液壓升 壩在城市河 中的 型設計

丁 峰 劉月剛 邱象玉

（北京市水利規劃設計研究院 北京 100048）

近年來，隨著城市功能不斷發展完善，人民生活水平不斷提高，城市河道整治對河道景觀的要求越來越高。城市河道主要設計原則是在保證城市水系防洪、供水標準原則下，并能完美與城市河道景觀相結合。即在滿足河道基本水利功能的前提下，還要盡可能以水為載體，營造水上河邊景觀，還人以生態自然的空間環境，給人以良好的視覺享受。

直升式平面鋼閘門、弧形鋼閘門及人字閘門是水工建筑物常用的幾種閘門型式。但這幾種閘型布置在城市河道上，對有景觀要求的河道有些不盡人意。傳統的平面鋼閘門制造安裝簡單，運行管理方便，但孔口上部設有土建結構和啟閉系統，視覺不通透，影響景觀效果。弧形鋼閘門具有結構簡單、啟閉力小、水流條件好等優點，而且弧形鋼閘門的啟閉設備也得到飛速發展，液壓啟閉機取代了部分以機械傳動方式為代表的傳統的固定卷揚式啟閉機開始應用于弧形鋼閘門的啟閉操作上。但是對于較寬河道，需設置多孔弧形鋼閘門，閘墩的存在減少河道過流斷面，閘門泄流能力有所降低。人字閘門可適用于較寬的航運河道，但靜水啟閉的運行條件使得其應用較為局限。

液壓升降壩是近年來水利行業新發明創造的一種新閘型，曾入選為水利部2011年度水利先進實用技術推廣產品。和傳統擋水型閘壩相比，液壓升降壩具有力學結構合理、泄水效果好、不易受漂浮物影響和泥沙淤積等優點。液壓升降壩現已開始應用于城市河道景觀工程、農業灌溉、海水擋潮、山區河道中。

本文根據城市河道整治工程設計兼顧景觀功能的特點，分析液壓升降壩的原理、結構組成及性能特點，結合工程設計實例，通過對景觀閘型的分析比較，詳細介紹液壓升降壩在工程設計中的應用，從而為類似的工程提供設計參考。

1 液壓升 壩20

1.1 液壓升 壩工作原理

液壓升降壩是一種采用液壓系統控制原理和機械力學原理，結合支墩壩水工結構型式的新型活動壩，具備擋水和泄水雙重功能。

液壓升降壩的液壓系統原理簡圖如圖1所示。

圖1 液壓升 壩系統原理簡圖

從圖1可以看出，液壓系統由動力裝置、控制調節裝置、執行元件和輔助裝置等組成，液壓泵提供動力，把機械能轉化為液壓能。控制調節裝置主要指液壓控制閥組，包括溢流閥、節流閥、換向閥等閥組，其作用是對液壓油的壓力、流量、方向起控制調節作用，實現液壓系統的性能要求。液壓缸是液壓系統的執行元件，把液壓能轉化為機械能，實現液壓升降壩的動作要求。輔助裝置包括油管、管接頭、油箱、濾油器等，油管、管接頭把動力裝置、控制調節裝置和執行元件連接起來，形成完整的液壓回路。濾油器則對液壓油進行過濾，提高液壓系統工作用油的清潔度，防止閥組堵塞，延長各元件使用壽命，保證系統正常工作。

在液壓系統的控制下，液壓缸內的活塞沿缸體內壁做軸向來回往復運動，從而帶動液壓桿和壩體做直線運動，達到孔口開啟、關閉的要求。此外，液壓系統還設置液壓鎖定裝置，從而滿足了液壓升降壩局部開啟的過流要求。

1.2 液壓升 壩結構組成及性能特點

液壓升降壩的構造主要由弧形壩面、液壓桿、支撐桿、液壓缸、液壓泵站和油路系統等組成。壩面材料采用鋼筋混凝土。壩面關鍵參數如半徑、厚度等均根據壩前擋水水頭而定。壩面由多扇壩板組成，壩板之間不設閘墩等阻水建筑物，而設止水橡皮以滿足壩體止水效果。單扇壩板寬度（標準寬度）為6m，非標另行設計，壩高從1.5m至6m不等。液壓升降壩底部以鉸鏈軸固定在壩基上，鉸鏈承力桿支撐壩面，并以壩面背后液壓桿的伸縮帶動壩面做扇形上下升降。液壓缸和支撐桿均設置解鎖裝置控制壩體升降。研制的浮標開關可以實現自動坍壩，液壓控制系統可實現遠程控制。由于液壓升降壩動力系統采用液壓傳動方式，結合壩體構造，其性能特點有：（1）液壓升降壩跨度較大，結構簡單，支撐牢固可靠，方便制造。（2）液壓升降壩啟閉均由液壓系統控制，自動化程度高，方便無人化管理。（3）液壓升降壩水力條件優越。該壩倒伏幾乎完全貼近河床，可暢泄洪水，上游堆積泥沙、卵石、漂浮物均可被沖刷至下游而不阻水。在設計水頭范圍內，由液壓系統控制壩面在任一位置，靈活有效保證上游蓄水水位和下泄流量。（4）液壓升降壩景觀效果好。活動壩面門前蓄水可形成寬闊水面，增加城市觀光性；門頂溢流可形成瀑布景觀，從而形成良好的景觀效果，改善生態人文環境。（5）液壓升降壩耐久性較好。由于活動壩面材料為鋼筋混凝土，只需保證浸泡水中的液壓缸防水密封性能和防腐性能，便可保持液壓升降壩工作持久。（6）液壓升降壩施工簡便，工期較短。和傳統閘門相比，減少閘墩、金屬結構埋件，混凝土工程量小，從而節約投資成本。

2 液壓升 壩的 型設計

2.1 工程概況

黑河溝又稱門頭溝或黑水河，位于門頭溝區東南部，起源于官廳村南絕石梁，經東店街、東辛房，穿過門城鎮入永定河。現狀河道過水斷面狹小，多數堤防防洪標準較低，局部河段行洪能力僅達到規劃的 20~30%，并且河道構筑物壅水、阻水現象嚴重，門頭溝黑河溝已遠不能滿足城市防洪排水要求。

工程主要任務是疏挖整治河道，提高河道的行洪排水能力；改善河道水環境，提高流域范圍的可居住性及提升門頭溝的整體區域形象；河道形成觀賞水面，堤岸綠化，使黑河溝成為“水清、岸綠、生態”河道，并為其周邊提供休閑、娛樂、健身場所。根據工程需要，在河道樁號1+400、1+850、2+422處新建3座節制閘。節制閘主要功能為非汛期蓄水擋水，形成景觀水面；汛期開啟，宣泄洪水，保障行洪安全。

2.2 型比

本次工程閘型既需要滿足行洪要求，又需要滿足景觀功能，以2+422處節制閘24×2.2m（寬×高）為例，現進行閘型比選。

目前在城市河道設計中，應用較多的景觀閘型有鋼壩閘，氣動盾形閘，水力自控翻板閘門。現對各閘型進行逐一介紹。

鋼壩閘主要由門葉結構、底軸結構、拐臂結構和液壓啟閉設備等組成。液壓缸通過拐臂與閘門底軸連接，活塞桿的伸縮推動拐臂帶動閘門底軸轉動，從而控制閘門啟閉。鋼壩閘門可立壩蓄水，允許門頂溢流，形成人工瀑布的景觀效果，也可局部開啟，調節上下游水位。門體倒下時，門體與下游閘底板處于同一高程，泄洪時不阻水。

氣動盾形閘主要由聚酯纖維強化橡膠氣袋和熱浸鍍鋅高強度鋼板組成。橡膠氣袋位于鋼板下游，氣袋與鋼板底部通過專用配件安裝并固定在閘底板基礎混凝土上，閘門板后設置有安全抑制帶以限制其向上游倒伏。氣動盾形閘采用壓縮空氣的啟閉方法，能夠滿足動水啟閉，并允許整扇閘門局部開啟或門板分區倒伏過水的要求。

水力自控翻板閘門主要由門葉、支腿、連桿等結構組成。當閘門上游水位調節，閘門借助重力與水壓力合力作用及相應力矩變化實現閘門開啟或關閉。閘門泄流時門葉上游同時出流。水力自動翻板閘門也可增設液壓啟閉機，實現水力與液壓雙重控制。

表1列舉了這4種常見景觀閘型的投資成本、使用壽命、泄洪效果、景觀效果、自動化程度和缺點不足。

表1 型方案比

從表1可以看出，液壓升降壩、水力自控翻板閘門、鋼壩閘、氣動盾形閘這4種閘型各有其優缺點。在進行方案設計比選時，設計人員應充分結合工程實際情況選擇相應的閘型。由表1同樣可以看出，液壓升降壩、鋼壩閘、氣動盾形閘在泄洪效果、景觀效果、自動化程度方面具有同等優勢，但液壓升降壩投資成本更低，使用壽命更長，因此在本次工程設計中節制閘閘型優先推薦使用液壓升降壩。

2.3 液壓升 壩的布置

以2+422節制閘為例，液壓升降壩布置圖如圖2所示。

節制閘所在河段為矩形斷面，底寬24m，河底高程 117.54m，堤頂高程 121.04m。工程布置依次為：上游連接段、鋪蓋段、閘室段、消力池段及下游連接段等。上游鋪蓋段采用鋼筋混凝土結構，底板厚400mm，長10m，高程為117.54m。閘室底板為單孔分離式鋼筋混凝土結構，閘孔凈寬24m，長5m，底板采用二層臺階式，上層臺階與鋪蓋段連接，高程為 117.54m，下層臺階與消力池段連接，高程為116.24m。

液壓升降壩安裝在上層臺階，壩面立起擋水時面板與鉛垂面呈18°角度。活動壩面放倒后，壩體只高出原壩頂20~30cm，有效保證壩體的泄洪效果。上層臺階預留壩體鉸支座二期混凝土孔口尺寸，二期澆筑時，預埋件鋼筋應與一期混凝土預留鋼筋焊接牢固。上層臺階與下層臺階銜接處，預留支撐桿二期混凝土尺寸。下層臺階預留液壓缸二期混凝土安裝尺寸，二期混凝土處理方法同鉸支座、支撐桿。底板和邊墻均預留液壓管路槽，底板液壓管路槽上鋪砼蓋板，邊墻油路預留槽上鋪鋼板蓋面。液壓管路埋設好之后與液壓缸、液壓泵站連接。液壓升降壩由4扇單扇壩板組成，單扇閘門重量約為4500kg，壩板間設橡皮止水。單扇壩板后埋設 2支液壓缸，液壓缸內徑Φ140mm，液壓缸設計最大工作壓力為16Mpa。液壓泵房布置在左岸稍遠處，液壓升降壩可實現現場控制和集中控制。下游消力池段為鋼筋混凝土結構，長10m，底板厚600mm。液壓升降壩允許門頂溢流，為避免局部開啟運行時門頂溢流及啟閉操作時造成門后負壓，壩后兩側邊墻設置通氣孔以起到補氣的作用，從而減小壩體振動。

圖2 液壓升 壩布置圖

3 結語

結合北京市門頭溝區黑河溝液壓升降壩的工程設計實例，經過閘型比選，結合液壓升降壩的布置與設計特點，最終得出如下結論：（1）液壓升降壩運行安全可靠，蓄水壩前可形成景觀水面，行洪不阻水，能夠同時滿足防洪設計和河道景觀要求。（2）液壓升降壩布置簡單，施工難度低，可大大節約土建與金屬結構成本。（3）可為城市景觀河道閘型的選取提供設計參考。

1. 褚紅梅. 對城市景觀河道建設的幾點思考[J]. 江蘇水利, 2007,11: 22-24.

2. 曹平周, 朱召泉. 鋼結構[M]. 北京: 科學技術文獻出版社,2006.