氣動盾閘在威井河水景觀工程中的應用

呂中海,孫 磊,朱遠東

(廣東省水利水電科學研究院,廣東 廣州 510635)

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氣動盾閘在威井河水景觀工程中的應用

呂中海,孫 磊,朱遠東

(廣東省水利水電科學研究院,廣東 廣州 510635)

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

氣動盾閘；中小河流；方案比選

1 工程概況

威井河(又稱漫水河)是北江的一級支流,發源于廣寧縣禾叉坳,河流在清新縣地域內叫做威井河,其河流長度為22 km,集水面積為103 km2。清新新世界溫泉度假村位于威井河(三坑鎮段)兩岸,是清遠市重點開發項目,為保障度假村及三坑鎮人民財產安全,由度假村方出資治理該段河流,治理主要內容為加固兩岸堤防和新建1座攔河閘。

威井河(三坑鎮段)左岸為清西圍,2008年已按照防洪標準50年一遇進行加固,本次不予考慮。右岸為三坑南圍,現狀防洪標準為10年一遇,本次按照20年一遇防洪標準進行達標加固。由于威井河該段比降較大,枯水期河道基本無水,河灘地顯露出來,影響區域景觀。為達到生態景觀效果,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 設計壩型

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。由于該河段屬山區河流,來去水較快,所以攔河閘的形式選擇尤為重要,在洪水來臨時,需保障河道能及時泄洪。

2.1方案一：氣動盾閘

采用底板高程15.5 m、凈寬100.0 m氣動盾閘過流形式；氣動盾閘為美國專利產品,近幾年才引入國內。是在國內傳統擋水建筑物基礎上改良的一種新型水閘,主要由基礎、埋件、閘板、氣囊、控制帶和自動控制系統組成。工作原理為控制系統通過調節閘板后的氣囊,來控制閘板擋水高度,當氣囊完全泄氣后,閘板可完全臥于河底。

圖2 氣動盾閘設計剖面示意(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橡膠壩過流型式；是用高強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,通過充排壩袋用水(氣)來調節擋水高度。

圖3 橡膠壩設計剖面示意(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翻板閘的結構型式。其工作原理是杠桿平衡與轉動,利用水力和閘門重量相互制衡,通過增設阻尼反饋系統來達到調控水位的目的。

圖4 翻板閘設計剖面示意(單位：高程為m,其它為mm)

3 方案比選

3.1過流條件比較

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

方案二橡膠壩,當壩袋沖氣時,與方案一相似,形成溢流堰,洪水時,壩袋坍塌,相當于開敞式水閘,滿足行洪要求。

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

通過分析,三種方案的過流條件均滿足要求,既能保證上游水位,滿足灌溉發電需求,又能在洪水時及時行洪,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置傳統水閘配備結構(閘墩及檢修結構),土建工程量少,對地基要求不高,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、現場安裝,工程結構簡單,施工速度較快,工期短。氣動盾閘具有模塊化的特質,每一塊擋水板和對應的充脹氣囊為一個單元,安裝時模塊化安裝,統籌好各單元位置后就可以獨立施工。橡膠壩為一體結構,安裝時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,安裝時施工強度較大。

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,閘門可現場預制或工作制作,但土建工程量與方案一氣動盾閘、方案二橡膠壩相比較大,地基要求相對較高,施工難度相對較大,施工時間相對較長。

通過分析,方案一優于方案二、方案三。

3.3運行管理方面比較

方案一氣動盾閘、方案二橡膠壩,兩者在管理上方便靈活。在洪水時,方案一氣動盾閘正常運行時可通過自動控制閘門開度精確來控制水位,避免上游水位變化過大影響行洪。在緊急斷電時,也可采用手工調節氣囊來控制閘板高度。方案二橡膠壩通過放氣,使壩袋坍塌,從而避免上游水位變化過大。

方案一氣動盾閘通過控制閘門起伏,準確迅速控制水位,閘門起伏時間較短,約為30～40 min左右,方案二橡膠壩通過氣袋充排水或氣,使其充坍,一般時間較長,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水壓力的平衡來調節閘門的開啟度,通過水工模型試驗、設計工況確定設計參數,使多扇翻板門同步性較好,自動起閉。對于山區河流浮木、礫石、冰塊等雜物也會影響閘門的正常運行,閘門也無法像氣動盾閘一樣隨意控制開啟度。

因此,在運行管理方面,方案一優于方案二、方案三。

3.4維護管理方面比較

方案一氣動盾閘,當閘門臥倒后可以完全蓋住氣囊,避免河道水體中雜物經過時破壞氣囊,保證了氣囊的使用壽命,根據美國類似工程,目前氣囊已使用27年未更換。氣動盾閘由1個氣囊和1個閘門組成為一單元(4～6 m),整個工程由多個單元組成,維修工作也較為簡單,它的整體效率及使用壽命要比橡膠壩(包括任何系統)高出了3倍以上。

方案二橡膠壩,在陽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,一旦出現壩體破損就必須進行維修,否則無法正常運行,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,除銹刷漆任務也很小。通常維護工作可以在枯水期、放空上游的蓄水后進行,如果不具備放空條件的可使用檢修閘門作為臨時圍堰。

通過分析,方案一優于方案二、方案三。

3.5水環境方面比較

方案一氣動盾閘,閘門底部與下部基礎通過預埋件連接,在運行過程中可通過改變閘門后側氣囊氣壓來調節閘門擋水高度,水流可從閘門上方通過,形成良好的水景觀。

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

方案三翻板閘,水力自控翻板閘是通過上下游水位差來調節閘門的開啟度,如果想造成良好的水景觀效果,就需要增設一些輔助設備,同時也會增加工程投資。

通過分析,方案一優于方案二、方案三。

3.6生態環保方面比較

方案一氣動盾閘是利用空氣壓縮原理,通過氣囊充氣和排氣,使閘門提升和臥倒,控制氣囊的液壓啟閉機布置在配套的管理房屋內,不會造成水和周圍環境的污染。氣囊材料采用食品衛生級材料,保證了水質安全。氣動盾閘可分段獨立操作,可以形成魚道,不需要額外的工程措施來形成,氣動盾閘精確控制穩定水位,不會造成暴漲暴落,影響河道兩岸水鳥生存環境。

方案二橡膠壩本身不用機械用油,沒有污染水質的問題。橡膠壩無法以本身的系統來建立魚道,須增加額外的工程措施來形成；橡膠壩的高度會隨著上下游水位震動,不能精確控制水位,可能會影響河道兩岸水鳥生存環境。

方案三翻板閘的閘門、機械軸承必須要用機械用油潤滑,在安裝時或保養及損壞后非常容易污染水質和地域。翻板閘無法以本身的系統來建立魚道,須增加額外的工程措施來形成；翻板閘會因為閘門的突然動作淹沒兩岸的水鳥巢,破壞大自然的生態。

通過分析,方案一優于方案二、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,三種方案都滿足過流要求,方案一雖在投資上高于方案二、三,但在施工條件、運行管理、維護管理、水環境、生態環保等方面均有較大優勢。

考慮到威井河為山區河流,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久運行,而氣盾閘過流時溢流面為鋼閘門,抗沖擊性強,可靠度高,減少后期維修成本,同時該段河流水流較急,洪水時氣動盾閘可較快泄洪,本次新建推薦選用方案一的氣盾鋼閘門。

4 結語

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,隨著社會經濟的發展,水利工程擔負的責任也更加重大。在發展的同時,國家也提倡對新技術、新工藝及新材料的創新,氣動盾閘是在傳統橡膠壩和翻板閘基礎上進行改良的產品,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河流上,發揮了它獨特作用。

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

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

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

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

(本文責任編輯 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計工作。

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