。

2 鋼構(gòu)攔水壩的應用進程

在城市河道治理發(fā)展的初期，最先被廣泛應用的是橡膠壩，其具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、技術(shù)要求不高等優(yōu)點。橡膠壩最早于1960年代被引入中國，首座建于1966年，位于北京市右安門南護城河上［1］。隨著時間的發(fā)展，橡膠壩的缺點也暴露無遺，壩袋易老化破壞且易被尖銳物刺破，升壩或者放壩時間過長，影響了快速截流和泄洪，給行洪安全帶來隱患，且壩高受到限制，枯水期壩袋也影響景觀。于是鋼構(gòu)攔水壩應運而生［2］，其克服了橡膠壩的缺點，而且結(jié)構(gòu)形式簡單、安全可靠、加工安裝方便，不僅保證了安全行洪的可靠，能通過壩頂過流形成瀑布，形成一道靚麗的風景，符合當前生態(tài)水利的理念。

升臥式閘門是由提升式平面閘門發(fā)展改進而來，提升式平面閘門是最早出現(xiàn)的鋼構(gòu)攔水壩，是由美國F.G.M斯托尼發(fā)明。首座于1883年，位于愛爾蘭，單扇閘門尺寸高4.4 m，寬8.9 m，共四扇閘門，安裝在橋墩之間，用來蓄水。20世紀初期，歐洲、美國、埃及以及印度等國大量興起，并發(fā)展了多種形式［3］。我國直到20世紀50、60年代才引進應用。直升式平板閘門［4］的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、閘室短又適合用井柱樁和分離式閘底板。但是其機架橋的排架高達六、七米，造價較高，遇上大的地震或者臺風，安全無保證。如1966年河北省邢臺地區(qū)發(fā)生6.9級地震時，震中附近的直升式平板閘門的機架橋、排架多數(shù)都被震毀。隨后改進發(fā)展的升臥式閘門被廣泛應用［5］，如河北省廊坊市東張務節(jié)制閘、貴州大七孔電站溢洪道升臥式平板鋼閘門、廈門馬鸞海堤開口改造工程、河北省灤河遷安市段生態(tài)防洪工程等［6-8］。

氣動盾形閘門最初由美國OHI公司進行研發(fā)，1990年代自美國問世以來，在世界范圍內(nèi)得到了大力的推廣和應用，如美國的Friant壩和Horseshoe壩、新西蘭的Ophua壩及冰島的Rarik壩，累計建設(shè)達200多座。我國于2005年后開始引進并推廣。初期，由于系統(tǒng)相關(guān)核心技術(shù)需要美國專利技術(shù)，價格昂貴，國內(nèi)市場僅十余座［9］。但近兩年，主要部件已實現(xiàn)國產(chǎn)化，市場應用增幅明顯，如北京新鳳河、清河氣動盾形閘工程、吉林市松花湖人工濕地溢流閘工程、貴州德江玉龍湖氣動閘項目等。目前，最高的氣動盾形閘門于2013年建于貴陽南明河上，4座規(guī)模相同，各寬60 m，高度達到8 m［10］。最長跨度的氣動盾形閘門于2015年建于山東淄博，跨度長達100 m，高3 m［11］。

鋼壩閘是2007年正式開發(fā)出來并應用于實際工程。目前，國內(nèi)建成的此類閘門工程有數(shù)百座，如重慶市銅梁區(qū)巴川河防洪工程、北京黑河溝水環(huán)境治理工程、德?？h城區(qū)防洪治澇工程、北京萬泉河治理工程等［12-15］。鋼閘壩在遼寧省應用較早，應用案例較多，自2008年新民縣新開河上修建了第一座鋼壩閘至今，遼寧省已修建30余座鋼壩閘，壩高多在1.5～4.0m，壩寬多在10～60 m［16］。國內(nèi)外應用中第一個跨度達到100 m的工程建于上海蘇州河河口，中間建有中墩［17］。目前單孔閘門寬度最大達到60 m，建于2011年，位于湖北鄖西。山東省內(nèi)首例最大規(guī)模建于2015年，位于山東淄博，設(shè)計擋水高度5.5 m，單孔凈寬27 m［18］。

液壓升降壩是2006年自安徽池州發(fā)展并應用于工程實際。截止2016年，國內(nèi)已經(jīng)建成投運300多座，目前發(fā)展趨勢迅猛，年建可達百余座，如石家莊彩色弧形壩工程、山西高平彩色弧形閘工程、浙江省紅浦江千秋橋項目工程、北京豐臺弧形液壓壩工程［19-20］。此類壩，最高壩高達到5 m，建于2009年，位于湖南炎陵，壩長為38 m，共7扇［21］。最長壩長為240 m，建于2016年，位于遼寧海城市，壩高為 4 m［22］。

合頁活動壩是2012年自北京發(fā)展的新型攔水壩。目前，國內(nèi)已建成百余座，如布爾哈通河安圖城區(qū)段河道治理工程、小凌河濱河新市鎮(zhèn)生態(tài)示范段工程、濟寧市引水入城南躍進溝提水站工程等［23-25］，此類閘門也已經(jīng)在東南亞孟加拉、泰國等國外得到大力推廣應用。目前，最長合頁活動壩建于2014年，位于緬甸梅澤利，長261m。最高的合頁活動壩建于2017年，位于貴州銅仁，壩高5 m。在東北寒冷地區(qū)，2014～2016年在吉林省敦化市牡丹江干流建設(shè)完成6座，壩高2 m，壩長為56～23 m的合頁活動壩，配備冬季自動退冰功能，在寒冷地區(qū)河道中應用優(yōu)勢明顯。

3 鋼構(gòu)攔水壩的技術(shù)經(jīng)濟分析

3.1 鋼構(gòu)攔水壩的構(gòu)造（1）升臥式閘門適合于水位較高的工況，單扇閘孔寬一般不超過8 m，需要建造多個閘墩。其結(jié)構(gòu)包括門體、機架橋、啟閉機工作橋、主臥、吊耳、止水裝置等［26］，見圖1。門體材質(zhì)一般為鑄鐵結(jié)構(gòu)。機架橋較高，用以保證啟閉機的運行距離。其主臥一般采用懸臂式主輪，吊耳安裝在門底靠近下主梁的上游面，當閘門開啟時，啟閉機通過吊耳向上提升門體到一定高度時，上、下主輪即分別沿弧形軌道、反向軌道滾動，閘門逐漸升高，最終平臥在斜向軌道上［27］。其驅(qū)動系統(tǒng)主要有固定卷揚式啟閉機、螺桿式啟閉機、液壓啟閉機，目前，國內(nèi)應用最多的是液壓啟閉機，因其布置簡單、適應性強、體積小、附屬土建簡單。國內(nèi)部分企業(yè)已經(jīng)研發(fā)了機電液一體化的新型液壓啟閉機集成式啟閉機，并得到推廣。

圖1 升臥式平板閘門

（2）氣動盾形閘門是一種將傳統(tǒng)水工鋼閘門和橡膠壩結(jié)合的新型攔水壩。適合攔蓄高度0.5～10 m，單扇盾形閘門門體及橡膠氣袋可以最長達到10 m，多扇門體并排形成攔水壩，主要由門體、橡膠氣袋、埋件結(jié)構(gòu)、止水、氣動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成［28］，見圖2。門體一般為弧形鋼板，倒伏式覆蓋氣袋。橡膠氣袋在門體的下游面，氣袋內(nèi)層為聚酯纖維強化的合成橡膠，中層為單體合成橡膠，外層為抗臭氧、抗侵蝕的混合物橡膠。通過角度傳感器監(jiān)測起伏角度，控制對橡膠氣袋充氣或排氣過程，推動門體的起伏，實現(xiàn)控制閘門的開度［29］，下游側(cè)的合成橡膠抑制帶，一端與門體結(jié)構(gòu)固定，另一端與基礎(chǔ)底板固定，防止下游水位較高或者風力作用下，門體向上游翻轉(zhuǎn)傾倒。埋件結(jié)構(gòu)預先固定在河床上，將門體面板與土建基礎(chǔ)地面相連。夾鑄具將氣袋和鉸鏈蓋板壓在角形埋件上，氣袋楔形開口一邊被壓緊，固定密封，壓緊的鉸鏈蓋板與鋼閘門底軸相連，保證門體結(jié)構(gòu)沿底軸旋轉(zhuǎn)。止水選用高分子聚乙烯材質(zhì)的閘墩板，門體分節(jié)處采用條形橡皮，壓板固定進行止水。

圖2 氣動盾形閘門

（3）鋼壩閘是一種整體式的新型液壓驅(qū)動的鋼閘門，適合攔蓄高度1～7 m，單扇閘門最長可達60 m，超過60 m的寬度后需要建設(shè)中墩及獨立的啟閉機房［32］。主要由帶固定軸的門體、拐臂、啟閉設(shè)備、控制系統(tǒng)、止水結(jié)構(gòu)等組成［30］，見圖3。門體為T型主縱梁、型鋼橫向次梁組合焊接而成的主框架鋼結(jié)構(gòu)，門體下端與底軸之間用螺栓連接，底軸結(jié)構(gòu)采用穿墻裝置，用以保證底軸的旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動拐臂固定在底軸的兩側(cè)，上端與各自對應的液壓伸縮桿連接，液壓啟閉機與支座連接，支座內(nèi)的鎖定裝置與驅(qū)動拐臂相連，利用鎖定裝置鎖定，利用液壓啟閉設(shè)備轉(zhuǎn)動懸臂結(jié)構(gòu)實現(xiàn)壩面起伏。止水結(jié)構(gòu)材質(zhì)為一般選用“Π”形橡皮。其控制系統(tǒng)一般為PLC控制，系統(tǒng)中會預留遠程通訊和變頻安裝空間接口。當停電或者其他故障時，應急手動油泵裝置可實現(xiàn)手動操作，保證閘門可靠運行。

（4）液壓升降壩是采用液壓伸縮桿與鎖定支撐桿配合直推弧形壩面實現(xiàn)擋水的新型攔水壩，適合攔蓄高度1.5～6 m，單扇閘門標準寬度為6 m，多扇壩面并排布置，獨立運行，形成攔水壩。主要由門體、液壓驅(qū)動機構(gòu)、支撐桿結(jié)構(gòu)、電控組成［33］，見圖4。門體結(jié)構(gòu)一般為鋼筋混凝土外包鋼板。底部用鉸鏈軸將面板固定在混凝土底板基礎(chǔ)上，壩面起伏通過門體背部的液壓伸縮桿大角度直頂門體實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，折疊支撐桿結(jié)構(gòu)用于固定門體的駐壩位置。止水結(jié)構(gòu)一般選用橡膠。其控制系統(tǒng)一般也可以實現(xiàn)PLC控制及遠程控制，實現(xiàn)一控多管。

圖3 鋼壩閘

圖4 液壓升降壩

（5）合頁活動壩是將“液壓三鉸點變幅運動機構(gòu)原理”與傳統(tǒng)水閘優(yōu)化結(jié)合形成的攔水壩結(jié)構(gòu)，該壩多扇閘門并排布置，獨立運行，適合攔蓄水深1～6 m。主要由門體、止水、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成，見圖5。門體組件均為鋼材質(zhì)，門體間止水選用P型止水橡膠，門體通過其獨有的“整體式”底鉸支座與埋件、液壓伸縮桿連系成一體，將門體、液壓伸縮桿精準定位，安裝快捷且精度高。通過內(nèi)設(shè)液壓控制系統(tǒng)，利用壩體背部的2支液壓缸的伸縮，小角度推動壩面繞底軸在一定角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)升壩擋水，利用壩體自重及水重無動力降壩［34］?？刂葡到y(tǒng)包括PLC手動控制、自動控制及遠程控制，還可實現(xiàn)對合頁壩運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。

圖5 合頁活動壩

3.2 鋼構(gòu)攔水壩的結(jié)構(gòu)比較主要包括3個部分。

（1）土建結(jié)構(gòu)。這5種壩型除了閘室底板結(jié)構(gòu)區(qū)別較大以外，其他土建結(jié)構(gòu)包括中墩、邊墩、上下游翼墻、護坡、防滲墻、消力池和海漫等結(jié)構(gòu)基本一致。其中鋼壩閘中墩一般做成中空閘室作為啟閉機房，氣動盾形閘、液壓升降壩、合頁活動壩可不設(shè)置中墩。

（2）閘體結(jié)構(gòu)。閘體結(jié)構(gòu)均采用鋼面板形式，略有區(qū)別。其中，鋼壩閘和合頁活動壩門體結(jié)構(gòu)一般采用弧形或平面鋼制面板，升臥式閘門門體結(jié)構(gòu)一般為平面鋼板，氣動盾形閘門門體結(jié)構(gòu)一般為薄壁弧形鋼板，迎水側(cè)設(shè)肋板加強。鋼質(zhì)面板均可在門體下游設(shè)置挑水、放水孔等滿足景觀及生態(tài)模擬需求。液壓升降壩一般采用鋼筋混凝土外包鋼板結(jié)構(gòu)。

（3）驅(qū)動及控制系統(tǒng)。氣動盾形閘門采用氣動裝置充排氣袋驅(qū)動門體旋轉(zhuǎn)，其他4種鋼構(gòu)壩均采用液壓控制系統(tǒng)，驅(qū)動原理和結(jié)構(gòu)有所不同。升臥式閘門利用液壓啟閉機向上提升門體，帶動門體沿軌道運動最終橫臥在水面之上。鋼壩閘利用液壓伸縮桿驅(qū)動兩側(cè)與門體底軸相連的拐臂結(jié)構(gòu)，帶動門體旋轉(zhuǎn)。液壓升降壩采用液壓伸縮桿大角度直頂門體旋轉(zhuǎn)，鎖定支撐桿進行門體限位。合頁活動壩采用液壓伸縮桿小角度直頂帶動門體旋轉(zhuǎn)并限位。每種壩型都能實現(xiàn)手動控制、自動控制及遠程控制，用以保證行洪安全。

3.3 鋼構(gòu)攔水壩的技術(shù)經(jīng)濟比較對這5種壩型的地基要求、土建工程量及安裝難度、運行使用、生態(tài)景觀、主要缺點及造價進行對比［35-36］。

3.3.1 地基要求、土建工程量及安裝難度對比 見表1。

表1 地基要求、土建工程量及安裝難度對比

3.3.2 運行使用對比 溢流深度一般都不允許超過30～50 cm。超過50 cm以后，會對壩體結(jié)構(gòu)安全造成一定隱患，且視覺上景觀效果較差。以100 m寬，2 m高鋼構(gòu)攔河壩為例，主要運行使用參數(shù)對比見表2。

3.2.3 生態(tài)景觀對比 見表3。

3.3.4 主要缺點及造價對比 見表4。

4 結(jié)論

綜上所述，5類鋼構(gòu)攔水壩在地基要求、土建工程量及安裝難度，運行使用，生態(tài)景觀方面都有不同的優(yōu)勢和各自的劣勢，這就需要在應用時，根據(jù)工程實際情況，避重就輕，選擇合適的鋼構(gòu)攔水壩來進行使用。

（1）升臥式閘門具有閘體較高且結(jié)構(gòu)堅固的特點，尤其適用于對擋水高度要求較大、簡易船閘和河岸式溢洪道工程的工作閘門河道地區(qū)；不適合于跨度大、漂浮物多及景觀要求高的河道。

（2）鋼壩閘采用一體化門體結(jié)構(gòu)，水景觀效果好，價格較高，適用于雨量充沛的南方、洪水漲落快速的山區(qū)及城市景觀河道，尤其適用于巖石基礎(chǔ)河床較窄的河道及要求快速開閘泄流的河道；不適合于寬闊河道、地基基礎(chǔ)條件差或需要頻繁啟閉門體沖砂排漂的河道和震級高或投資受局限的地區(qū)。

（3）氣動盾形閘門具有的環(huán)保生態(tài)性及對能效要求不高的特點，尤其適用于城市河流梯級開發(fā)和通電不利的山區(qū)河流，也適用于地基基礎(chǔ)條件差，震級高的地區(qū)；不適用于要求需要頻繁啟閉門體沖砂排漂的河道，或季節(jié)性斷流河道且對水景觀要求較高的地區(qū)。

（4）液壓升降壩具有分區(qū)且價格較低的特點，適用于雨量充沛的南方、洪水漲落快速的山區(qū)河道；不適用于冬季寒冷或者泥沙含量大的河道及對景觀要求高的地區(qū)。

（5）合頁活動壩具有隱藏式支撐和冬季壩前自動破冰的特點，適用于雨量充沛的南方、洪水漲落

快速的山區(qū)及城市景觀河道，尤其適用于結(jié)冰期無除冰裝置的北方寒冷地區(qū)及漂浮物和泥沙沉積較多的河道；不適合于坡降比較大，水流湍急的陡峭河道。

表2 運行使用參數(shù)對比

表3 主要景觀生態(tài)參數(shù)對比

（6）目前，只有升臥式閘門已應用約50年，其他新型閘門的起步較晚，對于使用年限，都僅限于理論計算年限，最長應用時間不過10年左右，需要隨著時間的推移，進一步驗證使用年限。

（7）鋼構(gòu)攔水壩技術(shù)在國內(nèi)尚無設(shè)計規(guī)范可循，其結(jié)構(gòu)計算方法、質(zhì)量檢測、評定等內(nèi)容還需要進一步研究和實例檢驗。

表4 主要缺點及造價對比