呂中海,孫 磊,朱遠(yuǎn)東

(廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635)

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氣動(dòng)盾閘在威井河水景觀工程中的應(yīng)用

呂中海,孫 磊,朱遠(yuǎn)東

(廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635)

通過(guò)威井河攔河閘典型案例分析,在選擇山區(qū)河流擋水建筑物時(shí),從防洪安全方面考慮,選取各方面優(yōu)于傳統(tǒng)擋水建筑物的氣動(dòng)盾閘,不僅提高了河道的防洪安全,同時(shí)也提高管理部門工作效率。

氣動(dòng)盾閘；中小河流；方案比選

1 工程概況

威井河(又稱漫水河)是北江的一級(jí)支流,發(fā)源于廣寧縣禾叉坳,河流在清新縣地域內(nèi)叫做威井河,其河流長(zhǎng)度為22 km,集水面積為103 km2。清新新世界溫泉度假村位于威井河(三坑鎮(zhèn)段)兩岸,是清遠(yuǎn)市重點(diǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,為保障度假村及三坑鎮(zhèn)人民財(cái)產(chǎn)安全,由度假村方出資治理該段河流,治理主要內(nèi)容為加固兩岸堤防和新建1座攔河閘。

威井河(三坑鎮(zhèn)段)左岸為清西圍,2008年已按照防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇進(jìn)行加固,本次不予考慮。右岸為三坑南圍,現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇,本次按照20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行達(dá)標(biāo)加固。由于威井河該段比降較大,枯水期河道基本無(wú)水,河灘地顯露出來(lái),影響區(qū)域景觀。為達(dá)到生態(tài)景觀效果,擬新建1座攔河閘,用于雍高該段河道水位。

圖1 攔河閘平面布置示意

2 設(shè)計(jì)壩型

該段河道比降較大,新建攔河閘為了在枯水期雍高該段河道水位,提高度假村景觀效果。由于該河段屬山區(qū)河流,來(lái)去水較快,所以攔河閘的形式選擇尤為重要,在洪水來(lái)臨時(shí),需保障河道能及時(shí)泄洪。

2.1方案一：氣動(dòng)盾閘

采用底板高程15.5 m、凈寬100.0 m氣動(dòng)盾閘過(guò)流形式；氣動(dòng)盾閘為美國(guó)專利產(chǎn)品,近幾年才引入國(guó)內(nèi)。是在國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)擋水建筑物基礎(chǔ)上改良的一種新型水閘,主要由基礎(chǔ)、埋件、閘板、氣囊、控制帶和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。工作原理為控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)閘板后的氣囊,來(lái)控制閘板擋水高度,當(dāng)氣囊完全泄氣后,閘板可完全臥于河底。

圖2 氣動(dòng)盾閘設(shè)計(jì)剖面示意(單位：高程為m,其它為mm)

2.2方案二：橡膠壩

采用底板高程15.5 m、凈寬100.0 m橡膠壩過(guò)流型式；是用高強(qiáng)度合成纖維織物加工成的膠布,將其錨固于底板上成封閉狀的壩袋,通過(guò)充排壩袋用水(氣)來(lái)調(diào)節(jié)擋水高度。

圖3 橡膠壩設(shè)計(jì)剖面示意(單位：高程為m,其它為mm)

2.3方案三：翻板閘

采用底板高程15.5 m、凈寬100.0 m翻板閘的結(jié)構(gòu)型式。其工作原理是杠桿平衡與轉(zhuǎn)動(dòng),利用水力和閘門重量相互制衡,通過(guò)增設(shè)阻尼反饋系統(tǒng)來(lái)達(dá)到調(diào)控水位的目的。

圖4 翻板閘設(shè)計(jì)剖面示意(單位：高程為m,其它為mm)

3 方案比選

3.1過(guò)流條件比較

方案一氣動(dòng)盾閘,洪水時(shí),閘門全開(kāi),閘門全部臥倒在河底,過(guò)流條件近似于現(xiàn)狀天然河道,能滿足行洪要求；在泄洪時(shí),水流、冰塊、浮木和礫石可直接在門體上方通過(guò),保障河道內(nèi)雜物及時(shí)排走。

方案二橡膠壩,當(dāng)壩袋沖氣時(shí),與方案一相似,形成溢流堰,洪水時(shí),壩袋坍塌,相當(dāng)于開(kāi)敞式水閘,滿足行洪要求。

方案三翻板閘,當(dāng)上游水位較低時(shí),水重小于閘門自重,閘門關(guān)閉,與方案一相似,形成溢流堰,洪水時(shí),水重大于閘門自重,形成泄洪通道,隨著水位的升高,閘門開(kāi)度越大,直至閘門完全放平,相當(dāng)于開(kāi)敞式水閘,滿足行洪要求。

通過(guò)分析,三種方案的過(guò)流條件均滿足要求,既能保證上游水位,滿足灌溉發(fā)電需求,又能在洪水時(shí)及時(shí)行洪,保障防洪安全。

3.2施工條件比較

方案一、方案二一般不需要設(shè)置傳統(tǒng)水閘配備結(jié)構(gòu)(閘墩及檢修結(jié)構(gòu)),土建工程量少,對(duì)地基要求不高,可在既有地基上施工,且鋼板擋水板和橡膠壩袋等均為工作制作、現(xiàn)場(chǎng)安裝,工程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,施工速度較快,工期短。氣動(dòng)盾閘具有模塊化的特質(zhì),每一塊擋水板和對(duì)應(yīng)的充脹氣囊為一個(gè)單元,安裝時(shí)模塊化安裝,統(tǒng)籌好各單元位置后就可以獨(dú)立施工。橡膠壩為一體結(jié)構(gòu),安裝時(shí)必須考慮整體位置和左右岸位置余量的多種因素,而且壩袋自重較大,安裝時(shí)施工強(qiáng)度較大。

方案三翻板閘采用水力自控翻板門,一般不需要隔墩、啟閉設(shè)備等,翻板門需固定在支墩上,閘門之間用止水橡膠密封,閘門可現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制或工作制作,但土建工程量與方案一氣動(dòng)盾閘、方案二橡膠壩相比較大,地基要求相對(duì)較高,施工難度相對(duì)較大,施工時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

通過(guò)分析,方案一優(yōu)于方案二、方案三。

3.3運(yùn)行管理方面比較

方案一氣動(dòng)盾閘、方案二橡膠壩,兩者在管理上方便靈活。在洪水時(shí),方案一氣動(dòng)盾閘正常運(yùn)行時(shí)可通過(guò)自動(dòng)控制閘門開(kāi)度精確來(lái)控制水位,避免上游水位變化過(guò)大影響行洪。在緊急斷電時(shí),也可采用手工調(diào)節(jié)氣囊來(lái)控制閘板高度。方案二橡膠壩通過(guò)放氣,使壩袋坍塌,從而避免上游水位變化過(guò)大。

方案一氣動(dòng)盾閘通過(guò)控制閘門起伏,準(zhǔn)確迅速控制水位,閘門起伏時(shí)間較短,約為30～40 min左右,方案二橡膠壩通過(guò)氣袋充排水或氣,使其充坍,一般時(shí)間較長(zhǎng),充水約為4～6 h,充氣約為1～2 h。

方案三翻板閘基于門體自重和動(dòng)水壓力的平衡來(lái)調(diào)節(jié)閘門的開(kāi)啟度,通過(guò)水工模型試驗(yàn)、設(shè)計(jì)工況確定設(shè)計(jì)參數(shù),使多扇翻板門同步性較好,自動(dòng)起閉。對(duì)于山區(qū)河流浮木、礫石、冰塊等雜物也會(huì)影響閘門的正常運(yùn)行,閘門也無(wú)法像氣動(dòng)盾閘一樣隨意控制開(kāi)啟度。

因此,在運(yùn)行管理方面,方案一優(yōu)于方案二、方案三。

3.4維護(hù)管理方面比較

方案一氣動(dòng)盾閘,當(dāng)閘門臥倒后可以完全蓋住氣囊,避免河道水體中雜物經(jīng)過(guò)時(shí)破壞氣囊,保證了氣囊的使用壽命,根據(jù)美國(guó)類似工程,目前氣囊已使用27年未更換。氣動(dòng)盾閘由1個(gè)氣囊和1個(gè)閘門組成為一單元(4～6 m),整個(gè)工程由多個(gè)單元組成,維修工作也較為簡(jiǎn)單,它的整體效率及使用壽命要比橡膠壩(包括任何系統(tǒng))高出了3倍以上。

方案二橡膠壩,在陽(yáng)光輻射和水體中的漂浮物接觸摩擦的作用下,氣袋很容易老化破損,使用壽命一般為3～7 a。由于橡膠壩為一整體,一旦出現(xiàn)壩體破損就必須進(jìn)行維修,否則無(wú)法正常運(yùn)行,在豐水期或汛期維修難度較大。

方案三翻板閘,用鋼筋混凝土制造的水力自控翻板閘門所需要的維護(hù)工作很少,主要是除銹刷漆和更換止水橡皮,因其暴露的鋼鐵件很少,除銹刷漆任務(wù)也很小。通常維護(hù)工作可以在枯水期、放空上游的蓄水后進(jìn)行,如果不具備放空條件的可使用檢修閘門作為臨時(shí)圍堰。

通過(guò)分析,方案一優(yōu)于方案二、方案三。

3.5水環(huán)境方面比較

方案一氣動(dòng)盾閘,閘門底部與下部基礎(chǔ)通過(guò)預(yù)埋件連接,在運(yùn)行過(guò)程中可通過(guò)改變閘門后側(cè)氣囊氣壓來(lái)調(diào)節(jié)閘門擋水高度,水流可從閘門上方通過(guò),形成良好的水景觀。

方案二橡膠壩,通過(guò)充排壩袋用水(氣)將其充脹形成袋式擋水壩,由于橡膠壩為一整體,在充排過(guò)程中壩袋形態(tài)呈現(xiàn)不穩(wěn)定性,水景觀效果不如氣動(dòng)盾閘。

方案三翻板閘,水力自控翻板閘是通過(guò)上下游水位差來(lái)調(diào)節(jié)閘門的開(kāi)啟度,如果想造成良好的水景觀效果,就需要增設(shè)一些輔助設(shè)備,同時(shí)也會(huì)增加工程投資。

通過(guò)分析,方案一優(yōu)于方案二、方案三。

3.6生態(tài)環(huán)保方面比較

方案一氣動(dòng)盾閘是利用空氣壓縮原理,通過(guò)氣囊充氣和排氣,使閘門提升和臥倒,控制氣囊的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)布置在配套的管理房屋內(nèi),不會(huì)造成水和周圍環(huán)境的污染。氣囊材料采用食品衛(wèi)生級(jí)材料,保證了水質(zhì)安全。氣動(dòng)盾閘可分段獨(dú)立操作,可以形成魚(yú)道,不需要額外的工程措施來(lái)形成,氣動(dòng)盾閘精確控制穩(wěn)定水位,不會(huì)造成暴漲暴落,影響河道兩岸水鳥(niǎo)生存環(huán)境。

方案二橡膠壩本身不用機(jī)械用油,沒(méi)有污染水質(zhì)的問(wèn)題。橡膠壩無(wú)法以本身的系統(tǒng)來(lái)建立魚(yú)道,須增加額外的工程措施來(lái)形成；橡膠壩的高度會(huì)隨著上下游水位震動(dòng),不能精確控制水位,可能會(huì)影響河道兩岸水鳥(niǎo)生存環(huán)境。

方案三翻板閘的閘門、機(jī)械軸承必須要用機(jī)械用油潤(rùn)滑,在安裝時(shí)或保養(yǎng)及損壞后非常容易污染水質(zhì)和地域。翻板閘無(wú)法以本身的系統(tǒng)來(lái)建立魚(yú)道,須增加額外的工程措施來(lái)形成；翻板閘會(huì)因?yàn)殚l門的突然動(dòng)作淹沒(méi)兩岸的水鳥(niǎo)巢,破壞大自然的生態(tài)。

通過(guò)分析,方案一優(yōu)于方案二、方案三。

3.7工程投資方面比較

表1 工程投資比較

3.8 方案選取

綜上所述,三種方案都滿足過(guò)流要求,方案一雖在投資上高于方案二、三,但在施工條件、運(yùn)行管理、維護(hù)管理、水環(huán)境、生態(tài)環(huán)保等方面均有較大優(yōu)勢(shì)。

考慮到威井河為山區(qū)河流,汛期上游浮木、雜物較多,橡膠袋和翻板閘門均容易受到損傷從而影響長(zhǎng)久運(yùn)行,而氣盾閘過(guò)流時(shí)溢流面為鋼閘門,抗沖擊性強(qiáng),可靠度高,減少后期維修成本,同時(shí)該段河流水流較急,洪水時(shí)氣動(dòng)盾閘可較快泄洪,本次新建推薦選用方案一的氣盾鋼閘門。

4 結(jié)語(yǔ)

在水利工程中使用較多的擋水建筑物分別為水閘、橡膠壩、翻板閘及水陂等,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,水利工程擔(dān)負(fù)的責(zé)任也更加重大。在發(fā)展的同時(shí),國(guó)家也提倡對(duì)新技術(shù)、新工藝及新材料的創(chuàng)新,氣動(dòng)盾閘是在傳統(tǒng)橡膠壩和翻板閘基礎(chǔ)上進(jìn)行改良的產(chǎn)品,大大提高了建筑物使用年限和管理成本,特別使用于防洪要求較高的山區(qū)河流上,發(fā)揮了它獨(dú)特作用。

[1] 陳東清.氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)在南明河水景觀工程中的應(yīng)用[J].水利建設(shè)與管理,2013(12)：59-61．

[2] 周經(jīng)淵.水利自控翻板閘門的研究與應(yīng)用[J].水利發(fā)電學(xué)報(bào),2007,26(6)：73-76．

[3] 陶光慧.淺談城市景觀翻板閘門的設(shè)計(jì)選型[J].四川水利發(fā)電,2014,33(1)：75-78．

[4] 陳東清.不同擋水建筑物方案的應(yīng)用比選[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2014,4(1)：56-59．

[5] 鄭紅,韓立陽(yáng),其其格.河道綜合整治工程景觀壅水閘壩應(yīng)用與分析[J].東北水利水電,2016,2(3)：69-70．

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Application of Pneumatic Shield-shaped Gate to the Weijing River Landscape Project

Lü Zhonghai，SUN Lei，ZHU Yuandong

(Guangdong research institute of water resources and hydropower, Guangzhou 510635, China)

Through the typical case analysis of the Weijing River floodgate，when choosing the water retaining structure of mountainous rivers, the safety of flood control should be considered at first place. Pneumatic shield-shaped gate is superior to the traditional type in all aspects，not only improving the flood control safety of the river, but also raising high work efficiency for management department.

pneumatic shield-shaped gate； medium and small rivers； scheme comparison

2016-06-08;

2016-06-18

呂中海(1982),男,本科,工程師,從事水利水電工程勘察設(shè)計(jì)工作。

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