氣動(dòng)浮體壩在河道整治中的應(yīng)用研究

陳華勇，羅 明，胥宗強(qiáng)

（中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌，330029）

1 項(xiàng)目背景

布城水為龍河下游右岸支流，發(fā)源于江西省宜春市袁州區(qū)柏木鄉(xiāng)楊柳坡，自南向北流經(jīng)園嶺、坳背、布城、楊家坊，于萬載縣湘贛大橋上游50m處附近匯入龍河。流域面積35.1km2，河道全長12.7km，主河道縱比降4.36‰。布城水水系整治段位于萬載縣南部新城行政中心、宜萬同城的窗口區(qū)域，地理位置十分重要。

為改善中心城區(qū)的水景觀，需要新建壅水壩體維持景觀水位。同時(shí)，為節(jié)約工程后期運(yùn)行及維護(hù)成本，需要采用啟閉簡便、不影響行洪安全、壩前淤積量少，且動(dòng)力清潔的生態(tài)壩型。

2 氣動(dòng)浮體壩介紹

氣動(dòng)浮體壩主要包括弧形鋼門葉、支架、蓋板、支座、浮體框架結(jié)構(gòu)，以及氣動(dòng)控制系統(tǒng)兩部分。氣動(dòng)浮體壩最關(guān)鍵的部件主要安裝于堰壩預(yù)留水槽內(nèi)的固定位置，并由支架和支座等構(gòu)件連接著堰體，在發(fā)揮擋水與泄洪作用過程中，圍繞支座，閘門在預(yù)留槽軌道內(nèi)來回運(yùn)動(dòng)，以有效發(fā)揮擋水泄洪作用。在擋水過程中，閘門通過氣動(dòng)系統(tǒng)對(duì)浮箱充氣，待浮箱內(nèi)水完全排出后借助浮力實(shí)現(xiàn)閘門的整體上浮，起到擋水作用；泄洪過程中，開啟放氣閥門，借助閘門的重力作用排出浮箱內(nèi)氣體，水進(jìn)入浮箱導(dǎo)致閘門下沉，達(dá)到泄洪的目的[1]。

氣動(dòng)浮體壩將浮體力學(xué)基本原理與水工建筑物結(jié)構(gòu)優(yōu)勢有機(jī)結(jié)合，工作過程中不污染水體，放壩速度較快，抗洪水沖擊力強(qiáng)。閘門氣動(dòng)控制系統(tǒng)型式靈活而操作便捷，既能通過人工進(jìn)行閘門控制，也可以通過傳感器進(jìn)行無人化操作，且對(duì)于各種流域河道環(huán)境普遍適用[2]。

氣動(dòng)浮體壩具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）閘門運(yùn)行簡單，維護(hù)工作量較?。唬?）閘門沒有啟閉框架或高出堰壩的支撐墩，建設(shè)周期短；（3）中墩寬1m左右，基本可以維持河道的自然寬度泄洪；（4）以低壓（空氣壓力p＜0.3MPa）壓縮空氣作為動(dòng)力傳遞介質(zhì)，安全隱患小，不污染水體；（5）閘門運(yùn)行過程平穩(wěn)，無噪音。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程地質(zhì)

場址地面高程一般為87.00～88.00m（黃海高程，下同），據(jù)地勘斷面鉆孔揭露，地層巖性自上而下分布為耕植土（Q4pd）、粉質(zhì)粘土（alQ4）、細(xì)砂（alQ4）、灰?guī)r（Ktbn1）。壩基底板設(shè)計(jì)高程內(nèi)分布粉質(zhì)粘土、細(xì)砂和中風(fēng)化灰層，其厚度較大，內(nèi)外延伸好，物理力學(xué)性質(zhì)較好，為良好地基土層。

3.2 壩型結(jié)構(gòu)及布置

由于布城水坡降大，河水含砂量大，如采用傳統(tǒng)的混凝土實(shí)用堰，勢必造成泥沙淤積以及后期的管養(yǎng)維護(hù)困難等問題[3]。采用活動(dòng)壩體方案、有氣動(dòng)浮體壩和臥倒式升降壩可供選擇。

氣動(dòng)浮體壩位于左岸邊墩與右岸邊墩之間，由5孔（單孔凈寬10m×1+6m×4）氣動(dòng)浮體閘門、2個(gè)邊墩和4個(gè)中墩組成，溢流凈寬34.0m，堰頂高程83.50m，閘基置于細(xì)砂和中風(fēng)化灰層。氣動(dòng)浮體壩平、縱面如圖1、圖2所示。堰體及閘墩鋼筋混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C25，二期混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30[4]。

圖1 氣動(dòng)浮體壩平面布置圖（單跨）

圖2 氣動(dòng)浮體壩縱斷面布置圖

臥倒式升降壩由3孔（單孔凈寬11m）臥倒式鋼閘門、2個(gè)邊墩和1個(gè)中墩組成，溢流凈寬33.0m，堰頂高程83.50m，閘基置于細(xì)砂和中風(fēng)化灰層上。堰體及閘墩鋼筋混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C25，二期混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30[4]。

3.2.1 泄流能力比較

升降壩和氣動(dòng)浮體壩主要參數(shù)對(duì)比見表1。根據(jù)氣動(dòng)浮體壩與升降壩金屬結(jié)構(gòu)的特征，升降壩單跨最大寬度可達(dá)50m，氣動(dòng)浮體壩單跨最大寬度可達(dá)100m。按34m的泄水寬度進(jìn)行泄水閘壩布置，氣動(dòng)浮體壩共設(shè) 5 孔，溢流凈寬 34m（10m×1+6m×4）；升降壩共設(shè) 3孔，單孔凈寬11m，溢流凈寬33m。經(jīng)泄流能力計(jì)算，20年一遇洪水時(shí)，升降壩壅高0.382m，氣動(dòng)浮體壩壅高0.102m。

表1 各閘壩型式主要參數(shù)對(duì)比表

3.2.2 擋水高度比較

為增大泄水閘泄流能力，工程布置時(shí)應(yīng)盡量降低堰頂高程，故閘門擋水高度應(yīng)盡可能加大。從擋水高度來看，兩種壩型均可達(dá)6m，差別不大。

3.2.3 工程布置比較

從工程布置來看，由于啟閉機(jī)房位于閘墩中，升降壩在擋水高度為3m時(shí)，中墩、邊墩寬度均需4.0m，閘墩過寬影響行洪和其他建筑物布置。氣動(dòng)浮體壩閘墩寬度僅需1m左右即可滿足金屬結(jié)構(gòu)的布置要求，對(duì)河道行洪和其他建筑物布置影響小。經(jīng)泄流能力計(jì)算，兩種壩型工程布置均能滿足要求，但氣動(dòng)浮體壩閘墩小，同等泄流能力條件下泄流凈寬較小，其他樞紐建筑物布置時(shí)可利用更多河床寬度，故從工程布置角度看，氣動(dòng)浮體壩略優(yōu)于升降壩方案[5]。

3.2.4 工程運(yùn)行比較

從工程運(yùn)行角度來看，氣動(dòng)浮體壩啟動(dòng)完全依靠自然浮力原理，操作簡單，且可以在斷電情況下開啟閘門，日常維護(hù)工作量小[6]。臥倒式升降壩依靠液壓啟動(dòng)，液壓啟閉設(shè)備需進(jìn)行經(jīng)常性維護(hù)和檢修。在閘壩長期運(yùn)行后，升降壩經(jīng)常有樹枝雜物卡住門板，造成管護(hù)維修困難。故從工程運(yùn)行角度來看，升降壩液壓啟閉系統(tǒng)需進(jìn)行經(jīng)常性維護(hù)和檢修；氣動(dòng)浮體壩基本不需要進(jìn)行日常維護(hù)，運(yùn)行管理簡單[7-8]。

3.2.5 工程投資比較

兩種壩型主要工程量見表2，從工程投資來看，氣動(dòng)浮體壩方案土建工程量較大，金屬結(jié)構(gòu)投資稍大，總投資比升降壩方案多82萬元，升降壩略優(yōu)于氣動(dòng)浮體壩方案。

表2 兩種壩型主要工程量對(duì)比表

3.3 壩型比較結(jié)論

氣動(dòng)浮體壩從泄水能力和工程布置等角度都具有一定優(yōu)勢，臥壩行洪時(shí)，20年一遇洪水位時(shí)壅高比升降壩低0.28m。從運(yùn)行方式看，氣動(dòng)浮體壩利用浮力啟閉，利用壓縮機(jī)進(jìn)行充排氣驅(qū)動(dòng)，更加符合生態(tài)治河、低碳治河的理念；從投資角度看，固定投入氣動(dòng)浮體壩高于升降壩82萬，但后期管護(hù)少，運(yùn)行費(fèi)用少，故投資可控。經(jīng)綜合比較，本次推薦氣動(dòng)浮體壩。

4 結(jié) 語

（1）氣動(dòng)浮體壩運(yùn)行方便，利用自然浮力原理，利用壓縮機(jī)進(jìn)行充排氣啟閉，在河道整治中，比較適合作為低水頭的壅水建筑物；

（2）氣動(dòng)浮體壩采用完全的活動(dòng)壩體，洪水來時(shí)壩體可全部臥倒，因此對(duì)行洪安全基本沒有影響，并有效避免了泥沙淤積等造成的后期管護(hù)難的問題。

（3）氣動(dòng)浮體壩工程實(shí)例應(yīng)用較少，還需在推廣應(yīng)用過程中進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。