鋼壩閘——一種新型擋水結構的設計和應用

蔡金麗 孟建發

（太原市水利勘測設計院 太原 030002） （河北省石津灌區管理局 石家莊 050000）

鋼壩閘
——一種新型擋水結構的設計和應用

蔡金麗 孟建發

（太原市水利勘測設計院 太原 030002） （河北省石津灌區管理局 石家莊 050000）

鋼壩閘作為一種新型的擋水結構，克服了橡膠壩容易被尖銳物刺破、易老化、充塌壩時間長影響行洪等不利條件，是一種新型可調控溢流閘門，啟閉簡單，使用維護便利，非常適用于北方多泥沙河流的擋水蓄水工程，近年來得到了較多的應用。

鋼壩閘 橡膠壩 擋水 結構原理

1 引言

在水利水電建設中，隨著城市用水、景觀建設及環境整治和灌溉、發電工程的需要，翻板閘、水閘和橡膠壩得到廣泛的運用。近年來，由于橡膠壩具有結構簡單、施工方便、可按需要調節水位、操作靈活、節省鋼材、造價低廉等優點，被廣泛運用于水利水電工程建設中。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、景觀協調性好、壩頂可溢流等諸多特點，使橡膠壩在防洪河道治理及城市生態景觀建設中得到了更為廣泛的應用。

然而，橡膠壩也有其自身的弱點，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，長期在室外環境中壩袋易老化，同時運行時充水（充氣）升壩或放水（放氣）塌壩時間較長，影響快速截流或泄洪，給河道行洪帶來一定的安全隱患。現行的鋼結構閘門，無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備的限制，單孔孔徑都很小，加之上部啟閉設備復雜，很難適應城市河道景觀美化的要求。

鋼壩閘既克服了傳統鋼閘門孔徑小、啟閉設備復雜等缺點，又克服了橡膠壩易老化、塌立壩速度慢等缺點，是一種新型可調控溢流閘門。它由帶固定軸的鋼閘門門體、液壓啟閉設備和配套土建結構工程等組成。這種建筑物適合于閘孔較寬（10～100m）而水位差比較?。?～7m）的工況，由于它可以設計得比較寬，可以省掉數孔閘墩，因此不僅結構簡單美觀，而且可以立門蓄水，臥門行洪排澇，適當開啟調節水位，還可以利用閘門門頂過水，形成瀑布的景觀效果（見圖1）。

圖1 鋼坎閘景觀

2 鋼壩閘結構設計和應用

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，閘門的啟閉靠埋設于兩側邊墩內的液壓啟閉機帶動軸轉動，從而達到使閘門立門蓄水、臥門行洪排澇的目的。它在擋水時還可以適當調節一定開啟角度來調節水位，同時可以利用閘門門頂過水，形成瀑布的景觀效果。

鋼壩閘是一種特殊結構的水閘型式，它沒有底門槽和側門槽，是門葉圍繞底軸心轉動的結構。上游止水壓在圓軸上，當門豎起或倒下時，止水不離圓軸的表面，始終保持密封止水狀態；側止水固定在門的兩側，采用“Π”形止水形式，依靠橡皮止水與側墻的擠壓力達到止水的目的。閘門臥倒時，止水面始終不離開側胸墻（不銹鋼埋件），因此不會造成側漏水，也不會影響鋼壩閘門的開啟和關閉。

2.2 鋼壩閘的啟閉設備

傳統的閘門啟閉機有卷揚式和螺桿式兩種，這兩種啟閉機不僅外形復雜，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施。

鋼壩閘的突出優點就是采用了集成式啟閉機。這是一種新型的機電液一體化的液壓啟閉機，通過液壓桿的平行移動帶動鋼壩閘底軸轉動，完成閘門的啟閉（見圖2）。它只需要簡單的預埋就可以實現長期穩定地工作，既達到了其他啟閉形式無法達到的景觀效果，也減少了工程投資額，更為將來極少的維護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。其中底板為臺階式，將轉軸置于設計底板高程以下，以便閘門在臥倒時與底板面齊平，有利于河道泄洪、排沙。由于底止水和側止水與常規水閘設置不同，所以不需設底門槽和側門槽，邊墩與啟閉機室布置為一體。鋼壩閘相對于一般水閘的突出優點就是它能適用于跨度較大的河道，其單孔閘孔寬度可50～60m，因此其中墩設置較少，對河床的束窄率低，能滿足河道泄洪要求。

3 鋼壩閘主要優缺點

3.1 優點

相對于常規水閘和橡膠壩，鋼壩閘無論是從結構型式還是美觀實用上，都有著諸多優點：

圖2 鋼壩閘啟閉設備

a.從美觀和安全適用情況來看，常規水閘由于受啟閉設備的限制，單孔尺寸一般都不超過10m，這樣不僅需要設置很多的中墩，土建工程增加，而且對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，但是橡膠壩壩袋易被尖銳物刮破，且其充塌壩時間較長，對于北方季節性河道來說，一是洪水期河道內夾雜的大石塊或樹枝等較多，壩袋容易被刮破，二是塌壩時間長（約30~80min左右），容易對防洪留下隱患。同時橡膠壩還存在被人為造成破壞、被漂浮物刺破、壩體振動磨損、壩與兩岸的磨損、火災等諸多隱患。鋼壩閘很好地解決了上述幾方面的問題，剛性的門體本身就具有較強的堅硬性，不易被損壞，而且鋼性閘門采用液壓啟閉機啟閉，運行速度可達1~2m/min，經計算不超過2min即可完成開閘和閉閘，可有效地保證突發洪水時能及時泄洪。

b.從使用耐久性來看，鋼壩閘的設計使用壽命可達50~60年，當前國際上最長壽命的閘為近百年。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，管路多且復雜，而鋼壩閘門僅僅配套二臺集成式啟閉機，該種啟閉機是一種新型啟閉機，它結構簡單，操作方便，無需油管、泵站等附屬設施，另外該啟閉機配備了手動裝置，操作力只需50N，可以有效保證塌壩時能塌壩、立壩時能立壩，安全性極高。

d.從運行能耗上來看，100m長的鋼壩閘只需要4臺液壓啟閉機，每臺液壓啟閉機的額定最大功率為15kW。100m的鋼壩閘用電負荷量只需60kW·h左右，每次升壩時間約為2～3min；而100m橡膠壩的用電負荷量最少要在100kW·h左右，每次升壩時間約為3～6個h或更長。因此鋼壩閘比橡膠壩可節省相當大的用電量。

e.從管理上看，鋼壩閘操作簡單，僅需配備一兩名運行維護人員，還可以實現先進的自動化網絡控制，相比橡膠壩可大大減少運行管理人員。

f.在冬季運行的問題上，鋼壩閘可以輕松安全地度過冬季，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，此時若結冰，冰層可以沿著斜角向上延伸，從而有效地釋放冰的膨脹力，這樣鋼壩閘不會受到任何破壞。另外由于鋼材本身的堅硬特質，每年春天的凌汛均可以完全在壩頂泄洪。而橡膠壩根據實際使用情況，冬季一旦結冰就必須做好刨冰工作，否則將對橡膠壩造成致命的損壞，而刨冰工作完全依靠人工完成，既耗時又耗力，且給管理帶來極大的不便。到春天解凍時，冰凌不能在橡膠壩上溢流，結實而鋒利的冰塊很可能把橡膠壩劃破。

3.2 缺點

鋼壩閘的缺點主要表現在門體需要耗費大量的鋼材，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，每延米投資約4.8萬元，同樣情況下鋼壩閘每延米投資約8萬元，高于橡膠壩工程。

4 結語

鋼壩閘作為一種新型的擋水結構，克服了橡膠壩容易被尖銳物刺破，易老化，充塌壩時間長影響行洪等不利條件，是一種新型可調控溢流閘門，可以立門蓄水、臥門行洪排澇，啟閉閘門靠隱藏在邊（中）墩的液壓設備，啟閉簡單，適當開啟可以調節水位，還可以利用閘門門頂過水，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，目前還沒有國家統一設計規范，生產廠家也較少，據了解其底部采用的滾軸國內還不能生產，只能從德國進口，但考慮到其與橡膠壩相比有諸多優點，相信在不遠的將來，隨著鋼壩閘技術的日臻成熟，鋼壩閘的應用會越來越廣泛。