陶 光 慧

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

1 概 述

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，對(duì)城市水利工程建設(shè)提出了新要求和內(nèi)容，其除應(yīng)符合防洪安全要求外，還需滿足改善和美化環(huán)境的要求，從而要求水利工程逐步實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)工程水利向資源水利、生態(tài)水利的轉(zhuǎn)變，注重水利工程的景觀和美學(xué)要求，尋求城市景觀水利規(guī)劃設(shè)計(jì)的新思路。由于傳統(tǒng)閘門布置需 較厚的閘墩及突起的啟閉機(jī)排架，影響防洪能力及景觀效果，為順應(yīng)景觀水利的要求，各類新型閘門大量涌現(xiàn)，如橡膠壩、翻板閘、一字門、人字門、三角門等。從我國目前的工程實(shí)例看，翻板閘門在城市景觀水閘中的應(yīng)用最為普遍，因此，研究此類閘門的設(shè)計(jì)選型具有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 城市景觀河道中常用的翻板閘門

2.1 水力自動(dòng)翻板閘門

水力自動(dòng)翻板閘門是目前國內(nèi)最常見的一類自控閘門，是我國研發(fā)出來并擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種節(jié)能、環(huán)保型閘門，先后經(jīng)歷了橫軸雙支鉸型、多支鉸型、滾輪連桿式和滑塊式水力自控型四個(gè)發(fā)展階段。由于水力自動(dòng)翻板閘門具有過流能力強(qiáng)、水位壅高少、結(jié)構(gòu)簡單、制造使用方便、造價(jià)低廉、維護(hù)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。

水力自動(dòng)翻板閘門的工作原理是杠桿平衡與轉(zhuǎn)動(dòng)。具體來說，水力自動(dòng)翻板閘門是利用水力和閘門重量相互制衡，通過增設(shè)阻尼反饋系統(tǒng)來達(dá)到調(diào)控水位的目的：當(dāng)上游水位升高，閘門繞“橫軸”逐漸開啟泄流；反之，上游水位下降，則閘門逐漸回關(guān)蓄水，使上游水位始終保持在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，根據(jù)水位的變化，依靠水力作用自動(dòng)控制閘門的開啟和關(guān)閉。當(dāng)上游來流量加大，閘門上游水位抬高，動(dòng)水壓力對(duì)支點(diǎn)的力矩大于門重與各種阻尼對(duì)支點(diǎn)的力矩時(shí)，閘門自動(dòng)開啟到一定傾角，直到在該傾角下動(dòng)水壓力對(duì)支點(diǎn)的力矩等于門重支點(diǎn)的力矩，達(dá)到該流量下新的平衡；流量不變時(shí)，開啟角度也不變。而當(dāng)上游來流量減少到一定程度且門重對(duì)支點(diǎn)的力矩大于動(dòng)水壓力與各種阻尼對(duì)支點(diǎn)的力矩時(shí)，水力自動(dòng)翻板閘門可自行回關(guān)到一定傾角，從而又達(dá)到該流量下新的平衡。

水力自動(dòng)翻板閘門由于其工作原理是由水壓與自重平衡的作用使門體自動(dòng)打開而不受人為控制，加上各種運(yùn)行時(shí)的阻卡不一樣，門什么時(shí)候開很難把握，而下游一旦有人畜或其他臨時(shí)建筑時(shí)，在沒有征兆或通知的情況下，上游就翻壩泄洪,存在很多安全隱患；再加上其對(duì)河流泥沙的適應(yīng)能力較弱，因此，這些缺點(diǎn)制約了水力自動(dòng)翻板閘門的推廣作用。水力自動(dòng)翻板閘門的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 液壓控制翻板閘門

針對(duì)水力自動(dòng)翻板閘門存在的問題，結(jié)合工程實(shí)踐，在原有的水力自動(dòng)翻板閘的基礎(chǔ)上增設(shè)了液壓控制系統(tǒng)。閘門的開啟、關(guān)閉，既能由水力自動(dòng)控制開關(guān)，也可由液壓人工隨意控制開關(guān)，且翻板閘可控制在任何一個(gè)開度。在水力自動(dòng)控制時(shí)，液壓控制系統(tǒng)起阻尼減震的作用。

液壓控制翻板閘門由液壓動(dòng)力控制機(jī)構(gòu)和閘門兩部分組成。液壓動(dòng)力控制機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、泵、馬達(dá)、控制閥、管路、油箱和減速器；閘門部分包括閘門、連接軸和支承墩。每扇閘門設(shè)兩個(gè)油缸(也可以設(shè)一個(gè)油缸)，油缸設(shè)在支墩內(nèi)(主要目的是防盜，也可設(shè)在支墩外)，油缸的一端通過鉸固定于閘板轉(zhuǎn)動(dòng)鉸的下部，油缸的另一端通過另一鉸固定于支墩上。油缸通過導(dǎo)油管連接至液壓控制臺(tái)，液壓控制臺(tái)可以設(shè)在河岸上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。當(dāng)人工操縱開閘放水時(shí)，開動(dòng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)使油缸的活塞桿向前移動(dòng)，推動(dòng)閘門板轉(zhuǎn)動(dòng)，即閘門開啟，操作液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的控制元件，閘門板可停留在任意開度。當(dāng)閘門需要關(guān)閉時(shí)，開動(dòng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，使油缸的活塞桿向后移動(dòng)，拉動(dòng)閘門轉(zhuǎn)動(dòng)，即可關(guān)閉閘門。閘門既可部分開啟，也可全部開啟，同時(shí)，也可以通過調(diào)節(jié)閘門的開度以控制流量的大小，開關(guān)速度可任意調(diào)節(jié)。為了保證整個(gè)工程的安全，液壓控制系統(tǒng)還設(shè)有無人值守或斷電狀態(tài)，控制系統(tǒng)可自動(dòng)轉(zhuǎn)入水力自控狀態(tài)。

圖1 水力自動(dòng)翻板閘門示意圖

設(shè)置了液壓啟閉機(jī)控制的翻板閘門，在一定程度上解決了混凝土材料在翻轉(zhuǎn)、拍打、受到水流中雜物撞擊時(shí)容易損壞的問題，液壓啟閉機(jī)也解決了閘門自動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)容易受到水草、樹枝等雜物卡阻而無法正常運(yùn)行的問題。該方案由于其結(jié)構(gòu)形式的需要，仍需要在閘門后設(shè)置數(shù)量較多的支承墩結(jié)構(gòu)，閘門開啟泄洪時(shí)門體橫臥于水中，門頂與門底處于同時(shí)過水狀態(tài)，門體等結(jié)構(gòu)仍然會(huì)受到復(fù)雜的門頂和門底同時(shí)通過高速水流的影響，對(duì)河道泄洪、河道景觀也會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響和破壞，并會(huì)阻礙河流的通航。液壓控制翻板閘門結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 液壓控制翻板閘門示意圖

2.3 底橫軸翻板閘門

底橫軸翻板閘門是一種較新改進(jìn)型的翻板式閘門，由門葉、固定在門葉底部的底橫軸、多個(gè)底鉸座、自潤滑軸承、底水封、側(cè)水封、液壓驅(qū)動(dòng)裝置以及液壓鎖定裝置等組成。底橫軸的兩端穿過閘墻外伸，其外伸端與電液一體式啟閉機(jī)連接，啟閉機(jī)庫位于閘墩內(nèi)，底軸與閘墻之間設(shè)有水封裝置，河道內(nèi)的水不會(huì)滲入啟閉機(jī)庫。通過控制閘墩兩側(cè)的電液一體式啟閉機(jī)的正反轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)底橫軸翻轉(zhuǎn)門的啟閉及開度控制，從而實(shí)現(xiàn)蓄水、泄洪、溢流、行船等功能。

源動(dòng)力為液壓啟閉機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置布置于閘壩兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)室內(nèi)，通過拐臂驅(qū)動(dòng)支承在轉(zhuǎn)軸座上的底轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)固定聯(lián)結(jié)在底轉(zhuǎn)軸上的底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門門葉按要求適時(shí)平穩(wěn)、可靠地做啟壩、閉壩等動(dòng)作。支承結(jié)構(gòu)為設(shè)置在閘門底部的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸，液壓啟閉機(jī)油缸控制底軸的旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)閘門門體的翻轉(zhuǎn)開啟和關(guān)閉，閘門在關(guān)閉時(shí)向上游或下游幾乎完全平臥于河道底面。由于這種閘門形式的支承旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為閘門的底部轉(zhuǎn)軸，因此，閘門門體寬度方向尺寸可適當(dāng)?shù)丶哟?，門葉的下端固定連接底橫軸。底橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接若干支鉸座，兩端分別固定連接啟動(dòng)臂，每個(gè)啟動(dòng)臂的上端分別與對(duì)應(yīng)的液壓啟閉機(jī)的伸縮桿鉸連接，每個(gè)液壓啟閉機(jī)鉸連接在支座上，每個(gè)支座內(nèi)分別設(shè)置鎖定裝置，每個(gè)鎖定裝置的一端分別與啟動(dòng)臂鉸連接。液壓啟閉機(jī)通過啟動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)底橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)閘門作弧形運(yùn)動(dòng)，并由鎖定裝置控制閘門的開啟角度。

由于底橫軸翻板門是一種新型景觀液壓驅(qū)動(dòng)式閘門，其操作方便，啟閉靈活，閘門開度無級(jí)可調(diào)，方便調(diào)度、工作較隱蔽、不妨礙防汛和通航，不會(huì)對(duì)原有河道的景觀造成影響且啟閉閘門的時(shí)間較短；不需要設(shè)置較多的閘墩結(jié)構(gòu)，對(duì)河道泄水影響較小，對(duì)河道景觀效果較好，不影響河道的通航。對(duì)于大規(guī)格底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門及啟閉機(jī)，其底軸基礎(chǔ)的處理要求相對(duì)較高，底軸受基礎(chǔ)不均勻沉降的影響較大，因此，該種閘門形式的檢修條件不是太好，很難應(yīng)用于高水頭。底橫軸翻板閘門如圖3所示。

圖3 底橫軸翻板閘門示意圖

2.4 氣動(dòng)盾形翻板閘門

氣動(dòng)盾形翻板閘門為目前較為新穎美觀的景觀水閘形式之一，由鋼閘門(鋼結(jié)構(gòu)的盾形門板和框架結(jié)構(gòu)等)、高分子材料的氣袋、埋件、空壓系統(tǒng)和閘門控制系統(tǒng)等組成，其利用空氣壓縮原理，通過氣袋的充氣與排氣使閘門升起和倒伏，維持特定的水位高度，并可在設(shè)計(jì)水位內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意水位高度的調(diào)節(jié)(圖4)。

圖4 氣動(dòng)盾形翻板閘門示意圖

此種閘門形式融合了底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門與橡膠壩的一些優(yōu)、特點(diǎn)，當(dāng)閘門需要升起擋水時(shí)，利用壓縮空氣向氣袋充氣，使閘門面板處于擋水狀態(tài)；當(dāng)閘門需要倒伏泄水時(shí)，打開排氣閥及排氣泵等將氣袋內(nèi)的空氣排放，使得閘門門體向下游倒伏幾乎完全平臥于河道底面。該種閘門形式擋水時(shí)的支承結(jié)構(gòu)主要為高分子材料的氣袋，整套氣動(dòng)閘系統(tǒng)可由若干模塊化的鋼閘門及氣袋組合而成，攔河寬度不受限制且中間不需要設(shè)置閘墩及支墩結(jié)構(gòu)，泄水面幾乎與河道寬度一致，對(duì)河道泄水幾乎不產(chǎn)生影響，可實(shí)現(xiàn)大面積、高效率的泄水，河道景觀效果較好，不影響河道的通航。氣動(dòng)閘盾形門體和閘底鉸鏈的設(shè)計(jì)亦使得泥沙、樹枝、冰塊、浮木及其它雜物容易流過，不易造成阻塞。氣動(dòng)閘的門體加筋板兼具導(dǎo)流功能，可平順?biāo)鞑p少?zèng)_刷。若使用的氣袋材料較好并以壓縮干凈的空氣作為驅(qū)動(dòng)，無任何機(jī)械用油，不會(huì)造成水和周圍環(huán)境的污染，環(huán)保性能較好；氣動(dòng)閘完全倒伏時(shí)不影響泄洪，可采用手動(dòng)控制和電動(dòng)自動(dòng)控制兩種方式進(jìn)行操作控制，特別對(duì)因洪水泛濫時(shí)引發(fā)的斷電，可通過手動(dòng)緊急排放氣袋內(nèi)的空氣實(shí)現(xiàn)安全泄洪。泄洪后，既使閘門上沉積污泥等雜物，仍不影響其正常運(yùn)行。氣動(dòng)盾形閘門不需要啟閉機(jī)械等設(shè)備，對(duì)土建基礎(chǔ)要求不高，只需簡單地基且不需設(shè)置中間閘墩和維修廊道。

3 結(jié) 語

從以上各種閘門的特點(diǎn)及情況看，水力自動(dòng)翻板閘門應(yīng)用較早，但因其對(duì)污物的適應(yīng)能力較差，且自動(dòng)泄水時(shí)容易使下游發(fā)生安全事故，故影響了其的應(yīng)用推廣；液壓控制翻板閘門雖然解決了部分問題，但仍無法解決閘墩阻水及門頂和底部同時(shí)過流的水力學(xué)問題，因此其應(yīng)用依然受限；底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門較為新型，行洪能力及景觀效果不錯(cuò)，然而，對(duì)于高水頭大型工程，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其難以勝任，仍需加以改善。綜合來看，氣動(dòng)盾形翻板閘門應(yīng)具有較好的行洪能力及景觀要求，在整個(gè)河邊流道內(nèi)無需設(shè)立支墩，且泄洪操控更為安全可靠，因此，從未來發(fā)展方向看，應(yīng)用前景廣闊。

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