兩當(dāng)縣翻板壩改造液壓壩工程設(shè)計(jì)

孟沖沖

（西安景天水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司，陜西 西安 710000）

1 區(qū)域概況

兩當(dāng)縣位于甘肅省東南部、隴南東北部，地處陜甘川交界的秦嶺山區(qū)，北靠天水，西鄰徽縣，東南二面與陜西省寶雞、漢中相連。轄6 鎮(zhèn)6 鄉(xiāng)，118 個(gè)行政村，兩當(dāng)縣總戶數(shù)17238 戶，總?cè)丝?.95 萬人，其中農(nóng)業(yè)人口3.2746 萬人，非農(nóng)業(yè)人口1.6754 萬人（截止2020年）。全縣總面積1408 km2，其中山區(qū)面積占95.27%，川壩面積占4.73%。耕地面積17.65 萬畝，農(nóng)民人均4.77 畝。南北為深山林區(qū)，中部為淺山丘陵區(qū)，呈馬鞍狀。海拔最高2738 m，最低773 m，是典型的山區(qū)農(nóng)業(yè)縣。

兩當(dāng)河屬于嘉陵江一級支流，發(fā)源于天水市北道區(qū)利橋鄉(xiāng)西南部的九道拐南麓，源地最高海拔高程1960m，河流自北向南流經(jīng)寬潭溝入境，至兩當(dāng)縣河口匯入嘉陵江，流域南北長75km，東西寬4.62 km，流域面積347km2，干流縱坡平均坡降8.3‰，河槽為單式斷面，河寬45 m～105 m，河床均為砂卵石覆蓋層，主河槽縱坡大、水流急，彎道較多。

2 翻板壩改造原因

兩當(dāng)縣縣城兩當(dāng)河上目前建有6 座翻板壩，均為攔蓄來水，抬高水面用景觀壩。6 座翻板壩于2008年～2013年修建，運(yùn)行時(shí)間在10年左右。目前部分翻板壩擋水面板整齊度較差，無法有效攔截上游來水形成景觀水面，大量水流通過面板錯(cuò)縫流入下游，景觀效果差。由于水流長期沖刷，結(jié)構(gòu)老化，部分結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，無法依靠水流完成自我啟閉。目前，翻板壩后面設(shè)置有手拉葫蘆配合拉索控制閘門啟閉，操作難度大，啟閉時(shí)間慢，且閘門容易被上游大型物體卡塞而無法啟閉，防洪隱患突出。

翻版壩下游消能設(shè)施經(jīng)過長期運(yùn)行，局部出現(xiàn)了破損，原設(shè)計(jì)消力池下游籠石護(hù)坦被沖毀，消力池尾坎基礎(chǔ)外露，運(yùn)行安全受到威脅。

翻板閘門是根據(jù)杠桿原理設(shè)計(jì)的，當(dāng)上游水位超過閘門頂部20 cm 時(shí)，閘門開始啟動(dòng)，就是閘門板繞支墩上的支點(diǎn)向背水面翻轉(zhuǎn)，啟動(dòng)翻轉(zhuǎn)的前提是閘門板上部水位壓力超過閘門板下部壓力，才開始啟動(dòng)翻轉(zhuǎn)，而且是隨著上游來水量越來越大的時(shí)候閘門傾斜（開啟）的角度越來越大，直至全開。這是由水力自控翻板閘門的特性決定的。如果上游沒有來水，或者來水很小，達(dá)不到閘門啟動(dòng)水位的要求，閘門就無法打開，需要開啟閘門必須使用手拉葫蘆才可開啟。這種閘門管理起來極不方便。

1）閘門啟動(dòng)或打開后容易卡垃圾，卡阻垃圾后閘門無法關(guān)嚴(yán)，行洪安全存在巨大隱患。

2）閘門開啟后整體阻水，實(shí)際行洪能力相較于寬口堰來比只有一半的行洪能力，無法快速對城區(qū)河道庫區(qū)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)或行洪。

3）需要放空庫區(qū)時(shí)，必須采用人工的方法用手拉葫蘆才可以打開閘門，非常麻煩，而且極不安全。

4）經(jīng)過一次汛期后，閘門整體漏水量較大。側(cè)面橡膠水封較容易損壞。

5）建于城區(qū)，背部支墩較突兀，和城市景觀不盡協(xié)調(diào)。

鑒于以上問題，需對現(xiàn)狀翻板壩進(jìn)行維修改造處理，采用挖機(jī)直接拆除原翻板閘門的支墩、交通橋、支腿、門板、金屬構(gòu)件等所有構(gòu)件至堰頂高程，采用車輛運(yùn)至可以傾倒的地方。再采用水鉆機(jī)（鉆孔取樣機(jī)）按照設(shè)計(jì)圖紙對基礎(chǔ)面進(jìn)行放樣鉆孔，修建啟閉可靠、管理方便、美觀的新型液壓壩。

3 改造壩型選擇

液壓升降壩力學(xué)結(jié)構(gòu)科學(xué)、不畏泥沙淤積，不懼漂浮物影響；部分面板微降即可快速沖掉上游漂浮物，恢復(fù)清澈水面；降壩迅速，確保汛期行洪安全；結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，抗洪水沖擊能力強(qiáng)，克服了傳統(tǒng)活動(dòng)壩型的主要缺陷，兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)壩型的主要優(yōu)點(diǎn)；立壩時(shí)，美觀如鋼壩閘，可實(shí)現(xiàn)瀑布景觀；塌壩時(shí)，緊貼壩基如橡膠壩，行洪暢通無阻；自動(dòng)放壩時(shí)像翻板閘，實(shí)現(xiàn)任意高度擋水；堅(jiān)固耐用似普通水閘，此技術(shù)在2011年水利部、財(cái)政部召開的中小河流治理工作會上進(jìn)行了推介。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)對景觀的需求，結(jié)合現(xiàn)場地形、地質(zhì)條件等條件，在不影響河道行洪安全前提下初步擬定采用常規(guī)液壓桿升降壩、底軸鋼壩和撐桿聯(lián)動(dòng)液壓閘門三種壩型進(jìn)行方案比較，三種液壓升降壩對比見表1。

表1 常用液壓壩型式比較

①常規(guī)液壓壩采用液壓油缸加液壓鎖后直接支撐，這種閘門油缸疲勞支撐，壽命不太長久，最短的就是蓄水后幾天就撐不住，長的也有6年左右的，但普遍反映就是撐不住，閘門容易下滑。

②底軸鋼壩是依靠底軸的扭曲力來工作的。油缸驅(qū)動(dòng)安裝在岸墻兩邊控制房內(nèi)的拐臂，拐臂與底軸連接，依靠底軸的扭曲力實(shí)現(xiàn)閘門板的上翻擋水，下翻行洪。

底軸鋼壩景觀漂亮，行洪能力強(qiáng)。已經(jīng)在國內(nèi)的水利工程中得到廣泛應(yīng)用。但在使用多年后，底軸鋼壩也出現(xiàn)了嚴(yán)重的質(zhì)量問題：穿墻孔的位置極易滲漏、無法可靠鎖定、解鎖困難、閘門板往一邊傾斜變形、油缸不同步造成閘門扭曲損壞、基礎(chǔ)的沉降造成底軸卡死、在咸水環(huán)境下使用容易銹蝕卡死等。而且底軸鋼壩需要較大的基礎(chǔ)，成本造價(jià)高，工程區(qū)翻板壩基礎(chǔ)良好，但仍無法作為底軸鋼壩使用，需拆除重建。

③撐桿聯(lián)動(dòng)液壓壩是依靠閘門的啟閉油缸即可實(shí)現(xiàn)閘門的升降、鎖定、解鎖功能的液壓壩。撐桿聯(lián)動(dòng)液壓壩的出現(xiàn)解決了早期液壓壩所存在的問題。

撐桿聯(lián)動(dòng)液壓壩的工作原理是利用支撐桿的上部和液壓油缸的活塞桿頭部連接在一起，并形成一個(gè)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，擋水閘門板靠在聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，閘門板上設(shè)有不同高度的卡點(diǎn)。當(dāng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的油缸開始伸出時(shí)，活塞桿推動(dòng)支撐桿往迎水面方向驅(qū)動(dòng)，最終支撐桿頭部卡入門板上的卡點(diǎn)時(shí)，閘門實(shí)現(xiàn)鎖定，閘門所受到的水推力全部作用在支撐桿上，油缸泄壓不工作。當(dāng)需要打開閘門時(shí)，只要把油缸的活塞桿縮回即可實(shí)現(xiàn)，支撐桿頭部設(shè)有滾動(dòng)軸承，非常容易脫離閘門板上的卡點(diǎn)。開門和關(guān)門變得非常容易。

綜上所述，從翻板壩基礎(chǔ)再利用、結(jié)構(gòu)運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)合理和美觀等角度考慮，本次選用撐桿聯(lián)動(dòng)液壓壩對現(xiàn)狀翻板壩進(jìn)行改造。

4 翻板壩改造施工

1）閘門基礎(chǔ)面施工方法

原翻板閘更換為撐桿聯(lián)動(dòng)液壓閘門，設(shè)計(jì)對原底板進(jìn)行開挖。采用挖機(jī)直接拆除原翻板閘門的支墩、交通橋、支腿、門板、金屬構(gòu)件等所有構(gòu)件至堰頂高程，采用車輛運(yùn)至可以傾倒的地方。再采用水鉆機(jī)（鉆孔取樣機(jī)）按照設(shè)計(jì)圖紙對基礎(chǔ)面進(jìn)行放樣鉆孔，達(dá)到需要的安裝尺寸。一扇閘門需要2 個(gè)鉸座預(yù)留孔和一個(gè)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)預(yù)留孔。直至符合新型閘門安裝的要求。水鉆機(jī)取出來的混凝土廢料采用運(yùn)輸車輛運(yùn)出河道并傾倒。

單扇閘門開挖鉸座2 處，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)孔一處。2.88m 高的閘門鉸座預(yù)留孔一般長寬高均為70 cm，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)預(yù)留孔一般深120 cm、寬160cm、長度180cm。單扇閘門開挖量約3.8m3。原翻板閘門支墩安裝面下游側(cè)（跌水處）設(shè)有0.2 m×0.4 m 油管鋪設(shè)位置，油管焊接試壓后二期砼振搗回填。對溢流堰堰面外觀存在混凝土砂漿剝落、石子裸露碳化等現(xiàn)象，對破損的混凝土及已碳化部分的混凝土鑿除表面碳化層，用丙乳水泥砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，如混凝土碳化深度超過保護(hù)層厚度改成丙乳混凝土修補(bǔ)。

液壓油管鋪設(shè)置各液壓閘孔堰面尾部，至控制房一側(cè)側(cè)墻時(shí)，沿側(cè)墻鑿開的凹槽向上鋪設(shè)，油管至路面再到管理房，連于管理房內(nèi)的液壓站，將油管試壓合格后，堰面油管槽由二期C30 砼澆筑平順，要求隱蔽美觀。

2）側(cè)墻的施工方法

本工程為老壩改造項(xiàng)目，為盡量減少開挖成本利用原有老壩基礎(chǔ)進(jìn)行改造，原有側(cè)墻已經(jīng)施工完成，河道行洪斷面已經(jīng)固定，拆除原來側(cè)墻不現(xiàn)實(shí)，但原來側(cè)墻不符合新型液壓閘門的要求，需要對原有側(cè)墻進(jìn)行改造。

將原側(cè)墻采用人工鑿毛，拆除翻板閘門側(cè)面止水突兀部分，保證新型閘門活動(dòng)區(qū)間側(cè)墻整體平整。再進(jìn)行二次粉刷，粉刷完成后確保平整、垂直，確保新型閘門翻轉(zhuǎn)活動(dòng)范圍內(nèi)距離一致，不擱碰。再采用2mm 的不銹鋼板涂刷結(jié)構(gòu)膠后張貼即可。為保證不銹鋼板不脫落，需要在一張不銹鋼板上打孔不少于4 個(gè)Φ12 的孔，不銹鋼板張貼到側(cè)墻上后用沖擊鉆在不銹鋼板開孔位打入鉚釘，再用不銹鋼焊條焊死，打磨平整即可。

3）控制房

①離閘門越近越好，室內(nèi)面積不少于15m2，室內(nèi)高度高于2.3m。門寬不少于1.5 m，室內(nèi)要放置泵站（長×寬×高：1.5 m×1.2 m×1.2 m）、控制系統(tǒng)（長×寬×高：0.9m×0.4m×1.7m）、監(jiān)控設(shè)備、閘門維修工具、備品備件等。如果需要備用發(fā)電機(jī)組，建議控制房再做大一點(diǎn)，發(fā)電機(jī)組單獨(dú)設(shè)計(jì)一間與其他設(shè)備隔離開相互間有透明玻璃窗戶、有門、要求隔音、對外通風(fēng)。

②控制房需具備防風(fēng)、防雨、防雷、防盜的功能。位置宜高，不被洪水淹到?？刂品砍l門方向有透明窗戶，在控制房內(nèi)能觀察到閘門。

③接入電源380 V 動(dòng)力電源不少于50 kW，實(shí)際用電15 kW～22kW，墻面上預(yù)留一個(gè)空氣開關(guān)，設(shè)備進(jìn)場后接入開關(guān)即可。

④汛期如果需要專業(yè)管理人員值班，可以設(shè)計(jì)管理間。6 條壩建議至少設(shè)計(jì)一間是有管理人員休息室、洗漱室的生活功能較完善的較大的房子。

⑤考慮和整個(gè)環(huán)境協(xié)調(diào)性，由設(shè)計(jì)人員選擇適合的建筑風(fēng)格及裝修。

由于工程區(qū)翻板壩兩側(cè)已經(jīng)進(jìn)行了綠化改造處理，控制房修建需破壞拆除部分綠化和硬化設(shè)施，每座壩側(cè)需拆除約20 m2的已成設(shè)施。

4）閘門安裝

閘門安裝簡述：所有金屬構(gòu)件在工廠內(nèi)完成。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際，按照設(shè)計(jì)安裝圖紙進(jìn)行實(shí)地放樣，統(tǒng)一鉸座的預(yù)埋深度高程，將鉸座埋件逐一放入預(yù)埋孔內(nèi)，找正位置校準(zhǔn)并進(jìn)行初步固定，然后復(fù)查位置尺寸的準(zhǔn)確性，澆注二期混凝土將鉸座完全固定；同樣的方法將聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)座調(diào)整固定并澆筑，焊接油管試壓后連接油缸，使聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的支撐桿可以在油缸的作用下上下自如。再將閘門板按照安裝的順序堆放在合適位置；逐一將閘門板吊到相應(yīng)位置，并安裝門板軸，校正門板的位置，初步安裝完成，等待調(diào)試；安裝止水橡膠；初步調(diào)試；蓄水試驗(yàn)；再次調(diào)試；運(yùn)行后最終調(diào)試。

測量：單扇閘門為5.2 m（含橡膠止水件），側(cè)墻止水帶與第一鉸座的間距為1 m，每扇閘門鉸座與鉸座之間的間距為1.5 m，依次測量放樣。鉸座的埋深為0.7 m，鉸座與聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的距離為1 m，以上尺寸誤差不得超過0.2cm。

在鉸座預(yù)留孔上安裝鉸座。根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整鉸座尺寸位置，用鋼筋焊接加以固定等待二期砼的澆筑。經(jīng)復(fù)核鉸座位置尺寸正確，再進(jìn)行二期砼的澆筑、振搗、保養(yǎng)。

吊裝聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)座。根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)座尺寸位置，用鋼筋焊接加以固定等待二期砼的澆筑。經(jīng)復(fù)核聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉸座位置尺寸正確，再進(jìn)行二期砼的澆筑、振搗、保養(yǎng)。

焊接油管路并試壓，連接油缸。

在場用16 t 或以上噸位起重機(jī)把門板等金屬構(gòu)件吊到汽車上，并且用鋼絲繩進(jìn)行固定，汽運(yùn)的方式把預(yù)制構(gòu)件運(yùn)至大壩，再用吊車把門板放置在鉸座上，并進(jìn)行穿軸固定。

橡膠安裝，在橡膠件上劃出要進(jìn)行鑿眼的部位，然后進(jìn)行鑿眼，把橡膠件和底止水門板用鍍鋅螺桿進(jìn)行連接，每扇閘門的底止水門板有25 個(gè)連接眼，進(jìn)行調(diào)試緊固。側(cè)止水橡膠和門板用熱鍍鋅螺桿進(jìn)行連接，每扇閘門的側(cè)止水門板單邊有16 個(gè)連接眼，進(jìn)行調(diào)試緊固。

調(diào)試并蓄水試運(yùn)行。

5 結(jié)語

兩當(dāng)河是貫穿兩當(dāng)縣的唯一河流，在縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用。由于現(xiàn)有河道翻板壩工程行洪威脅大，運(yùn)行年代久遠(yuǎn)，無法確保正常穩(wěn)定運(yùn)行，一旦發(fā)生大洪水時(shí)，將會影響整個(gè)縣城的的防洪安全。實(shí)施本次翻板壩改造液壓壩工程，不僅可以保證縣城防洪安全問題得到解決，同時(shí)可以美化縣城環(huán)境，為居民提供生態(tài)宜居的生活、生產(chǎn)環(huán)境。同時(shí)對項(xiàng)目所在地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)也有重要意義，保全了生物的多樣性，為水陸棲息生物提供了生長空間和棲息地。