“钢坝”水闸在小窑湾国际商务区内湖景观水利中的应用

赵岩松 伊佳倩 李媛媛

（大连市水利规划设计院 辽宁 大连 116021）

1 工程概述

小窑湾国际商务区内湖位于东侧卧龙河与西侧翔凤河之间，是两条河流连通的纽带。 根据规划，在内湖与两条河流相交处各设桥梁一座。为了拦蓄水体、形成湖面，需要在两端交通桥内湖侧合适位置各设挡水建筑物一座，以保证景观湖面的形成。 并满足内湖与人工河道通航及内湖水体交换的功能要求。

本工程的具体任务如下：

1）通过挡水建筑物的修建，可以满足景观对内湖水面的要求；

2）可根据挡水建筑上下游水位的变化，对挡水建筑物进行相应的控制，从而可以实现游船的通行；

3）通过对挡水建筑物进行相应的控制，可以实现对内湖水体交换的要求。

基于以上工程任务，需要对挡水建筑物的型式的选定进行定性的分析以及相应的方案比选工作。 以下将对其进行详细叙述。

2 设计参数

设计河底高程：-1.5m

设计挡水位：0.5m

50 年一遇设计洪水位：3.34m（外河）

设计高潮位（海口）：1.93m

设计闸孔净宽：10m

3 方案提出

综合分析本工程各方面对挡水建筑物的要求，本工程挡水建筑物的组合型式基本上可为如下组合：

方案（一）：采用混凝土挡水堰与钢坝闸（即底横轴翻转闸门）相结合的建筑物型式；

方案（二）：采用混凝土挡水堰与橡胶坝相结合的建筑物型式；

方案（三）：采用混凝土挡水堰与其它型式闸门（例如“人”字形船闸等）相结合的建筑物型式。

4 方案比选

方案（三）组合的闸门型式为单向受力、单向止水，不能满足本工程的双向受力、双向止水的要求，所以此方案行不通。故以下着重对其他两个方案进行比较，即钢坝与橡胶坝的比较。 方案比较主要从使用寿命、损坏及维修、运行情况、安全可靠性分析、冬季冰冻问题、防腐问题、淤积问题、能耗的对比及影响泄洪断面等九个方面进行相应的分析比较。 具体如下：

4.1 使用寿命

钢坝的设计使用寿命可达50～60 年，当前国际上最长寿命的钢性闸门为近百年。 国内最早的福建小溪电站为1958 年建成至今仍在使用， 同样的钢结构在解放前就开始使用一直运用至今的案例到处都有。而权威部门根据室内测试资料和工程实践初步判定橡胶坝的使用寿命10～15 年就必须更换一次坝袋。至今国内第一条橡胶坝的寿命未超过15 年， 上世纪我国东北地区建的许多橡胶坝已拆除，2005 年位于广西东笋电站建的橡胶坝也已拆除改建钢性闸门。一次钢坝的投资等于四次橡胶坝的投资（中间坝袋要换需要大量建设辅助工作不算）。

4.2 损坏及维修

4.2.1 坝的损坏

1）人为破坏造成的损坏

橡胶坝容易受到尖利和有尖角物体的损坏，在容易受到人为破坏或河道内有尖角物较多的地方不宜安装橡胶坝。

2）洪水过后的残骸造成的损坏，景观的影响

由于洪水过后遗留的各种残骸，诸如民用设施与建筑材料这类尖利的物体很可能对坝体的上游面造成损伤。 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。 每次升坝或塌坝后各种残骸遗留在坝袋上给景观带来极大影响， 运行单位每次都派员进行擦洗，工作量较大。

3）放气孔（水）造成的损坏

放气（水）期间，橡胶坝体可能会由于紧靠坝下游面的尖利物体所刺破。

4）火造成的损坏

（1）火也许是对橡胶坝最为不利的潜在危害因素。 火可引起大范围的坝体损坏，而修复大面积的坝体有时是不可能的。 对于很重要的坝，可行的办法是提供备用橡胶坝，以便在出现严重损坏时，能迅速替换。 运行成本大大增加。

（2）钢性闸门它本身属性决定上述情况都不会发生。 在此对钢性闸门进行了细致的分析，现在闸门的运转件采用特殊复合材料，该种材料在水下运行若干年无需加润滑油，也不会锈蚀。

（3）最近有资料报导山东某工程拦河橡胶坝运行五六年，就坝体已维修了三次，费用高达600 万元（其它未计算），而钢性闸门约三十年左右进行一次防腐即可。

4.3 运行情况

4.3.1 运行时间

橡胶坝是通过充气或充水达到升坝的目的，正常需要2～3 小时才能完全升或塌坝，时间较长。而钢性闸门采用启闭机启闭，运行速度可达1～2m/分钟，一般工程不超过2 分钟即可完成升坝和塌坝。 这样可有效的保证突发洪水时能及时泄洪。橡胶坝会随着使用次数和年份的增加而且使用充气（水）、排气（水）时间增长，因为坝内和管道内会结垢的原因。

4.3.2 运行可靠性

由于橡胶坝存在泄漏，原因是橡胶腊交联、刺伤、管道联结缺陷以及紧固系统和施工质量，故要不断经常性的充气，否则会出现过了一段时间坝泄气（水）自动塌下来的现象，有时河道内水流干都不知道，造成一定损失，而钢坝采用机械锁定，当塌坝、升坝和调节水位时任意角度都可锁定，不会发生移动。

4.3.3 坝顶溢流

橡胶坝设计规范中明确规定溢流不能超过50cm， 否则将易出现跨坝事件，而钢坝可有效的克服这一缺陷，可以长时间大流量的从坝顶溢流形成瀑布效果。

4.3.4 自动化程度高

橡胶坝一般难实现集中网络控制，而钢坝可以实现先进的自动化控制和网络控制，可以在全球任一互联网控制。

4.4 安全可靠性分析

橡胶坝一般须建一座供气站或水泵房，管路多且复杂，而钢坝仅仅配套二台驱动装置，该种型式驱动装置是一种新型驱动型式，它结构简单，操作方便，无须油管、泵站等附属设施，另该种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，操作力只需5kg。这样可以有效的保证塌坝时能塌坝，立坝时能立坝，安全性极高。

4.5 冬季冰冻问题

橡胶坝根据《设计规范》和实际使用情况，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。

到了冬季，将钢坝倾斜一定角度，此时若结冰，冰层可以沿着斜角向上延伸，从而有效的释放水结冰的膨胀力，这样钢坝不会受到任何破坏，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，钢坝可以轻松安全的度过冬季。

4.6 防腐问题

钢坝表面是按照《水利水电钢闸门制造标准规范》进行热喷锌，附着力极强，权威机构研究结果表明，沙的流速8≤m/s，不会对锌层构成破坏，一般河流的流速不可能达到这个速度。

4.7 淤积问题

钢坝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）不会影响钢坝的升坝和塌坝。

针对淤积较严重的地区，一般在坝前设挡沙（泥）槛和喇叭口。 一是为了有效的挡住大的石块，二是当塌坝泄洪时，提高坝口位置的流速，可有效的让泥沙、水混合物直接随洪水冲至下游。

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，但是钢坝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。另，行洪后我们会根据当地的泥沙含量分析出有多少量的淤沙（泥）沉淀在门体上，并通过淤沙（泥）量计算出升坝时需要的升坝力，充分考虑到升坝时克服淤沙（泥）的力量。

4.8 能耗的对比

100m 橡胶坝的用电负荷量最少需要功率100kw/小时左右， 每次升坝时间约为2～3 个小时。

钢坝闸比橡胶坝每年节省了相当大的用电量。

4.9 影响泄洪断面

橡胶坝设计规范要求坝的底坎高20cm，另外，塌坝时橡胶坝内的水不能完全放尽，形成不低于20cm 的高度，两者相加塌坝时在河流断面形成不低于40cm 的阻水断面，严重影响泄洪流量。 而钢坝无此影响。

5 方案选定

通过以上对钢坝和橡胶坝的诸多方面的综合比较可知：

方案（二）组合的橡胶坝运行调度时，控制困难且充气、放气过程耗时很长，大概需要三个小时左右，对本工程的运行管理不利；使用寿命短，一般15 年左右就要换一次坝袋；规范要求橡胶坝过流时，坝顶溢流高度不得超过50cm。 这些都不能满足本工程的要求。

方案（一）组合即能满足本工程双向受力、双向止水的要求，又能满足运行时开关耗时短（约几分钟）的要求；且设计使用寿命较长，达50～60 年。 闸顶可长期溢流，且高度可控。

6 结论

从满足工程运行和使用寿命的角度出发，方案（一）是最适合本工程的方案，故方案（一）为本工程的推荐方案，小窑湾国际商务区内湖挡水建筑物最终选定为混凝土挡水堰与钢坝闸 （即底横轴翻转闸门）相结合的建筑物型式是合适的。

［1］刘细龙，陈福荣，编著.闸门与启闭设备[M].北京：中国水利水电出版社出版，2002.