蔡金麗 孟建發(fā)

（太原市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 太原 030002） （河北省石津灌區(qū)管理局 石家莊 050000）

鋼壩閘
——一種新型擋水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

蔡金麗 孟建發(fā)

（太原市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 太原 030002） （河北省石津灌區(qū)管理局 石家莊 050000）

鋼壩閘作為一種新型的擋水結(jié)構(gòu)，克服了橡膠壩容易被尖銳物刺破、易老化、充塌壩時(shí)間長(zhǎng)影響行洪等不利條件，是一種新型可調(diào)控溢流閘門，啟閉簡(jiǎn)單，使用維護(hù)便利，非常適用于北方多泥沙河流的擋水蓄水工程，近年來(lái)得到了較多的應(yīng)用。

鋼壩閘 橡膠壩 擋水 結(jié)構(gòu)原理

1 引言

在水利水電建設(shè)中，隨著城市用水、景觀建設(shè)及環(huán)境整治和灌溉、發(fā)電工程的需要，翻板閘、水閘和橡膠壩得到廣泛的運(yùn)用。近年來(lái)，由于橡膠壩具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、可按需要調(diào)節(jié)水位、操作靈活、節(jié)省鋼材、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于水利水電工程建設(shè)中。尤其是其壩體能自由充脹和塌縮、蓄泄控制自如，以及跨度大、景觀協(xié)調(diào)性好、壩頂可溢流等諸多特點(diǎn)，使橡膠壩在防洪河道治理及城市生態(tài)景觀建設(shè)中得到了更為廣泛的應(yīng)用。

然而，橡膠壩也有其自身的弱點(diǎn)，由于橡膠壩是由高分子合成材料聚合而成，壩袋容易被尖銳物刺破，長(zhǎng)期在室外環(huán)境中壩袋易老化，同時(shí)運(yùn)行時(shí)充水（充氣）升壩或放水（放氣）塌壩時(shí)間較長(zhǎng)，影響快速截流或泄洪，給河道行洪帶來(lái)一定的安全隱患?，F(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)閘門，無(wú)論是提升式水閘還是臥倒式翻板閘，由于受閘門自重和提升設(shè)備的限制，單孔孔徑都很小，加之上部啟閉設(shè)備復(fù)雜，很難適應(yīng)城市河道景觀美化的要求。

鋼壩閘既克服了傳統(tǒng)鋼閘門孔徑小、啟閉設(shè)備復(fù)雜等缺點(diǎn)，又克服了橡膠壩易老化、塌立壩速度慢等缺點(diǎn)，是一種新型可調(diào)控溢流閘門。它由帶固定軸的鋼閘門門體、液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備和配套土建結(jié)構(gòu)工程等組成。這種建筑物適合于閘孔較寬（10～100m）而水位差比較?。?～7m）的工況，由于它可以設(shè)計(jì)得比較寬，可以省掉數(shù)孔閘墩，因此不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單美觀，而且可以立門蓄水，臥門行洪排澇，適當(dāng)開(kāi)啟調(diào)節(jié)水位，還可以利用閘門門頂過(guò)水，形成瀑布的景觀效果（見(jiàn)圖1）。

圖1 鋼坎閘景觀

2 鋼壩閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

2.1 工作原理

鋼壩閘不同于以往的鋼閘門，它是由底部帶固定軸，并與鋼閘門門葉鉚接在一起組成，閘門的啟閉靠埋設(shè)于兩側(cè)邊墩內(nèi)的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到使閘門立門蓄水、臥門行洪排澇的目的。它在擋水時(shí)還可以適當(dāng)調(diào)節(jié)一定開(kāi)啟角度來(lái)調(diào)節(jié)水位，同時(shí)可以利用閘門門頂過(guò)水，形成瀑布的景觀效果。

鋼壩閘是一種特殊結(jié)構(gòu)的水閘型式，它沒(méi)有底門槽和側(cè)門槽，是門葉圍繞底軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。上游止水壓在圓軸上，當(dāng)門豎起或倒下時(shí)，止水不離圓軸的表面，始終保持密封止水狀態(tài)；側(cè)止水固定在門的兩側(cè)，采用“Π”形止水形式，依靠橡皮止水與側(cè)墻的擠壓力達(dá)到止水的目的。閘門臥倒時(shí)，止水面始終不離開(kāi)側(cè)胸墻（不銹鋼埋件），因此不會(huì)造成側(cè)漏水，也不會(huì)影響鋼壩閘門的開(kāi)啟和關(guān)閉。

2.2 鋼壩閘的啟閉設(shè)備

傳統(tǒng)的閘門啟閉機(jī)有卷?yè)P(yáng)式和螺桿式兩種，這兩種啟閉機(jī)不僅外形復(fù)雜，不能滿足景觀要求，安裝也極不方便，需要大量的土建支持和許多輔助設(shè)施。

鋼壩閘的突出優(yōu)點(diǎn)就是采用了集成式啟閉機(jī)。這是一種新型的機(jī)電液一體化的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，通過(guò)液壓桿的平行移動(dòng)帶動(dòng)鋼壩閘底軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成閘門的啟閉（見(jiàn)圖2）。它只需要簡(jiǎn)單的預(yù)埋就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，既達(dá)到了其他啟閉形式無(wú)法達(dá)到的景觀效果，也減少了工程投資額，更為將來(lái)極少的維護(hù)減少了許多管理工作。

2.3 配套土建工程

鋼壩閘所需配套土建工程與一般水閘大致相同，有鋪蓋段、底板段、消力池段等。其中底板為臺(tái)階式，將轉(zhuǎn)軸置于設(shè)計(jì)底板高程以下，以便閘門在臥倒時(shí)與底板面齊平，有利于河道泄洪、排沙。由于底止水和側(cè)止水與常規(guī)水閘設(shè)置不同，所以不需設(shè)底門槽和側(cè)門槽，邊墩與啟閉機(jī)室布置為一體。鋼壩閘相對(duì)于一般水閘的突出優(yōu)點(diǎn)就是它能適用于跨度較大的河道，其單孔閘孔寬度可50～60m，因此其中墩設(shè)置較少，對(duì)河床的束窄率低，能滿足河道泄洪要求。

3 鋼壩閘主要優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)水閘和橡膠壩，鋼壩閘無(wú)論是從結(jié)構(gòu)型式還是美觀實(shí)用上，都有著諸多優(yōu)點(diǎn)：

圖2 鋼壩閘啟閉設(shè)備

a.從美觀和安全適用情況來(lái)看，常規(guī)水閘由于受啟閉設(shè)備的限制，單孔尺寸一般都不超過(guò)10m，這樣不僅需要設(shè)置很多的中墩，土建工程增加，而且對(duì)河道行洪和美觀上都有一定的影響。橡膠壩克服了以上缺點(diǎn)，但是橡膠壩壩袋易被尖銳物刮破，且其充塌壩時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于北方季節(jié)性河道來(lái)說(shuō)，一是洪水期河道內(nèi)夾雜的大石塊或樹(shù)枝等較多，壩袋容易被刮破，二是塌壩時(shí)間長(zhǎng)（約30~80min左右），容易對(duì)防洪留下隱患。同時(shí)橡膠壩還存在被人為造成破壞、被漂浮物刺破、壩體振動(dòng)磨損、壩與兩岸的磨損、火災(zāi)等諸多隱患。鋼壩閘很好地解決了上述幾方面的問(wèn)題，剛性的門體本身就具有較強(qiáng)的堅(jiān)硬性，不易被損壞，而且鋼性閘門采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，運(yùn)行速度可達(dá)1~2m/min，經(jīng)計(jì)算不超過(guò)2min即可完成開(kāi)閘和閉閘，可有效地保證突發(fā)洪水時(shí)能及時(shí)泄洪。

b.從使用耐久性來(lái)看，鋼壩閘的設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)50~60年，當(dāng)前國(guó)際上最長(zhǎng)壽命的閘為近百年。而橡膠壩10~15年就必須更換一次壩袋。

c.從運(yùn)行可靠性上分析，橡膠壩一般須建一座供氣站或抽排水泵房，管路多且復(fù)雜，而鋼壩閘門僅僅配套二臺(tái)集成式啟閉機(jī)，該種啟閉機(jī)是一種新型啟閉機(jī)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，無(wú)需油管、泵站等附屬設(shè)施，另外該啟閉機(jī)配備了手動(dòng)裝置，操作力只需50N，可以有效保證塌壩時(shí)能塌壩、立壩時(shí)能立壩，安全性極高。

d.從運(yùn)行能耗上來(lái)看，100m長(zhǎng)的鋼壩閘只需要4臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，每臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的額定最大功率為15kW。100m的鋼壩閘用電負(fù)荷量只需60kW·h左右，每次升壩時(shí)間約為2～3min；而100m橡膠壩的用電負(fù)荷量最少要在100kW·h左右，每次升壩時(shí)間約為3～6個(gè)h或更長(zhǎng)。因此鋼壩閘比橡膠壩可節(jié)省相當(dāng)大的用電量。

e.從管理上看，鋼壩閘操作簡(jiǎn)單，僅需配備一兩名運(yùn)行維護(hù)人員，還可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制，相比橡膠壩可大大減少運(yùn)行管理人員。

f.在冬季運(yùn)行的問(wèn)題上，鋼壩閘可以輕松安全地度過(guò)冬季，一般情況下鋼壩閘的蓄水位比橡膠壩高幾十厘米，所以到了冬季，將鋼壩閘傾斜一定角度，此時(shí)若結(jié)冰，冰層可以沿著斜角向上延伸，從而有效地釋放冰的膨脹力，這樣鋼壩閘不會(huì)受到任何破壞。另外由于鋼材本身的堅(jiān)硬特質(zhì)，每年春天的凌汛均可以完全在壩頂泄洪。而橡膠壩根據(jù)實(shí)際使用情況，冬季一旦結(jié)冰就必須做好刨冰工作，否則將對(duì)橡膠壩造成致命的損壞，而刨冰工作完全依靠人工完成，既耗時(shí)又耗力，且給管理帶來(lái)極大的不便。到春天解凍時(shí)，冰凌不能在橡膠壩上溢流，結(jié)實(shí)而鋒利的冰塊很可能把橡膠壩劃破。

3.2 缺點(diǎn)

鋼壩閘的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在門體需要耗費(fèi)大量的鋼材，一次性投資較大。橡膠壩工程（含土建及泵站工程）擋水高度3m時(shí)，每延米投資約4.8萬(wàn)元，同樣情況下鋼壩閘每延米投資約8萬(wàn)元，高于橡膠壩工程。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼壩閘作為一種新型的擋水結(jié)構(gòu)，克服了橡膠壩容易被尖銳物刺破，易老化，充塌壩時(shí)間長(zhǎng)影響行洪等不利條件，是一種新型可調(diào)控溢流閘門，可以立門蓄水、臥門行洪排澇，啟閉閘門靠隱藏在邊（中）墩的液壓設(shè)備，啟閉簡(jiǎn)單，適當(dāng)開(kāi)啟可以調(diào)節(jié)水位，還可以利用閘門門頂過(guò)水，形成瀑布的景觀效果，非常適用于北方多泥沙河流的擋水蓄水工程。

由于鋼壩閘為一新興的事物，目前還沒(méi)有國(guó)家統(tǒng)一設(shè)計(jì)規(guī)范，生產(chǎn)廠家也較少，據(jù)了解其底部采用的滾軸國(guó)內(nèi)還不能生產(chǎn)，只能從德國(guó)進(jìn)口，但考慮到其與橡膠壩相比有諸多優(yōu)點(diǎn)，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著鋼壩閘技術(shù)的日臻成熟，鋼壩閘的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。