气动浮体坝在河道整治中的应用研究

陈华勇，罗 明，胥宗强

（中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌，330029）

1 项目背景

布城水为龙河下游右岸支流，发源于江西省宜春市袁州区柏木乡杨柳坡，自南向北流经园岭、坳背、布城、杨家坊，于万载县湘赣大桥上游50m处附近汇入龙河。流域面积35.1km2，河道全长12.7km，主河道纵比降4.36‰。布城水水系整治段位于万载县南部新城行政中心、宜万同城的窗口区域，地理位置十分重要。

为改善中心城区的水景观，需要新建壅水坝体维持景观水位。同时，为节约工程后期运行及维护成本，需要采用启闭简便、不影响行洪安全、坝前淤积量少，且动力清洁的生态坝型。

2 气动浮体坝介绍

气动浮体坝主要包括弧形钢门叶、支架、盖板、支座、浮体框架结构，以及气动控制系统两部分。气动浮体坝最关键的部件主要安装于堰坝预留水槽内的固定位置，并由支架和支座等构件连接着堰体，在发挥挡水与泄洪作用过程中，围绕支座，闸门在预留槽轨道内来回运动，以有效发挥挡水泄洪作用。在挡水过程中，闸门通过气动系统对浮箱充气，待浮箱内水完全排出后借助浮力实现闸门的整体上浮，起到挡水作用；泄洪过程中，开启放气阀门，借助闸门的重力作用排出浮箱内气体，水进入浮箱导致闸门下沉，达到泄洪的目的[1]。

气动浮体坝将浮体力学基本原理与水工建筑物结构优势有机结合，工作过程中不污染水体，放坝速度较快，抗洪水冲击力强。闸门气动控制系统型式灵活而操作便捷，既能通过人工进行闸门控制，也可以通过传感器进行无人化操作，且对于各种流域河道环境普遍适用[2]。

气动浮体坝具有如下优点：（1）闸门运行简单，维护工作量较小；（2）闸门没有启闭框架或高出堰坝的支撑墩，建设周期短；（3）中墩宽1m左右，基本可以维持河道的自然宽度泄洪；（4）以低压（空气压力p＜0.3MPa）压缩空气作为动力传递介质，安全隐患小，不污染水体；（5）闸门运行过程平稳，无噪音。

3 应用实例

3.1 工程地质

场址地面高程一般为87.00～88.00m（黄海高程，下同），据地勘断面钻孔揭露，地层岩性自上而下分布为耕植土（Q4pd）、粉质粘土（alQ4）、细砂（alQ4）、灰岩（Ktbn1）。坝基底板设计高程内分布粉质粘土、细砂和中风化灰层，其厚度较大，内外延伸好，物理力学性质较好，为良好地基土层。

3.2 坝型结构及布置

由于布城水坡降大，河水含砂量大，如采用传统的混凝土实用堰，势必造成泥沙淤积以及后期的管养维护困难等问题[3]。采用活动坝体方案、有气动浮体坝和卧倒式升降坝可供选择。

气动浮体坝位于左岸边墩与右岸边墩之间，由5孔（单孔净宽10m×1+6m×4）气动浮体闸门、2个边墩和4个中墩组成，溢流净宽34.0m，堰顶高程83.50m，闸基置于细砂和中风化灰层。气动浮体坝平、纵面如图1、图2所示。堰体及闸墩钢筋混凝土强度等级采用C25，二期混凝土强度等级采用C30[4]。

图1 气动浮体坝平面布置图（单跨）

图2 气动浮体坝纵断面布置图

卧倒式升降坝由3孔（单孔净宽11m）卧倒式钢闸门、2个边墩和1个中墩组成，溢流净宽33.0m，堰顶高程83.50m，闸基置于细砂和中风化灰层上。堰体及闸墩钢筋混凝土强度等级采用C25，二期混凝土强度等级采用C30[4]。

3.2.1 泄流能力比较

升降坝和气动浮体坝主要参数对比见表1。根据气动浮体坝与升降坝金属结构的特征，升降坝单跨最大宽度可达50m，气动浮体坝单跨最大宽度可达100m。按34m的泄水宽度进行泄水闸坝布置，气动浮体坝共设 5 孔，溢流净宽 34m（10m×1+6m×4）；升降坝共设 3孔，单孔净宽11m，溢流净宽33m。经泄流能力计算，20年一遇洪水时，升降坝壅高0.382m，气动浮体坝壅高0.102m。

表1 各闸坝型式主要参数对比表

3.2.2 挡水高度比较

为增大泄水闸泄流能力，工程布置时应尽量降低堰顶高程，故闸门挡水高度应尽可能加大。从挡水高度来看，两种坝型均可达6m，差别不大。

3.2.3 工程布置比较

从工程布置来看，由于启闭机房位于闸墩中，升降坝在挡水高度为3m时，中墩、边墩宽度均需4.0m，闸墩过宽影响行洪和其他建筑物布置。气动浮体坝闸墩宽度仅需1m左右即可满足金属结构的布置要求，对河道行洪和其他建筑物布置影响小。经泄流能力计算，两种坝型工程布置均能满足要求，但气动浮体坝闸墩小，同等泄流能力条件下泄流净宽较小，其他枢纽建筑物布置时可利用更多河床宽度，故从工程布置角度看，气动浮体坝略优于升降坝方案[5]。

3.2.4 工程运行比较

从工程运行角度来看，气动浮体坝启动完全依靠自然浮力原理，操作简单，且可以在断电情况下开启闸门，日常维护工作量小[6]。卧倒式升降坝依靠液压启动，液压启闭设备需进行经常性维护和检修。在闸坝长期运行后，升降坝经常有树枝杂物卡住门板，造成管护维修困难。故从工程运行角度来看，升降坝液压启闭系统需进行经常性维护和检修；气动浮体坝基本不需要进行日常维护，运行管理简单[7-8]。

3.2.5 工程投资比较

两种坝型主要工程量见表2，从工程投资来看，气动浮体坝方案土建工程量较大，金属结构投资稍大，总投资比升降坝方案多82万元，升降坝略优于气动浮体坝方案。

表2 两种坝型主要工程量对比表

3.3 坝型比较结论

气动浮体坝从泄水能力和工程布置等角度都具有一定优势，卧坝行洪时，20年一遇洪水位时壅高比升降坝低0.28m。从运行方式看，气动浮体坝利用浮力启闭，利用压缩机进行充排气驱动，更加符合生态治河、低碳治河的理念；从投资角度看，固定投入气动浮体坝高于升降坝82万，但后期管护少，运行费用少，故投资可控。经综合比较，本次推荐气动浮体坝。

4 结 语

（1）气动浮体坝运行方便，利用自然浮力原理，利用压缩机进行充排气启闭，在河道整治中，比较适合作为低水头的壅水建筑物；

（2）气动浮体坝采用完全的活动坝体，洪水来时坝体可全部卧倒，因此对行洪安全基本没有影响，并有效避免了泥沙淤积等造成的后期管护难的问题。

（3）气动浮体坝工程实例应用较少，还需在推广应用过程中进行优化和改进。