大跨度钢坝闸在水景观中的利用和探讨

2023-05-10刘草原陈能成

中国水运 2023年4期

刘草原，陈能成

（1.广德市水利局，安徽广德 242200；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，上海 200439）

随着我国经济实力的提升和社会的进步，水利也在发生着与时俱进的改变，从传统的防洪保安等内容逐步转变为现代化的综合性水务。将美学融到城市河道治理之中，使治理后的城市河道与周围环境协调统一，形成城市景观中的新亮点，以满足人民日益增长的优美生态环境需要，是新阶段水利高质量发展的要求。

传统的直升式钢闸门单孔的宽度较小，且需要配启闭机房，隐蔽性不佳，严重影响城市的水体景观。大跨度钢坝闸具有结构简洁、不易损坏、止水密封好等优点，且可以减少中墩数量，增加过水面积，增强河道行洪能力。本文以广德市高湖闸为工程实例，阐述大跨度钢坝闸在城市水景观中的应用。

1 工程概况

高湖坝位于安徽省广德市郎川河铁路桥下游约2.5km 处，主要功能为满足农田灌溉用水、集镇居民生活用水和河道生态蓄水的需求。现状高湖坝每年汛期行洪期间，阻水严重，严重影响附近居民生活。同时高湖坝为砂砾石外包砼结构组成，渗漏严重，且下游消力池严重损毁，具体详见图1。因此，本次拟对其拆除并新建高湖闸。

图1 现状高湖坝现场照片

高湖坝周边电力和交通方便，考虑到现状高湖坝右侧有旧河道可以利用作为导流。因此，闸址拟基本维持现有坝址附近不变，并充分论证水闸下游水流对桥梁基础的冲刷，确保桥梁安全。

新建高湖闸位于现状高湖坝上游约80m。

2 闸型比选

本工程的主要功能为生态蓄水，同时必须满足行洪要求。拦河闸是抬高河道水位，保证河湖灌溉、生态或景观蓄水功能的代表性建筑物。目前，河道较宽的低水头拦河坝中应用较为广泛的、不阻碍河道行洪，且景观效果较好的有橡胶坝、钢坝闸、液压翻板闸和气动盾形闸等。根据现场实际，本次方案比选钢坝闸、气动盾形闸坝（简称“气盾坝”）和橡胶坝三种型式。

2.1 钢坝闸

钢坝闸是一种底横轴的翻转门，外形新颖、美观、实用，操作方便、启闭灵活、且工作较隐蔽、无碍防汛和通航。钢坝闸采用钢材，表面进行热喷锌，坚固耐用，易于安装和维护。闸门通过液压设备启闭，速度快，一般在2 min 之内即可完成。特有的锁定装置，可以有效地控制闸门开启角度，任意调节水位，形成大尺度景观效果。

图2 钢坝闸照片一

图3 钢坝闸照片二

2.2 气盾坝

气盾坝也称气动盾形闸坝，是一种新型挡水坝，结合了传统钢坝闸和橡胶坝的特点，刚柔并济，其挡水高度可达10m，跨度可达数百米，具有高水头、大跨度、可调节挡水水位、景观效果好等特点。

气盾坝结构主要由盾板、充气气囊、埋件、空压系统及控制系统等组成。气盾坝利用充气气囊支撑盾板挡水，气囊排气后塌坝，气囊卧于盾板下，可避免河道砂石、冰凌等对坝袋的破坏；气囊内填充介质为气体，塌坝迅速：各个部件均为预制部件，安装工期短；盾板及气囊模块化，便于修复。

图4 气盾坝照片

2.3 橡胶坝

橡胶坝是以高强度合成纤维为骨架，内外涂敷橡胶保护层，形成坝袋，按设计尺寸锚固于基础底板上做成“封闭”袋形，旱季橡胶坝袋内充水成坝挡水，以满足用水需要，雨季泄出坝袋内的水塌坝不影响河道泄洪。橡胶坝的优点是相对于常规闸造价低，可减少投资30%～70%。施工期短，坝袋只需3 ～15d 即可安装完毕。坝体为柔性软壳结构，能抵抗地震、波浪等冲击，跨度大，不阻水。缺点是坝袋是由高分子合成材料聚合而成，容易受到尖锐物体或火的损坏；长期在室外环境中坝袋易老化，其使用寿命一般为10 ～ 15年；升降坝是通过充泄水系统来完成，正常需要2 ～ 4 h，时间较长；充泄水系统需要建泵房、充泄水管路，相对复杂。

图5 橡胶坝照片

2.4 闸型比选

上述三种方案各有优缺点，均能够满足本工程拦蓄水要求。气盾坝是一种新型挡水建筑物，适用于多泥沙河道，景观效果较好，投资适中，运行管理方便，但易发生不均匀溢流。橡胶坝充排水泵房均埋设于地下，可设置于堤后空地，上部建筑也可进行景观处理，整体效果较好，但坝袋使用寿命较短，充排水时间长，对河道防洪有一定影响，运行管理要求高；考虑拦河闸坝作为整个无量溪整治工程的亮点，对景观要求较高，而钢坝闸升降坝时间最短，使用寿命最长，整体景观效果最好，瀑布效果最佳。因此，从防洪安全、景观效果、运行管理等方面，推荐采用钢坝闸形式。

3 工程布置

高湖蓄水闸采用开敞式水闸型式，闸孔总净宽60m，单孔。

闸室为单孔钢筋砼结构，闸室长12.4m。闸门型式为钢坝闸，水闸口门净宽60m，闸室侧壁顶标高28.6m，厚0.8m。闸室底板顶标高22.10m，厚1.30m。闸门门顶标高25.0m，总高2.0m。钢坝闸门轴距离边线距离为3.7m，与底板及底坎连接固定。闸门采用液压启闭机启闭，启闭机设在闸室两侧的地埋式启闭机房内，机房净宽2.7m。闸室下方采用C20 埋石混凝土换填至15.6m 高程。

4 钢坝闸结构设计

底轴旋转式钢闸门由门叶、底轴、支铰座、拐臂、止水装置、驱动装置、穿墙装置、锁定装置等组成。锁定装置将闸门固定在某一个或某几个特定位置，避免驱动系统长期受压产生下滑。

4.1 门叶

闸门为1 扇，门叶宽度60.0m，高度2.0m。门叶采用风帆型结构，该种结构可将水流对门体的部分正向压力转化为向下的压力，增加闸门的稳定性。闸门采用纵向悬臂梁的体系，由横梁，纵梁、横梁、底轴共同构成闸门的主受力框架。面板设置在上游侧，材质采用Q235B。

4.2 旋转底轴

旋转底轴采用高强度的不锈钢一次加工、焊接、二次车工、法兰焊接、三次车工和法兰钻孔而成，直径一般为φ650～1000，旋转底轴与拐臂之间也采用焊接方式连接。

4.3 支铰座

支铰座布置于河道中，为钢混结构。每套闸门共设置9 个支铰座，间距为6.50m；支铰座均采用开敞结构，该种结构可在基础轻微不均匀沉降的情况下保证闸门的正常运行。

4.4 穿墙装置

底轴两端从孔口宽度范围延伸至启闭机室内时需穿过两侧闸墩侧墙，为此设有专门的穿墙装置，采用二期砼浇筑的方式进行安装。为保证翻板闸门在全关状态下穿墙装置的密封性能，设置了多重密封。其一，调节补偿装置，对止水组件进行轴向压缩，补偿环向形变产生的间隙，保证防水套的止水效果；其二，设置带水检修密封装置，具有备用和启用两种状态。在备用状态时，带水检修密封装置与底轴不接触，从而避免钢坝运行中对其产生磨损，此时由止水组件进行防水套的止水。在启用状态时，带水检修密封装置抱紧底轴，阻止河道的水流至止水组件的位置，从而保证止水组件的顺利更换，更换完毕后，再将带水检修密封装置切换回备用状态，恢复止水组件的止水以及钢坝的正常运行，减少后期维护成本。

4.5 拐臂

底轴和启闭机是通过拐臂联接，底轴与拐臂的下端联接部位通过焊接方式连接，启闭机的吊耳与拐臂上端连接部位采用销轴联接。拐臂的下端联接部位和上端联接部位距离2.5m。拐臂材质为Q355B。

4.6 止水

闸门在底部及两侧设有水封装置。底部止水采用P型，通过螺栓固定在底止水埋件上。钢坝闸没有底门槽和侧门槽，门叶围绕底轴心旋转，上游止水压在圆轴上，侧止水始终不离开侧胸墙，始终保持密封止水状态。底止水橡皮应保证通长直线布置，不得有凹槽、缺口，保证止水橡皮的完整性。侧止水采用V 型止水，处于预压状态，可实现带水更换止水橡皮。所有与水封接触的部位，均需保证光滑无毛糙。