大跨度高水頭氣盾壩在鄭集河輸水?dāng)U大工程中的應(yīng)用

張麗萍 董 雷 鄒福建 王曉婧

（1.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院 徐州 221100 2.徐州市銅山區(qū)水務(wù)局 徐州 221116）

1 概述

鄭集河輸水?dāng)U大工程是江蘇省南水北調(diào)一期配套工程的重要組成部分，該工程的建設(shè)是落實(shí)江蘇省南水北調(diào)一期配套工程建設(shè)目標(biāo)的具體體現(xiàn)。鄭集河輸水?dāng)U大工程補(bǔ)水灌溉范圍181萬(wàn)畝，工程等別為Ⅰ等。鄭集河口壩位于鄭集河樁號(hào)Z30+070處，具有引水、蓄水、通航和排澇等功能。當(dāng)微山湖水位較高時(shí)，塌壩引水；當(dāng)微山湖水位較低時(shí)，升壩蓄水，由順堤河引水至鄭集河。鄭集河口壩20年一遇行洪流量為540m3/s，屬于1級(jí)水工建筑物。鄭集河口壩處河底高程27.50m，河道底寬45m，最高擋水水位31.57m，最高擋水高度4.07m。

2 可選壩型

鄭集河口壩壩型可采用橡膠壩+通航孔、鋼壩及氣盾壩等多種方案。橡膠壩具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、造價(jià)較低、技術(shù)較成熟等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)有較廣泛應(yīng)用。但橡膠壩壩袋材料生產(chǎn)比較復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)充水（充氣）升壩或放水（放氣）塌壩時(shí)間較長(zhǎng)，影響快速截流或泄洪，同時(shí)橡膠易受河道中的尖銳物體劃破，耐久性一般[1-3]。因此在鄭集河口壩壩型比選中首選型式新穎、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的鋼壩和氣盾壩。鄭集河口壩壩長(zhǎng)45m，最高擋水水頭為4.07m，對(duì)于鋼壩和氣盾壩，皆屬于大跨度高水頭建筑物。

2.1 鋼壩

鋼壩是一種可調(diào)控溢流壩，學(xué)術(shù)名為底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門(mén)，是一種通過(guò)驅(qū)動(dòng)底軸來(lái)操控閘門(mén)啟閉的一種閘門(mén)結(jié)構(gòu)，由液壓?jiǎn)㈤]機(jī)驅(qū)動(dòng)閘門(mén)繞底軸軸心線(xiàn)旋轉(zhuǎn)。這種建筑物適合于閘孔較寬（10～100m）而水位差比較小的工況（1～7m）[4-6]，由于鋼壩可以設(shè)計(jì)的比較寬，可省去數(shù)孔閘墩，所以不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省不少土建投資，而且可立門(mén)蓄水，臥門(mén)排水，還可利用閘門(mén)門(mén)頂過(guò)水，形成人造瀑布景觀。

鋼壩由門(mén)葉、底軸、底鉸座、自潤(rùn)滑軸承、底水封、側(cè)水封、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)以及液壓鎖定裝置等組成，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。閘門(mén)啟閉運(yùn)行時(shí)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)通過(guò)拐臂驅(qū)動(dòng)底軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)使門(mén)葉以底軸中心為圓心作扇形轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。閘門(mén)開(kāi)度（或轉(zhuǎn)角）取決于鎖定裝置的鎖定位置或液壓?jiǎn)㈤]機(jī)活塞桿持住位置，閘門(mén)的開(kāi)度范圍為垂直與水平之間（0～90°）的任意位置或角度。

2.2 氣盾壩

氣盾壩又名氣動(dòng)遁形閘門(mén)，是綜合傳統(tǒng)鋼閘門(mén)及橡膠壩優(yōu)點(diǎn)的一種新型擋、泄水建筑物。氣盾壩由美國(guó)OHI公司研制，該公司于1988年在美國(guó)成功完成了世界上第一道氣盾壩的建設(shè)。氣盾壩引入國(guó)內(nèi)后，至今在國(guó)內(nèi)已建成并投入使用100多座，目前已被水利部認(rèn)定為水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，并列入《2017年度水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》。該壩型不受地理?xiàng)l件限制，適用于景觀、蓄水、通航等工程，特別適用于洪水暴漲暴落，漂浮物和滾石、泥沙夾雜較多的河道。

氣盾壩結(jié)構(gòu)主要由盾式門(mén)板、氣囊、錨固預(yù)埋件、空壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五大部分組成，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。門(mén)體擋水面是一排強(qiáng)化鋼板，氣袋支撐在鋼板下游面，利用氣袋的充氣或排氣控制門(mén)體起伏和支承閘門(mén)擋水，并可精確控制閘門(mén)開(kāi)度。

在擋水運(yùn)行時(shí)，支撐氣囊隱藏在面板之后，水流和漂浮物越面板而過(guò)，支撐氣囊和附屬系統(tǒng)不受沖刷，不再懼怕漂浮物穿刺、劃傷；盾板塌落時(shí)，面板將氣囊完全覆蓋，氣囊與流水、沙石、冰凌完全隔開(kāi)，氣囊也不因流水的拍打、震動(dòng)產(chǎn)生磨損，氣囊處于更安全的保護(hù)環(huán)境。盾板塌落后門(mén)體全部倒臥在河底，不影響景觀、通航和水生動(dòng)物的回游。

氣盾壩的氣囊與鋼盾板之間為一體式軟連接、無(wú)需潤(rùn)滑油或其他連接件，因此其壩體本身無(wú)需像其他壩型一樣定期修補(bǔ)壩袋、更換連接耗損零部件或上潤(rùn)滑油等日常維護(hù)措施。

3 壩體型式比選

3.1 不均勻沉降對(duì)壩體影響

鋼壩：壩體中底軸作為門(mén)葉豎向懸臂梁的固端和閘門(mén)啟閉驅(qū)動(dòng)軸，對(duì)基礎(chǔ)的不均勻沉降要求高。

氣盾壩：壩體對(duì)不均勻沉降要求較低；氣盾壩為模塊化設(shè)計(jì)，跨間采用聚酯纖維強(qiáng)化的合成橡膠連接，適應(yīng)變形能力較強(qiáng)。

3.2 壩體結(jié)構(gòu)

鋼壩：鋼壩在國(guó)內(nèi)應(yīng)用高門(mén)體大跨度案例較少，需專(zhuān)門(mén)針對(duì)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行專(zhuān)題研究[7]；根據(jù)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)內(nèi)設(shè)定的鎖定功能實(shí)現(xiàn)角度調(diào)節(jié)；由于鄭集河口壩門(mén)體高度較高，跨度較大，所需直徑為1.5m的底軸，按照航道部門(mén)要求門(mén)體下臥時(shí)需低于河底，鋼壩的控制系統(tǒng)需要較大和較深的空間。

氣盾壩：氣盾壩設(shè)計(jì)壩高0.5～8m，單跨長(zhǎng)5～160m，且在北京、貴州、山東等地已有多處建成100m以上的大跨度氣盾壩[8-10]；目前國(guó)內(nèi)高門(mén)體氣盾壩的核心部件氣囊基本均采用進(jìn)口設(shè)備；對(duì)施工期的技術(shù)和安裝要求較高。

3.3 運(yùn)行管理

鋼壩：鋼壩面板堅(jiān)固，不易損壞；通過(guò)底軸驅(qū)動(dòng)閘門(mén)，不受雜物淤積影響，運(yùn)行可靠；油壓系統(tǒng)在地面下，管理不便。

氣盾壩：氣囊處于盾板下方，免受河道泥沙沖刷及日光直射，使用安全；充氣系統(tǒng)可位于地面上，管理方便，氣盾壩為模塊化設(shè)計(jì)，可簡(jiǎn)化安裝過(guò)程及后期維護(hù)。

3.4 對(duì)環(huán)境影響

圖1 鋼壩結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 氣盾壩結(jié)構(gòu)示意圖

鋼壩：通過(guò)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)調(diào)節(jié)閘門(mén)開(kāi)度，可形成人工瀑布景觀；存在液壓油泄露造成水體污染的隱患。

氣盾壩：通過(guò)氣囊充排氣調(diào)節(jié)閘門(mén)開(kāi)度，可形成人工瀑布景觀；氣袋采用食品級(jí)材料制成[11]，以壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)閘門(mén)開(kāi)度，無(wú)漏油及機(jī)械雜質(zhì)的問(wèn)題，不會(huì)造成污染。

3.5 壩體安裝維修

鋼壩：對(duì)安裝要求較高，底軸橡膠止水更換困難；鄭集河口壩底軸直徑1.5m，長(zhǎng)度約50m，需現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝并二次防腐，加工工藝高，安裝難度大。

氣盾壩：組合式的模塊單元，重量輕，安裝時(shí)不需要大型起重設(shè)備，省時(shí)省力；對(duì)安裝技術(shù)要求較高，需專(zhuān)業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)鋼壩和氣盾壩的工作原理及適用情況，這兩種壩型均適合鄭集河口壩，結(jié)合鄭集河口壩引水、排澇、通航等功能需要，綜合考慮氣盾壩和鋼壩的特點(diǎn)，該工程最終選用具有結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、運(yùn)行管理方便、環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)的氣盾壩方案。氣盾壩具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，相信在不久的將來(lái)，氣盾壩將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。氣盾壩在該工程中的成功應(yīng)用，可為大中型工程的建設(shè)提供參考■