底横轴旋转钢闸门与橡胶坝分析比较及应用

张家松

（山东省临沂市水利勘测设计院，山东 临沂276000）

1 概述

近几年，我国水利工程建设不仅要满足基本的防洪、除涝、灌溉、发电等基本要求，还要满足景观要求。在这种情况下，底横轴旋转钢闸门及橡胶坝得到了广泛应用。两者均具备大跨度、可溢流、景观效果好等特点，但同时也具备各自的诸多缺点。本文对两者各自的优缺点分别论述。

2 底横轴旋转钢闸门

底横轴旋转钢闸门是一种用于城区河道工程的新型液压驱动式闸门，由土建、带固定轴的钢结构门叶、驱动装置设备等组成。

2.1 工作原理

底横轴旋转钢闸门由门叶、底横轴、底铰座、自润滑轴承、底水封、侧水封、液压启闭机及液压锁定装置等组成。门叶的下端与底横轴固定连接，底横轴与埋置于闸底板的铰支座连接，底横轴的两端分别固定连接启动臂，启动臂的上端分别与对应的液压启闭机的伸缩杆铰连接，液压启闭机铰连接在支座上，支座内分别设置锁定装置，锁定装置的一端分别与启动臂铰连接。液压启闭机通过启动臂驱动底横轴转动，从而带动闸门做弧形运动，并由锁定装置控制闸门的开启角度。

2.2 特点

2.2.1 适合于大跨度、低水头拦河建筑物

底横轴翻转门适用于较宽（20～100m）河道的挡水或水位调节，一般用于上下游水位差不大于7m的情况。

2.2.2 结构简单，隐蔽性好

土建结构主要包括底板、中墩、边墩、启闭机室等，无须油管、泵站等附属设施。

2.2.3 景观效果好，坝顶可溢流

底横轴旋转钢闸门在启闭过程中，底止水和侧止水始终保持密封止水状态，不会产生渗漏，从而可以坝顶过水，形成人工瀑布的景观效果。

2.2.4 不易损坏，使用寿命长

底横轴旋转钢闸门是由钢板焊接并进行防腐处理而成，并且运转件采用特殊复合材料，在水下运行若干年无需加润滑油，也不会锈蚀。底横轴旋转钢闸门的设计使用寿命可达50～60a。

2.2.5 启闭时间短

闸门采用启闭机启闭，运行速度可达1～2m/min，一般工程不超过2min即可完成升坝和塌坝，可有效保证突发洪水时能及时泄洪。

2.2.6 安全可靠性较高

底横轴旋转钢闸门配套新型驱动装置，具有结构简单，操作方便，无须油管、泵站等附属设施，另驱动装置配备了手动装置，若由于停电或其他故障可以手动操作，这样可以有效保证及时塌坝、立坝，安全性极高；另外底横轴旋转钢闸门运行时，可任意角度实现机械锁定，保证了运行可靠性。

2.2.7 解决冬季冰冻问题

到了冬季，将底横轴旋转钢闸门倾斜一定角度，此时若结冰，冰层可以沿着斜角向上延伸，从而有效释放水结冰的膨胀力，这样底横轴旋转钢闸门不会受到任何破坏，另由于钢材本身的坚硬特性，每年春天的凌汛可以安全在坝顶泄洪，底横轴旋转钢闸门可以安全度过冬季。

2.2.8 解决淤积问题

底横轴旋转钢闸门是一种特殊结构的坝闸形式，它没有底门槽和侧门槽，是门叶围绕底轴心旋转的结构。上游止水压在圆轴上，当坝竖起或倒下时，止水不离圆轴的表面，始终保持密封止水状态；侧面止水同样的原理，止水面始终不离开侧胸墙（不锈钢埋件或大理石），故淤沙（泥）不会影响底横轴旋转钢闸门的升坝和塌坝。

北方地区立坝蓄水是该坝的主要功能。立坝时间较长易淤积，但是底横轴旋转钢闸门是围绕底轴向下游倾倒，故塌坝时淤积的泥沙被水流冲向下游，不可能形成阻塞。

2.2.9 工程造价较高，但运行费用较低

以挡水高度3m，单孔跨度30m为例，底横轴旋转钢闸门每m造价6万元（不包含土建费）。

3 橡胶坝

橡胶坝是用胶布按要求的尺寸，锚固于底板上成封闭状，用水（气）冲胀形成的袋式挡水坝，是一种新型挡水建筑物。

3.1 工作原理

拦蓄时，通过充水（气）系统将坝袋冲胀，依靠充胀的袋体挡水；泄洪或坍坝时，通过排水（气）系统，放空坝袋内的水（气），恢复原河道的行洪断面。充排水（气）系统是橡胶坝能否安全运行的关键。

3.2 特点

3.2.1 适合于大跨度、低水头拦河建筑物

橡胶坝适用于较宽河道的挡水或水位调节，单孔净跨可达100m以上；一般用于上下游水位差不大于5m的情况。

3.2.2 结构较简单

结构简单，但隐蔽性较好，须建一座供气站或水泵房，管路多且复杂。

3.2.3 景观效果好

景观效果好，可坝顶溢流。

3.2.4 易损坏老化，使用寿命短

橡胶坝容易受到尖利和有尖角物体的损坏，微小处的漏气易于修复，如果漏气面积较大，修复起来比较困难，则需要彻底更换坝袋。橡胶坝的使用寿命10～15a。

3.2.5 启闭时间长

橡胶坝是通过充气或充水达到升坝的目的，正常需要2～3h才能完全升坝或塌坝，时间较长。

3.2.6 安全可靠性较低

橡胶坝由于存在橡胶腊交联、刺伤、管道联结缺陷及紧固系统和施工质量等问题，会存在泄漏问题。

3.2.7 冬季冰冻问题严重

冬季一旦结冰必须做好刨冰工作，否则将对橡胶坝的使用造成致命的损坏，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。

3.2.8 工程造价相对较低，但运行管理费用较高

以挡水高度3m为例，橡胶坝每m造价0.65万元（不包含土建费）。

4 工程实例

霸王河地处内蒙古乌兰察布市中部，是内陆水系黄旗海水系中流域面积第二大的河流，自北向南穿越乌兰察布市区。总控制流域面积899km2，全长93.1km，河道平均比降0.517%。为改善城市环境，提升城市品味，带动沿河的经济发展，2010年对霸王河进行综合治理。

4.1 方案比选

工程设计方案确定前，对霸王河进行了详细的工程论证，主要有：

（1）拦河建筑物位于霸王河水库下游600m，水库泄洪时要求拦河坝快速启闭；

（2）洪水含沙量大，淤积问题严重，充分考虑淤积对拦河建筑物启闭造成的影响；

（3）河道内平时干枯无水，橡胶坝充水难的问题突出；

（4）冬季气候寒冷，最低气温-33.7℃，冰冻问题突出；

（5）河道宽度相对较窄，挡水高度较小；

（6）工程景观效果要求较高；

针对以上工程特征，结合底横轴旋转钢闸门及橡胶坝的比较分析，综合确定采用单孔跨度30m的底横轴旋转钢闸门。

4.2 拦河建筑物的总体布置

拦河建筑物位于霸王河水库大坝下游600m，霸王河中泓桩号8+200处，由底横轴旋转钢闸门及副坝组成。底横轴旋转钢闸门布置于右岸主河槽内，副坝布置于左岸河道滩地内，小洪水时开启闸门泄洪，大洪水时闸及副坝同时行洪。

4.2.1 底横轴旋转钢闸门工程

底横轴旋转钢闸门自上游至下游依次为铺盖段、闸室段、消力池段、海漫段。

（1）上游铺盖段。顺水流方向长9m，宽65m，上游端底高程1339.2m，下游端接底板高程1339.5m，铺盖段采用C30钢筋混凝土结构；铺盖段两岸采用C30钢筋混凝土悬臂挡土墙护岸。

（2）闸室段。顺水流方向长度11.0m，总宽65m，共2孔，单孔净宽30m，挡水高度2.0m，闸底板顶高程1339.5m，正常蓄水位1341.5m，坝室段采用C30钢筋混凝土结构。中墩内为启闭机室，采用C30钢筋混凝土结构。

（3）消力池段。消力形式为底流式消力，消力池段由陡坡段与水平段组成。陡坡段上游有1.0m的水平段与坝室段相连，陡坡段的坡度为1∶4，顺水流方向水平投影长度为5.8m；水平段顺水流方向长7.2m，池底高程1337.5m，池坎厚1.2m，坎顶高程1338.7m，消力池段采用C30钢筋混凝土结构，消力池段两岸采用C30钢筋混凝土悬臂挡土墙护岸。

（4）海漫段。海漫长10m，厚1.5m，海漫段采用格宾网填块石结构，海漫段两岸采用C30钢筋混凝土悬臂挡土墙护岸。

4.2.2 副坝工程

副坝总长173m，顶高程1341.5m，顶宽5m，上、下游坡比1∶8，表面采用格宾网填鹅卵石护坡，中间填筑砂砾料。

（1）上游护坡自上而下依次为：格宾网填鹅卵石护坡厚400mm，级配碎石厚100mm，反滤土工布1层，砂粒料回填厚1400mm，防渗土工膜1层，中粗砂保护层厚200mm。

（2）下游护坡自上而下依次为：格宾网填鹅卵石护坡厚400mm，级配碎石厚100mm，土工布1层，中粗砂保护层厚100mm。

副坝顶部采用奇石覆盖，奇石底部采用宽2m的C25钢筋混凝土堰为底座，奇石与堰之间用M10砂浆粘结。

副坝下游坡脚处设抛石防冲槽，以避免副坝溢流后对下游坡脚进行冲刷。

5 结语

底横轴旋转钢闸门作为一种新型的挡水结构，克服了橡胶坝存在的诸多缺点，具有结构简单、安全可靠、启闭时间短、景观效果佳、使用寿命长等优点。相比橡胶坝工程造价相对较高，但他非常适用于北方寒冷及多泥沙的河流中应用。

内蒙古乌兰察布市霸王河工程实施后，取得了良好的社会效益和经济效益。

［1］GB/T50662—2011，水工建筑物抗冰冻设计规范［S］.

［2］SL227—98，橡胶坝技术规范［S］.

［3］高本虎.橡胶坝工程技术指南［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.

［4］GB50017—2003，钢结构设计规范［S］.

［5］SL265—2001，水闸设计规范［S］.