钢坝闸——一种新型挡水结构的设计和应用

蔡金丽 孟建发

（太原市水利勘测设计院 太原 030002） （河北省石津灌区管理局 石家庄 050000）

钢坝闸
——一种新型挡水结构的设计和应用

蔡金丽 孟建发

（太原市水利勘测设计院 太原 030002） （河北省石津灌区管理局 石家庄 050000）

钢坝闸作为一种新型的挡水结构，克服了橡胶坝容易被尖锐物刺破、易老化、充塌坝时间长影响行洪等不利条件，是一种新型可调控溢流闸门，启闭简单，使用维护便利，非常适用于北方多泥沙河流的挡水蓄水工程，近年来得到了较多的应用。

钢坝闸 橡胶坝 挡水 结构原理

1 引言

在水利水电建设中，随着城市用水、景观建设及环境整治和灌溉、发电工程的需要，翻板闸、水闸和橡胶坝得到广泛的运用。近年来，由于橡胶坝具有结构简单、施工方便、可按需要调节水位、操作灵活、节省钢材、造价低廉等优点，被广泛运用于水利水电工程建设中。尤其是其坝体能自由充胀和塌缩、蓄泄控制自如，以及跨度大、景观协调性好、坝顶可溢流等诸多特点，使橡胶坝在防洪河道治理及城市生态景观建设中得到了更为广泛的应用。

然而，橡胶坝也有其自身的弱点，由于橡胶坝是由高分子合成材料聚合而成，坝袋容易被尖锐物刺破，长期在室外环境中坝袋易老化，同时运行时充水（充气）升坝或放水（放气）塌坝时间较长，影响快速截流或泄洪，给河道行洪带来一定的安全隐患。现行的钢结构闸门，无论是提升式水闸还是卧倒式翻板闸，由于受闸门自重和提升设备的限制，单孔孔径都很小，加之上部启闭设备复杂，很难适应城市河道景观美化的要求。

钢坝闸既克服了传统钢闸门孔径小、启闭设备复杂等缺点，又克服了橡胶坝易老化、塌立坝速度慢等缺点，是一种新型可调控溢流闸门。它由带固定轴的钢闸门门体、液压启闭设备和配套土建结构工程等组成。这种建筑物适合于闸孔较宽（10～100m）而水位差比较小（1～7m）的工况，由于它可以设计得比较宽，可以省掉数孔闸墩，因此不仅结构简单美观，而且可以立门蓄水，卧门行洪排涝，适当开启调节水位，还可以利用闸门门顶过水，形成瀑布的景观效果（见图1）。

图1 钢坎闸景观

2 钢坝闸结构设计和应用

2.1 工作原理

钢坝闸不同于以往的钢闸门，它是由底部带固定轴，并与钢闸门门叶铆接在一起组成，闸门的启闭靠埋设于两侧边墩内的液压启闭机带动轴转动，从而达到使闸门立门蓄水、卧门行洪排涝的目的。它在挡水时还可以适当调节一定开启角度来调节水位，同时可以利用闸门门顶过水，形成瀑布的景观效果。

钢坝闸是一种特殊结构的水闸型式，它没有底门槽和侧门槽，是门叶围绕底轴心转动的结构。上游止水压在圆轴上，当门竖起或倒下时，止水不离圆轴的表面，始终保持密封止水状态；侧止水固定在门的两侧，采用“Π”形止水形式，依靠橡皮止水与侧墙的挤压力达到止水的目的。闸门卧倒时，止水面始终不离开侧胸墙（不锈钢埋件），因此不会造成侧漏水，也不会影响钢坝闸门的开启和关闭。

2.2 钢坝闸的启闭设备

传统的闸门启闭机有卷扬式和螺杆式两种，这两种启闭机不仅外形复杂，不能满足景观要求，安装也极不方便，需要大量的土建支持和许多辅助设施。

钢坝闸的突出优点就是采用了集成式启闭机。这是一种新型的机电液一体化的液压启闭机，通过液压杆的平行移动带动钢坝闸底轴转动，完成闸门的启闭（见图2）。它只需要简单的预埋就可以实现长期稳定地工作，既达到了其他启闭形式无法达到的景观效果，也减少了工程投资额，更为将来极少的维护减少了许多管理工作。

2.3 配套土建工程

钢坝闸所需配套土建工程与一般水闸大致相同，有铺盖段、底板段、消力池段等。其中底板为台阶式，将转轴置于设计底板高程以下，以便闸门在卧倒时与底板面齐平，有利于河道泄洪、排沙。由于底止水和侧止水与常规水闸设置不同，所以不需设底门槽和侧门槽，边墩与启闭机室布置为一体。钢坝闸相对于一般水闸的突出优点就是它能适用于跨度较大的河道，其单孔闸孔宽度可50～60m，因此其中墩设置较少，对河床的束窄率低，能满足河道泄洪要求。

3 钢坝闸主要优缺点

3.1 优点

相对于常规水闸和橡胶坝，钢坝闸无论是从结构型式还是美观实用上，都有着诸多优点：

图2 钢坝闸启闭设备

a.从美观和安全适用情况来看，常规水闸由于受启闭设备的限制，单孔尺寸一般都不超过10m，这样不仅需要设置很多的中墩，土建工程增加，而且对河道行洪和美观上都有一定的影响。橡胶坝克服了以上缺点，但是橡胶坝坝袋易被尖锐物刮破，且其充塌坝时间较长，对于北方季节性河道来说，一是洪水期河道内夹杂的大石块或树枝等较多，坝袋容易被刮破，二是塌坝时间长（约30~80min左右），容易对防洪留下隐患。同时橡胶坝还存在被人为造成破坏、被漂浮物刺破、坝体振动磨损、坝与两岸的磨损、火灾等诸多隐患。钢坝闸很好地解决了上述几方面的问题，刚性的门体本身就具有较强的坚硬性，不易被损坏，而且钢性闸门采用液压启闭机启闭，运行速度可达1~2m/min，经计算不超过2min即可完成开闸和闭闸，可有效地保证突发洪水时能及时泄洪。

b.从使用耐久性来看，钢坝闸的设计使用寿命可达50~60年，当前国际上最长寿命的闸为近百年。而橡胶坝10~15年就必须更换一次坝袋。

c.从运行可靠性上分析，橡胶坝一般须建一座供气站或抽排水泵房，管路多且复杂，而钢坝闸门仅仅配套二台集成式启闭机，该种启闭机是一种新型启闭机，它结构简单，操作方便，无需油管、泵站等附属设施，另外该启闭机配备了手动装置，操作力只需50N，可以有效保证塌坝时能塌坝、立坝时能立坝，安全性极高。

d.从运行能耗上来看，100m长的钢坝闸只需要4台液压启闭机，每台液压启闭机的额定最大功率为15kW。100m的钢坝闸用电负荷量只需60kW·h左右，每次升坝时间约为2～3min；而100m橡胶坝的用电负荷量最少要在100kW·h左右，每次升坝时间约为3～6个h或更长。因此钢坝闸比橡胶坝可节省相当大的用电量。

e.从管理上看，钢坝闸操作简单，仅需配备一两名运行维护人员，还可以实现先进的自动化网络控制，相比橡胶坝可大大减少运行管理人员。

f.在冬季运行的问题上，钢坝闸可以轻松安全地度过冬季，一般情况下钢坝闸的蓄水位比橡胶坝高几十厘米，所以到了冬季，将钢坝闸倾斜一定角度，此时若结冰，冰层可以沿着斜角向上延伸，从而有效地释放冰的膨胀力，这样钢坝闸不会受到任何破坏。另外由于钢材本身的坚硬特质，每年春天的凌汛均可以完全在坝顶泄洪。而橡胶坝根据实际使用情况，冬季一旦结冰就必须做好刨冰工作，否则将对橡胶坝造成致命的损坏，而刨冰工作完全依靠人工完成，既耗时又耗力，且给管理带来极大的不便。到春天解冻时，冰凌不能在橡胶坝上溢流，结实而锋利的冰块很可能把橡胶坝划破。

3.2 缺点

钢坝闸的缺点主要表现在门体需要耗费大量的钢材，一次性投资较大。橡胶坝工程（含土建及泵站工程）挡水高度3m时，每延米投资约4.8万元，同样情况下钢坝闸每延米投资约8万元，高于橡胶坝工程。

4 结语

钢坝闸作为一种新型的挡水结构，克服了橡胶坝容易被尖锐物刺破，易老化，充塌坝时间长影响行洪等不利条件，是一种新型可调控溢流闸门，可以立门蓄水、卧门行洪排涝，启闭闸门靠隐藏在边（中）墩的液压设备，启闭简单，适当开启可以调节水位，还可以利用闸门门顶过水，形成瀑布的景观效果，非常适用于北方多泥沙河流的挡水蓄水工程。

由于钢坝闸为一新兴的事物，目前还没有国家统一设计规范，生产厂家也较少，据了解其底部采用的滚轴国内还不能生产，只能从德国进口，但考虑到其与橡胶坝相比有诸多优点，相信在不远的将来，随着钢坝闸技术的日臻成熟，钢坝闸的应用会越来越广泛。