張 玉 海

(黃山風(fēng)景區(qū)防汛抗旱指揮部，安徽 黃山 245899)

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液壓升降壩在山區(qū)景觀河道中的應(yīng)用

張 玉 海

(黃山風(fēng)景區(qū)防汛抗旱指揮部，安徽 黃山 245899)

在分析幾種蓄水建筑物優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)山洪溝治理中山區(qū)景觀河道的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種弧形面板液壓升降壩，并用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，計(jì)算表明該種壩型是安全可靠的。

山區(qū)景觀河道，山洪溝治理，液壓升降壩，弧形面板

0 引言

為提高山洪溝兩岸城鎮(zhèn)、集中居民點(diǎn)等防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)，有效減輕人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,與已建設(shè)的山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)和群測(cè)群防體系相結(jié)合，形成防護(hù)區(qū)相對(duì)完善的山洪災(zāi)害防治的工程措施與非工程措施體系，全面提高我國(guó)山洪災(zāi)害防御能力和水平。國(guó)家防汛抗旱總指揮部自2013年開始開展對(duì)直接威脅城鎮(zhèn)、集中居民點(diǎn)的山洪溝進(jìn)行工程治理。并出臺(tái)了《重點(diǎn)山洪溝防洪治理項(xiàng)目建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)》，要求所采取的工程措施布置應(yīng)重視防沖、消能和坡腳防護(hù)。

在指導(dǎo)意見(jiàn)中提出在滿足以人為本，保障安全的前提下，實(shí)現(xiàn)人水和諧，注重生態(tài)。在傳統(tǒng)的治理思路中，只是被動(dòng)的加固兩岸的護(hù)岸或者對(duì)兩岸護(hù)坡進(jìn)行硬質(zhì)化以保持河流的全時(shí)段暢通來(lái)提高河流的防洪能力。但是由于山區(qū)河道比降大，暴雨集中并且強(qiáng)度大，匯流時(shí)間短，水流速度快，河道沖刷嚴(yán)重；而且洪水來(lái)得快，去得也快，枯水期往往造成河床的裸露，進(jìn)一步加劇了河床的剝蝕與風(fēng)化。因此，在山區(qū)河道中，尤其在河道比降大，沖刷嚴(yán)重的景區(qū)河段在不影響河道行洪的前提下，進(jìn)行一定程度的蓄水，形成水墊，既能減緩洪水對(duì)河道的沖刷，又能夠營(yíng)造一定的景觀。

1 蓄水建筑物的選擇及設(shè)計(jì)

1.1 蓄水建筑物的選擇

山區(qū)河道洪水來(lái)勢(shì)快，流速大，要求選用的蓄水建筑物集擋水、泄水功能于一體，同時(shí)盡量降低對(duì)河道行洪的不利影響，開啟方便快捷，且不易減縮河道行洪斷面。工程中常用的低水頭蓄水建筑物主要有液壓升降壩、常規(guī)水閘、橡膠壩、水力自動(dòng)翻板壩、固定溢流壩等形式。

采用固定溢流壩將對(duì)行洪斷面產(chǎn)生影響，加大堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)，而且淤積問(wèn)題比較難解決；采用弧形門、平板鋼閘門等等常規(guī)閘門，雖然泄流能力大、運(yùn)行調(diào)度靈活，可以通過(guò)閘門調(diào)度渲泄各種頻率的洪水，但是金屬結(jié)構(gòu)及土建工程量較大，上部需設(shè)置啟閉設(shè)備和啟閉機(jī)房，且高于河岸，對(duì)河道景觀影響較大。綜合景觀和防洪的要求，山區(qū)河道的蓄水建筑物宜選用活動(dòng)壩，國(guó)內(nèi)常用的活動(dòng)壩型有：液壓升降壩、橡膠壩、水力自動(dòng)翻板壩。

橡膠壩緊貼河床不阻水，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壩體跨度大、自重輕、抗震性能好，美觀。但山區(qū)河道洪水尖銳漂浮物多，壩袋易被漂浮物或尖銳物損壞；且洪水來(lái)勢(shì)兇猛，洪水期坍壩調(diào)度與蓄水難以協(xié)調(diào)，運(yùn)行管理難度較大。

水力自動(dòng)翻板壩能根據(jù)水位自行調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，施工期短，管理運(yùn)行簡(jiǎn)單快捷。但山區(qū)河道洪水尖銳漂浮物多，泥砂含量大，翻板閘門易被漂浮物卡塞或上游淤積不能自動(dòng)翻板；洪水過(guò)后，翻板門再關(guān)上時(shí)易被異物卡住，導(dǎo)致大量漏水；上游漂浮物無(wú)法清理，使河道臟亂等。

液壓升降壩不怕泥砂淤積；不受漂浮物影響；壩間無(wú)須建設(shè)支墩，放倒的壩面沉入河底，不阻水；在損失極小水量的情況下，就能很容易地沖掉上游的漂浮物，使河水清澈；放壩快速，不影響防洪安全，特別適合雨量充沛的南方及洪水漲落快速的山區(qū)；結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠，抗洪水沖擊能力強(qiáng)。

綜上所述，液壓升降壩克服了傳統(tǒng)活動(dòng)壩的所有缺點(diǎn)，保留了三種活動(dòng)壩的所有優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比較高。

1.2 液壓升降壩方案設(shè)計(jì)

常規(guī)的液壓升降壩面板多為直線形，只有蓄水高度小于3 m的時(shí)候才可以選用弧線面板，而山區(qū)河道比降大，為了保證一定深度的蓄水，需要的壩高往往超過(guò)3 m，為了適用于這種比降大的山區(qū)景觀河道，設(shè)計(jì)了一種壩高超過(guò)3 m的弧形面板液壓升降壩。

根據(jù)弧形液壓升降壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作條件，分析其結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。弧形液壓升降壩在工作時(shí)的最不利工況常出現(xiàn)在上游高水位和下游無(wú)水時(shí)的情況，此時(shí)液壓升降壩受力最大(見(jiàn)圖1)。在結(jié)構(gòu)分析中取單寬進(jìn)行計(jì)算。

壩面水平水壓力：

(1)

壩面垂直水壓力：

(2)

液壓桿支撐力為T：

(3)

(4)

(5)

式中：P——水平水壓力；G——垂直水壓力；T——液壓桿支撐力；β——液壓桿與水平面的夾角；H——上游水位；f(h)——弧形面板的弧形函數(shù)。

由式(5)可知，T隨β的變化而變化，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合上述公式確定合理的參數(shù)β，使理論與實(shí)際緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解[10]。

以4 m高弧形液壓升降壩為例，通過(guò)計(jì)算分析其結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，并結(jié)合實(shí)際情況可知，當(dāng)β=56°時(shí)，液壓桿受力狀態(tài)最優(yōu)。弧形液壓升降壩斷面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2 弧形液壓升降壩的應(yīng)力計(jì)算

2.1 非線性有限元力學(xué)分析

結(jié)合弧形液壓升降壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用非線性有限元進(jìn)行分析，建立弧形液壓升降壩三維有限元模型，分析計(jì)算上游水位為4 m工況時(shí)，弧形液壓升降壩面板的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

2.2 計(jì)算模型

坐標(biāo)系規(guī)定：零點(diǎn)取在壩面底端右角點(diǎn)；X軸以垂直壩軸線，指向下游為正；Y軸為平行壩軸線，指向左岸為正；Z軸為豎直方向，向上為正。

計(jì)算范圍：選取弧形液壓升降壩段(沿壩軸線寬3 m)為研究對(duì)象。主要分析壩面板的應(yīng)力應(yīng)變情況。

邊界條件：有限元模型截取邊界為位移約束邊界，即底部邊界為三向約束，在支撐桿和面板連接處為鉸約束。

三維有限元網(wǎng)格：建立弧形液壓升降壩壩段三維有限元模型，單元總數(shù)38 545個(gè)，結(jié)點(diǎn)總數(shù)60 619個(gè)。有限元網(wǎng)格如圖3所示。

當(dāng)上游水位為4 m，壩體面板在支撐桿作用下，其最大位移為1.72 mm，指向下游，出現(xiàn)在面板頂端中央位置，由于支撐桿支撐部位離兩鉸較近，面板中間部位位移相對(duì)較大，如圖4所示。面板最大壓應(yīng)力為1.88 MPa，在面板下游面與液壓桿鉸接處，如圖5所示。最大拉應(yīng)力為1.25 MPa，在面板與液壓桿交接部位上游面處，如圖6所示。面板最大拉、壓應(yīng)力的范圍較小，均屬應(yīng)力集中狀態(tài)；剪應(yīng)力和彎矩為0。

經(jīng)過(guò)第一強(qiáng)度理論和第二強(qiáng)度理論的分析可知，弧形液壓升降壩面板滿足鋼筋混凝土的強(qiáng)度需要，在變形上也完全沒(méi)有問(wèn)題，適合作為蓄水建筑物進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)一種壩高超過(guò)3 m的弧形液壓升降壩，既保留了傳統(tǒng)液壓升降壩的優(yōu)點(diǎn)，又兼顧了景觀和防洪的要求，在山區(qū)河道尤其是比降大有景觀要求的山區(qū)河道具有較廣闊的應(yīng)用前景。有限元分析結(jié)果表明，弧形液壓升降壩面板受力合理，滿足強(qiáng)度和規(guī)范要求。

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The application of the hydraulic lifting dam in mountain landscape rivers

Zhang Yuhai

(HuangshanScenicAreaFloodControlandDroughtReliefHeadquarters,Huangshan245899,China)

On the basis of analyzing the advantages and disadvantages of several water storage buildings, a hydraulic lift dam of the curved panel is designed for the mountain landscape river in mountain flood control, and that the finite element analysis is carried out with ANSYS software, which shows that the dam type is safe and reliable.

mountain landscape river, flash flood control, hydraulic lift dam, curved panel

1009-6825(2015)21-0202-02

2015-05-19

張玉海(1957- ),男，工程師

TV147.1

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