合页活动坝在北方景观生态河流建设中的应用

赵月芬，王 湛，耿晔晗，吴海涛，李凯旋

(1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048；2.敦化市水利局，吉林 延吉 133700)

1 工程背景及概况

1.1 工程背景

敦化市牡丹江水利景观拦河坝工程位于牡丹江干流上游，依据2007年《牡丹江梯级开发总体规划》及2014年《延边州水生态文明城市试点建设方案》，拟在05桥上游100m至敖东工业园段河道之间建设六鼎山、双胜及敖东三座活动拦河坝，使之与原有1#、2#拦河坝结合，形成5个连续景观湖面，美化城市风景，项目区位如图1所示。作为水生态文明试点城市示范项目，工程要求贯彻水安全、水环境、水景观、水文化、水经济、水管理六水合一的现代化生态水利设计理念[1]，工程建成应为集蓄水、景观、生态、休闲娱乐等为一体的水生态文明城市精品工程。

图1 敦化市牡丹江水利景观拦河坝区位图

1.2 工程概况

本流域属北温带大陆性季风气候区，寒暑温差悬殊，冰期长(11月中旬—翌年3月下旬)，极端低温-38.3℃(1970年1月4日)。多年平均降水量为633.2mm，降水量年内分配不均匀，降水主要集中在6—9月，占全年降水量的73.6%。多年平均蒸发量为1223.8mm。多年平均风速为3.10m/s，历年最大平均风速为16.8m/s，历年汛期(7、8、9月)最大平均风速为11.4m/s。20年一遇洪峰流量1060m3/s，50年一遇洪峰流量1480m3/s。坝址区域构造属于基本稳定区，3座拦河坝均处于同一地貌单元，地层结构基本一致。水库区淤积、塌岸问题不大，但存在一定的浸没、渗漏问题。

根据GB 50201—2014《防洪标准》[2]、SL 252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》[3]和GB 50286—2013《堤防工程设计规范》[4]的规定，牡丹江水利景观拦河坝工程为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级，相应的洪水标准，即正常运行期为20年一遇，非常运行期为50年一遇，临时工程洪水标准为非汛期洪水5年一遇。本工程包括景观拦河坝、控制房、海漫、护岸、鱼道等建筑物，长度分别为188m、212m和56m，高度均为2m。

2 闸型适用性分析

依据敦化市水生态文明建设总体要求和目标，在注重增加市区水域面积的同时，充分考虑维护河道自然属性，综合考虑国内外目前较为成熟应用的四类活动坝型，包括合页活动坝、钢坝闸、液压升降坝和气盾闸，四类闸型如图2所示。四类闸型经过合理设计基本能满足本工程要求，但各类坝体在本工程中的性能表现各有特点[5- 6]。本文结合河道特点、工程建设目标等，就不同闸型在行洪安全、景观、冬季运行等技术特点、运行维护及投资等因素进行综合考虑分析，优选出适合本工程的坝型[7- 8]，也为同类项目设计拓宽思路。

图2 活动拦河坝工程照片展示

2.1 行洪安全

整治河段位于城区，河道宽度基本已限定，为不影响原有河道行洪安全，所选坝型不宜减少原有河道断面。所选四类闸型在洪汛期全部放倒，紧贴河床，闸体结构不影响河道行洪。但对于钢坝闸，河道中至少增设3个宽约3m的中继启闭机房，对河道行洪安全及水流形态有一定影响，且中继启闭机房的运行管理较其它闸型明显复杂，设计时应予以考虑。其它3类坝型均可不设中墩，也无中继启闭机房。

由于城市河道行洪关系到城市居民生命财产安全，因此洪汛期拦河坝的安全快速放坝首选必备功能。液压升降坝采用主缸支撑与辅缸配合固定杆锁定的两套联动液压系统控制模式。在降坝程序较为繁琐耗时，须先采用主缸回顶，卸去固定支撑杆对卡槽压力，再利用卡槽底部辅液压缸回顶托起固定支撑杆，再缩回主缸，带动固定支撑杆滑出卡槽，进行降坝动作[9]。本工程受坝顶过流、下游洄水水位较高、冰冻等因素限制，该降坝操作过程耗时长，解锁可靠性较受限制。汛前提前解锁可以解决本问题，但本河道面临春汛、秋汛及大汛，存在较为频繁的降坝操作需求，运行管理相对繁琐。

合页活动坝和气盾坝结合其结构特点，优化了液压或充排系统设计，具备无动力降坝及一键降坝功能[10]，行洪安全得到有效保障，且日常管理非常方便。无动力降坝功能，即使在面临超标洪水且现场无动力源条件下，手动操作液压/排气系统中关键部件，可实现全部坝扇同时倒伏，且降幅降速可调。若电力有保证，并配套远程控制系统，可轻松实现一键降坝。此项特点除了适用于本工程外，在洪水涨落快速的城市河道、偏远的缺电山区也尤为适用。

2.2 结冰期蓄水

依据GBT 50662—2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》[11]，冰冻期挡水而不开启的表孔闸门，应与闸门前冰盖之间保持不结冰的水域或水缝，即闸门不应承受静冰压力。而本项目活动拦水坝要求冬季蓄水，稳定封冻期长约131d，多年平均河心及岸边冰厚均为0.8m。规范中冰厚按0.8m计，冰层升温膨胀时水平向静冰压力达215kN/m，四类闸型共同特点是面板绕底轴转动，单位宽度因静冰压力导致面板绕轴弯矩增大引起门体挠度及应力大为增加。四种闸门冬季蓄水若不进行坝前坝后除冰的蓄水方式，存在以下问题：①钢坝闸由于采用整体式面板结构，冰压力导致钢坝闸底轴挠度大为增加，故冬季蓄水须解除坝面锁定，一定程度可缓解静冰压力对面板结构造成的破坏；②液压升降坝主油缸较为细长，下游结冰易至油缸及固定支撑杆折弯，位于坑槽内的油缸易受冰冻影响而无法动作，凌汛期存在越坝冰凌直接冲撞油缸的问题；③气盾坝为钢板与橡胶的结合，可充分利用气囊的柔性来缓解冰压力，但翻坝冰凌及冰冻破坏气囊的威胁依然存在；④合页活动坝结构上采用粗短油缸支撑，底板结构采用低矮台阶式结构，缓解了冰冻对油缸动作的影响；液控系统设置冬季运行专用油路，通过溢流阀与电气控制的联动，实现超压释压、面板定期轻微回顶进行坝前破冰，破除静冰压力对闸体结构的破坏作用[12]。但冰期蓄水易导致合页坝及液压升降坝止水结构局部破坏或错位而在闸扇之间出现漏水挂冰现象。故冰期无除冰蓄水推荐采用钢坝闸(解除锁定状态运行)及合页活动坝。

2.3 景观改造

为满足工程水生态城市建设目标，要求所选坝型在坝体造型、水景瀑布上有独特之处，且与其它水利景观元素可以有机结合。合页活动坝、钢坝闸、气盾闸因其面板材料为钢质，在面板造型及瀑布造型上定制设计的空间较大，经合理设计均能满足本工程的水利景观需求。液压升降坝因其面板多为钢筋混凝土薄壁板材，其面板应调整为钢质板材，提高耐冻融能力，且便于塑型造景。

2.4 排漂浮物及排沙

工程位于牡丹江干流上游，森林覆盖率达87%，洪汛期漂浮物较多。本工程洪汛期坝体倒伏，漂浮物对钢坝闸的中继启闭机房的冲撞影响，设计应考虑优化迎水面墩体形态，减缓漂浮物的影响。对于一般漂浮物，合页活动坝及液压升降坝均可分扇操作，局部放水即可进行漂浮物排放，而合页坝支撑结构位于水体跌落区外，对支撑结构保护更为有利。依敦化水文站有泥沙观测资料，测算年输沙量为14.2万t/a，汛后库区淤积问题不大，不作为坝型选择关键因素。

2.5 投资

钢坝闸需在河道中配置中继启闭机房，有条件地配置检修廊道，土建工程量较大，且底板结构较为复杂；其金结机电设备投资也较其它闸型较高。气盾闸土建工程较为简单，投资较省，但其设备进口造价最高(设备全部国产化，投资大幅降低)。从投资角度来看，钢坝闸及气盾闸总投资均超出预算较多，合页活动坝及液压升降坝投资相对较低。4种水利景观拦河坝的工程估算对比详见表1。

表1 敦化市牡丹江水利景观拦河坝工程估算表 单位：万元

综上，针对牡丹江河道的特性，合页坝与气盾坝在行洪安全方面表现更为优越；结冰期蓄水方面，钢坝闸及合页坝较有优势；景观化闸型改造方面，钢坝闸、合页坝、气盾坝有较大空间；排漂排沙性能合页活动坝独占鳌头；合页坝和液压升降坝节省投资，更有优势。综合比对上述关键因素，优选本工程坝型为景观型合页活动坝。

3 合页活动坝工程设计

3.1 工程设计总体思路

依据2015年《敦化市生态市建设规划》和《敦化市水生态文明建设规划》，牡丹江梯级景观拦河坝工程作为水生态文明城市建设的重点项目，要求在注重增加市区水域面积的同时，充分考虑维护河道自然属性，提升河道的亲水性，展示敦化原水态文明和现代文明成果，使工程建成后成为集蓄水、景观、生态、休闲娱乐等为一体的水生态精品工程。总体坝型采用合页活动坝、水车、鱼道、抽象建筑等有机结合，该坝型组合在国内外尚属首创。设计创新点提炼如下，以供设计人员拓宽思路。

(1)在合页坝堰顶设置挑水扰流装置，在防止共振增加安全性能的同时，根据来量大小产生近瀑远喷的水层次之美。两岸设观景平台，增加水闸水景的亲水性。冬季蓄冰成湖，形成冰场雪场，开发当地冬季旅游资源项目，提升冬季城市活跃度。

(2)在坝中设置两道宽0.8m，高0.6m的鱼类洄游通道，体现关爱自然、和谐共生之美。

(3)在两道鱼道之上各安装一个直径6m的水车，利用自然水流，使水车转动，体现敦化原始水生态之美。

(4)六鼎山水利景观拦河坝，因零五桥与河道斜向相交，而拦河坝原则上又需与河道垂直，故采用三曲坝型，使局部与河道垂直，整体与零五桥平行，体现几何曲线之美。

(5)机电控制房采用钢结构，造型为抽象的船、浪花、贝壳、蝌蚪等，象征敦化经济社会和谐发展，乘船运航。

3.2 土建设计

景观拦河坝总长应与河道宽度相适应，过洪断面满足河道设计行洪要求。本工程综合考虑上述要求结合坝址地形条件，除六鼎山采用三曲坝型布置外，平面布置图如图3所示，纵剖面图如图4所示，其它均采用一字型形式。合坝活动坝设计内容和结构基本类似，本文以六鼎山合页坝来说明合页活动坝的设计参数及设计要点，敖东及双胜拦河坝布置形式与结构基本类似，不再赘述。

六鼎山拦河坝从右岸到左岸依次布置为右岸挡土墙及观景平台段、拦河坝段、左岸挡土墙及观景平台段。拦河坝全长188m，由两个中墩、三跨组

图3 六鼎山景观拦河坝平面布置图

成，设计蓄水高度为2m。拦河坝两边跨长56m，中间跨长72m，每个中墩宽2m。底板选用开敞式无坎宽顶堰，堰顶高程为496.0m，顺水流向6m。坝底板基础至于岩基上，坝基础前后设宽0.5m，深0.5m的齿槽。中墩为独立式钢筋混凝土结构，长6.0m，宽2.0m，中墩顶高程为498.2m，基础深度与拦河坝相同。为达到美观效果及生态保护要求，中墩内设鱼道，上部设水车。经计算，本工程不需要修消力池，但为保证安全，于坝后设置6.0m长，0.5m厚的铅丝石笼海漫。

3.3 金属结构设计

六鼎山景观拦河坝总净宽188m，共分3跨，两侧跨各设置7扇，中间跨设置9扇合页活动坝。合页活动坝主要承担调节河道水位等任务，调度运行要求闸门动水启闭，可控制运行。单扇宽度每孔尺寸为2.00m×8.00m，设计挡水高度2.00m，设计最大溢流高度0.30m。闸门材质为Q345C，前板厚16mm，无背板。门体采用多纵梁框架结构，支铰轴承采用自润滑圆柱轴承。坝体造型采用折线型面板，迎水侧焊固弧形竖向肋板来造型和防冲撞，顶部配挑水扰流装置，减缓背水侧负压，营造不同水景瀑布。闸门侧止水及底止水均采用可调节P型橡胶(SI774)。门体启闭范围内侧墙采用钢质整体蒙板，确保门体任意开度蓄水均能全程止水。闸体埋件独立定位，与底板同期浇筑，门体支座前侧、油管沟、防震墩、侧墙止水钢板均为一期预留埋件二期浇筑定型。

图4 六鼎山拦河坝纵剖面图

3.4 液压电气设计

液压系统包括液压缸总成、液压管道、液压泵站总成等组成，主要技术特征见表2。每个面板由2支液压缸支撑，选用500kN柱塞式液压启闭机作为合页活动坝的启闭设备。油缸活塞杆径200mm，工作行程约570mm，额定工作压力16MPa，最高工作压力25MPa。启闭油缸两端分别与闸门和铰支座采用销轴连接。48支液压缸共用1套液压泵站，油泵电机设两组，互为备用。液压泵站电机功率及油泵排量按同时升降5个面板，即10支油缸来配置，电机额定功率30KW，油泵排量45l/min。配置两台独立的液压阀组架，阀件最大工作压力31.5MPa。

液压泵站及电控系统采用手动阀控制、PLC电动控制、电脑现地控制及中控室远程操作四种可切换操作模式，可人为或程控调节闸门开度，基于萤石配置手机APP实时监视功能。

表2 液压系统主要技术特征

4 合页活动坝实施效果分析

4.1 景观合页坝技术集成度高，行洪安全可靠

工程实施后，梯级景观拦水坝实现了任意开度蓄水、快速排沙排漂、洪峰期无动力动降坝泄洪、冰期无除冰蓄水、人工瀑布等先进功能，拓宽了水闸多重功用，简化了水闸运行管理。配备远程监控系统，具备实时监控、溢流监测、梯级洪水调度、异地升降操作等功能，提高了现代化水利管理水平。

以敖东合页坝为例，开闸放水如图5所示，7扇闸体逐扇降坝耗时仅为2.5min，无动情况下采用无动力降坝，全线降坝耗时仅为40s，表明该闸型对洪水涨落快速的山区河道和城市河道适用能力强，大大提升河道应急行洪的安全性。闸顶超高溢流能力强，以液压缸最大工作压力为25MPa来计，经测算，该工程理论最大坝顶溢流高达1.3m，应对洪水陡增对闸体带来的安全风险大为降低。工程至建设以来对行洪渡汛、渡凌汛、过漂浮物及泥砂淤积均适用良好。

图5 敖东合页坝开闸放水

4.2 开创性解决结冰期蓄水/冰问题

冬季挡冰运行采用设计坝高2m、设计坝高1m、完全倒伏三种状态运行，冰期蓄水未投入额外费用进行闸前凿冰处理。经2a越冬运行观测，三种状态下闸体及液压构件均可安全越冬，表明“敌来我退，冰来闸退”的合页坝电液联控技术成功为北方冰期蓄水河道提供了新的设计思路。采取设计坝高1m运行的河段，闸前形成明显的宽约2～3m的冰层破碎带，分析原因是闸体倾角较小，利于冰层在闸顶的爬行，形成明显的冰块破碎带，降低闸前的冰胀压力。对于合页活动坝冰期无除冰蓄水有存疑或凌汛较大的河道管理单位，建议采用降低设计坝高的挡冰运行方案试运行以降低工程运行风险。

4.3 景观环境及经济效益明显

梯级景观拦河坝，创造性地将现代化水闸与水车、鱼道、水景、抽象建筑等元素有机结合，形成了集蓄水/冰、景观、生态、休闲娱乐等为一体的水生态精品工程。工程实施后，结合1#、2#拦河坝，牡丹江干流在市区段全部形成连续水面，形成较大面积的人工湖，可以美化环境，发展旅游事业，改善市区小气候，提高地下水位，减少城市漏斗化。冬季还可形成辽阔冰场雪场，用于冬季冰上及雪上项目的开发，对敦化市冬季旅游事业的发展和经济繁荣起到了促进作用。

工程经2a越冬运行验证，表明该闸型运行安全可靠，冰期蓄水无需额外费用进行闸前凿冰处理，大大节省了冰期运行的管理费用。

5 结语

合页活动坝具有突出的安全、冰期蓄水及景观等效益，近几年在国内外快速推广应用。由于北方河道冬季蓄水面临问题较多，本文介绍了一种合页活动坝，并针对牡丹江河道的特点，对比分析的钢坝闸、气盾闸、液压升降坝在该工程中适用性进行分析，为该类河道闸型设计提供了一种新的思路。并结合工程设计成果及2a来的工程实践验证，表明合页活动坝在本工程中充分发挥了该技术的优点，在牡丹江河段着重体现在冰期无除冰运行、无动力降坝等技术效果上。