气动盾闸在威井河水景观工程中的应用

吕中海,孙 磊,朱远东

(广东省水利水电科学研究院,广东 广州 510635)



气动盾闸在威井河水景观工程中的应用

吕中海,孙 磊,朱远东

(广东省水利水电科学研究院,广东 广州 510635)

通过威井河拦河闸典型案例分析,在选择山区河流挡水建筑物时,从防洪安全方面考虑,选取各方面优于传统挡水建筑物的气动盾闸,不仅提高了河道的防洪安全,同时也提高管理部门工作效率。

气动盾闸；中小河流；方案比选

1 工程概况

威井河(又称漫水河)是北江的一级支流,发源于广宁县禾叉坳,河流在清新县地域内叫做威井河,其河流长度为22 km,集水面积为103 km2。清新新世界温泉度假村位于威井河(三坑镇段)两岸,是清远市重点开发项目,为保障度假村及三坑镇人民财产安全,由度假村方出资治理该段河流,治理主要内容为加固两岸堤防和新建1座拦河闸。

威井河(三坑镇段)左岸为清西围,2008年已按照防洪标准50年一遇进行加固,本次不予考虑。右岸为三坑南围,现状防洪标准为10年一遇,本次按照20年一遇防洪标准进行达标加固。由于威井河该段比降较大,枯水期河道基本无水,河滩地显露出来,影响区域景观。为达到生态景观效果,拟新建1座拦河闸,用于雍高该段河道水位。

图1 拦河闸平面布置示意

2 设计坝型

该段河道比降较大,新建拦河闸为了在枯水期雍高该段河道水位,提高度假村景观效果。由于该河段属山区河流,来去水较快,所以拦河闸的形式选择尤为重要,在洪水来临时,需保障河道能及时泄洪。

2.1方案一：气动盾闸

采用底板高程15.5 m、净宽100.0 m气动盾闸过流形式；气动盾闸为美国专利产品,近几年才引入国内。是在国内传统挡水建筑物基础上改良的一种新型水闸,主要由基础、埋件、闸板、气囊、控制带和自动控制系统组成。工作原理为控制系统通过调节闸板后的气囊,来控制闸板挡水高度,当气囊完全泄气后,闸板可完全卧于河底。

图2 气动盾闸设计剖面示意(单位：高程为m,其它为mm)

2.2方案二：橡胶坝

采用底板高程15.5 m、净宽100.0 m橡胶坝过流型式；是用高强度合成纤维织物加工成的胶布,将其锚固于底板上成封闭状的坝袋,通过充排坝袋用水(气)来调节挡水高度。

图3 橡胶坝设计剖面示意(单位：高程为m,其它为mm)

2.3方案三：翻板闸

采用底板高程15.5 m、净宽100.0 m翻板闸的结构型式。其工作原理是杠杆平衡与转动,利用水力和闸门重量相互制衡,通过增设阻尼反馈系统来达到调控水位的目的。

图4 翻板闸设计剖面示意(单位：高程为m,其它为mm)

3 方案比选

3.1过流条件比较

方案一气动盾闸,洪水时,闸门全开,闸门全部卧倒在河底,过流条件近似于现状天然河道,能满足行洪要求；在泄洪时,水流、冰块、浮木和砾石可直接在门体上方通过,保障河道内杂物及时排走。

方案二橡胶坝,当坝袋冲气时,与方案一相似,形成溢流堰,洪水时,坝袋坍塌,相当于开敞式水闸,满足行洪要求。

方案三翻板闸,当上游水位较低时,水重小于闸门自重,闸门关闭,与方案一相似,形成溢流堰,洪水时,水重大于闸门自重,形成泄洪通道,随着水位的升高,闸门开度越大,直至闸门完全放平,相当于开敞式水闸,满足行洪要求。

通过分析,三种方案的过流条件均满足要求,既能保证上游水位,满足灌溉发电需求,又能在洪水时及时行洪,保障防洪安全。

3.2施工条件比较

方案一、方案二一般不需要设置传统水闸配备结构(闸墩及检修结构),土建工程量少,对地基要求不高,可在既有地基上施工,且钢板挡水板和橡胶坝袋等均为工作制作、现场安装,工程结构简单,施工速度较快,工期短。气动盾闸具有模块化的特质,每一块挡水板和对应的充胀气囊为一个单元,安装时模块化安装,统筹好各单元位置后就可以独立施工。橡胶坝为一体结构,安装时必须考虑整体位置和左右岸位置余量的多种因素,而且坝袋自重较大,安装时施工强度较大。

方案三翻板闸采用水力自控翻板门,一般不需要隔墩、启闭设备等,翻板门需固定在支墩上,闸门之间用止水橡胶密封,闸门可现场预制或工作制作,但土建工程量与方案一气动盾闸、方案二橡胶坝相比较大,地基要求相对较高,施工难度相对较大,施工时间相对较长。

通过分析,方案一优于方案二、方案三。

3.3运行管理方面比较

方案一气动盾闸、方案二橡胶坝,两者在管理上方便灵活。在洪水时,方案一气动盾闸正常运行时可通过自动控制闸门开度精确来控制水位,避免上游水位变化过大影响行洪。在紧急断电时,也可采用手工调节气囊来控制闸板高度。方案二橡胶坝通过放气,使坝袋坍塌,从而避免上游水位变化过大。

方案一气动盾闸通过控制闸门起伏,准确迅速控制水位,闸门起伏时间较短,约为30～40 min左右,方案二橡胶坝通过气袋充排水或气,使其充坍,一般时间较长,充水约为4～6 h,充气约为1～2 h。

方案三翻板闸基于门体自重和动水压力的平衡来调节闸门的开启度,通过水工模型试验、设计工况确定设计参数,使多扇翻板门同步性较好,自动起闭。对于山区河流浮木、砾石、冰块等杂物也会影响闸门的正常运行,闸门也无法像气动盾闸一样随意控制开启度。

因此,在运行管理方面,方案一优于方案二、方案三。

3.4维护管理方面比较

方案一气动盾闸,当闸门卧倒后可以完全盖住气囊,避免河道水体中杂物经过时破坏气囊,保证了气囊的使用寿命,根据美国类似工程,目前气囊已使用27年未更换。气动盾闸由1个气囊和1个闸门组成为一单元(4～6 m),整个工程由多个单元组成,维修工作也较为简单,它的整体效率及使用寿命要比橡胶坝(包括任何系统)高出了3倍以上。

方案二橡胶坝,在阳光辐射和水体中的漂浮物接触摩擦的作用下,气袋很容易老化破损,使用寿命一般为3～7 a。由于橡胶坝为一整体,一旦出现坝体破损就必须进行维修,否则无法正常运行,在丰水期或汛期维修难度较大。

方案三翻板闸,用钢筋混凝土制造的水力自控翻板闸门所需要的维护工作很少,主要是除锈刷漆和更换止水橡皮,因其暴露的钢铁件很少,除锈刷漆任务也很小。通常维护工作可以在枯水期、放空上游的蓄水后进行,如果不具备放空条件的可使用检修闸门作为临时围堰。

通过分析,方案一优于方案二、方案三。

3.5水环境方面比较

方案一气动盾闸,闸门底部与下部基础通过预埋件连接,在运行过程中可通过改变闸门后侧气囊气压来调节闸门挡水高度,水流可从闸门上方通过,形成良好的水景观。

方案二橡胶坝,通过充排坝袋用水(气)将其充胀形成袋式挡水坝,由于橡胶坝为一整体,在充排过程中坝袋形态呈现不稳定性,水景观效果不如气动盾闸。

方案三翻板闸,水力自控翻板闸是通过上下游水位差来调节闸门的开启度,如果想造成良好的水景观效果,就需要增设一些辅助设备,同时也会增加工程投资。

通过分析,方案一优于方案二、方案三。

3.6生态环保方面比较

方案一气动盾闸是利用空气压缩原理,通过气囊充气和排气,使闸门提升和卧倒,控制气囊的液压启闭机布置在配套的管理房屋内,不会造成水和周围环境的污染。气囊材料采用食品卫生级材料,保证了水质安全。气动盾闸可分段独立操作,可以形成鱼道,不需要额外的工程措施来形成,气动盾闸精确控制稳定水位,不会造成暴涨暴落,影响河道两岸水鸟生存环境。

方案二橡胶坝本身不用机械用油,没有污染水质的问题。橡胶坝无法以本身的系统来建立鱼道,须增加额外的工程措施来形成；橡胶坝的高度会随着上下游水位震动,不能精确控制水位,可能会影响河道两岸水鸟生存环境。

方案三翻板闸的闸门、机械轴承必须要用机械用油润滑,在安装时或保养及损坏后非常容易污染水质和地域。翻板闸无法以本身的系统来建立鱼道,须增加额外的工程措施来形成；翻板闸会因为闸门的突然动作淹没两岸的水鸟巢,破坏大自然的生态。

通过分析,方案一优于方案二、方案三。

3.7工程投资方面比较

表1 工程投资比较

3.8 方案选取

综上所述,三种方案都满足过流要求,方案一虽在投资上高于方案二、三,但在施工条件、运行管理、维护管理、水环境、生态环保等方面均有较大优势。

考虑到威井河为山区河流,汛期上游浮木、杂物较多,橡胶袋和翻板闸门均容易受到损伤从而影响长久运行,而气盾闸过流时溢流面为钢闸门,抗冲击性强,可靠度高,减少后期维修成本,同时该段河流水流较急,洪水时气动盾闸可较快泄洪,本次新建推荐选用方案一的气盾钢闸门。

4 结语

在水利工程中使用较多的挡水建筑物分别为水闸、橡胶坝、翻板闸及水陂等,随着社会经济的发展,水利工程担负的责任也更加重大。在发展的同时,国家也提倡对新技术、新工艺及新材料的创新,气动盾闸是在传统橡胶坝和翻板闸基础上进行改良的产品,大大提高了建筑物使用年限和管理成本,特别使用于防洪要求较高的山区河流上,发挥了它独特作用。

[1] 陈东清.气动盾形闸门系统在南明河水景观工程中的应用[J].水利建设与管理,2013(12)：59-61．

[2] 周经渊.水利自控翻板闸门的研究与应用[J].水利发电学报,2007,26(6)：73-76．

[3] 陶光慧.浅谈城市景观翻板闸门的设计选型[J].四川水利发电,2014,33(1)：75-78．

[4] 陈东清.不同挡水建筑物方案的应用比选[J].水利规划与设计,2014,4(1)：56-59．

[5] 郑红,韩立阳,其其格.河道综合整治工程景观壅水闸坝应用与分析[J].东北水利水电,2016,2(3)：69-70．

(本文责任编辑 马克俊)

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

吕中海(1982),男,本科,工程师,从事水利水电工程勘察设计工作。

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