液压坝在高邮状元沟的设计应用及运行调度方案

焦响乐

北京中铁生态环境设计院有限公司 北京 102600

液压坝作为一种重要的水利工程设施，广泛应用于水资源开发、水环境保护等领域。本论文旨在探讨液压坝的设计应用及运行调度方案，以优化水资源的合理利用和提高运行使用效率，通过案例分析探讨液压坝的设计内容及如何合理安排调度方案，为液压坝的科学合理设计和高效运行调度提供思路和方法。

1 工程概况

拟建状元沟蓄水闸位于高邮高新技术产业开发区的状元沟下游段，工程目标是以提升区域防洪能力为基础，改善沿河生态环境为目的，依托当地自然地理条件，结合当地文化背景，在区域营造良好的水生态环境，改善当地生态环境，为项目的建设提供良好的基底。该区域状元沟治理段内除末端高邮湖控制闸外，无其他拦蓄水设施，为了在本项目状元沟打造生态蓄水水面，以满足水生植物种植、水景观打造需求，修建状元沟蓄水坝一座，规模为108m宽、2.5m高。

2 水闸坝型比选

根据水闸所在项目开发目标，水面工程总体布置在满足行洪排涝基本功能的前提下，尚需满足环境景观要求，建筑物形式与周围环境应相协调，新建拦水闸需在枯水季节蓄水，汛期满足行洪，并尽可能减轻对河道行洪的不利影响。

采用固定的拦水坝会对河道过流能力产生影响，且每年都需要清淤。

采用常规水闸，虽然设计施工经验丰富、运行调度灵活、可控制闸孔开启排放不同规模来水，但土建结构复杂，闸室上方需设启闭机房，相较于自然景观较突兀，不利于河道的生态景观，且建设工期长，投资高，运行维护费用高。

因此，本阶段排除了固定堰坝和常规水闸型式，并参考各种河道和生态治理及蓄水工程所采用的壅水工程型式，通过综合比较现国内外已使用得比较熟练的拦水坝类型及其国际上近年出现的工程型式，初选液压坝、底轴驱动翻板闸、橡胶坝等三种型式进行比选，并提出了建议方案[1]。

3 闸型比选

方案一：液压坝

液压坝，应用自卸汽车力学原理，液压坝（又称液压升降坝）能够有效地调节河道的流向，并且能够实现自动控制[2]。它由弧形（或直线）坝面、液压杆、支撑杆、液压缸以及液压泵站组成，其中，液压杆通过伸缩来调节升降坝面，使得在上升的过程中能够拦蓄水，而在下降的过程中，则由支撑杆提供支撑，并通过定位销固定或移动位置。液压坝的特性是：受力结构合理，阻水性低，不易造成淤积，不会对漂浮物造成阻碍，而且可以快速升降，并且具有很好的抗冲击能力[3]。液压坝适合于打造宽水面和溢流景观效果，并且可控制单扇闸门启闭减少泥沙淤积的问题。

方案二：底轴驱动翻板闸

底轴驱动翻板闸又称为钢坝，由具有固定轴线的钢件闸体及其启闭设备等所组成，通过闸门门顶过水，可以形成跌水飞瀑的景观效果。采用集成式启闭机启动，启闭速度较快，能保证及时泄洪。并且可根据不同需求水位，在0～90°内任意调节闸门角度，闸门可通过锁定装置在任意角度锁定[4]。底轴驱动翻板闸卧倒能贴合河床不阻水、对防洪排涝影响较小、启闭迅速、耐久性好无淤积、抗洪水冲击能力强的多项优点[5]。钢坝适合于打造连续宽水面和水位差较小的工况。

方案三：橡胶坝

橡胶坝是采用高分子合成材料作为坝体的水工建筑物，使用规定尺寸的胶布，按照设计锚固于底板，使其形成封闭的坝袋，充入水或气成为挡水坝坝体。橡胶坝主要由土建结构、坝袋、锚固件、充排水（气）系统和控制系统组成。坝袋充水（或气）后，作用在坝体上的水压力，通过锚固螺栓传递到坝体底板结构上，固定坝袋使其可以稳定蓄水，放空坝袋内的水（或气）行洪[6]。由于充排水（气）系统需通过管道完成，整体升坝及降坝速度较慢，无法用于有突发洪水较多的河道，且坝袋使用年限受水中漂流物影响，相对钢制闸门寿命较短。橡胶坝适合于使用年限较少、河道水流稳定且漂流物较少的工况。

通过以上技术、经济比较，考虑到橡胶坝使用使用寿命短、不能及时行洪、蓄水且后期管理维护均有不便，因此排除橡胶坝方案；考虑到液压坝在使用寿命、景观效果、运管维护方面与钢坝相当，而在结构受力、行洪安全、泥沙淤积、工程投资具有一定的优势工程，经综合比较，选择液压坝方案。

4 工程设计

液压坝平面布置轴线与河道中心线采用正交，闸室段底板及侧墙采用C30W4F50钢筋混凝土结构，闸孔总宽108m，闸门高度2.5m，采用一孔布置。依据坝体塌坝闸门宽度及上、下游运行维护检修需求，液压坝顺水流方向底板长12.0m，液压坝底轴重心距底板上游端长4.45m，门后长7.55m，底板采用C30W4F50钢筋砼底板，上、下游设前后齿墙，齿墙深0.8m。门前底板顶面比上游河床高0.30m，即5.34m，门后底板顶高程4.61m。坝段边墩设置为扶壁式挡土墙结构，墙后通过水平平台过渡后与堤顶相接。

坝体段上游设10.0m长铺盖，顶高程5.04m，铺盖采用C30W4F50钢筋混凝土结构，厚0.5m，铺盖段边墙采用C30W4F50钢筋混凝土悬臂式挡墙，墙顶高程采用状元沟河道堤顶设计高程10.79m，临水侧为直立面，背水侧坡比1:0.15。

下游消力池采用下挖式消力池，且在末端设消力坎，池深1.72m，总长15.0m，采用1.0m长的水平段过渡后，以1:4的斜坡连接至池底。消力池池底板顶高程4.01m，底板为C30W4F50钢筋混凝土结构，厚0.6m。消力池中下游段设排水孔，底部设反滤层。消力池段边墙，采用C30W4F50钢筋混凝土扶壁式挡墙，墙顶高程10.79m，临水侧为直立面。

消力池段下游设20m长海漫，顶高程5.23m，海漫分为两段，上游采用0.5m厚浆砌石海漫，下游接0.5m厚格宾石笼海漫，底部设碎石垫层及土工布作为反滤层。浆砌石海漫范围内顺水流向10m长范围内设弧形挡土墙，边墙结构采用C30W4F50钢筋混凝土悬臂式挡墙，墙顶高程10.79m，临水侧为直立面，背水侧坡比1:0.15。

海漫段后接4m长防冲槽，防冲槽呈倒梯形布置，底宽1.0m，池深1.0m，海漫侧坡比1:2，下游河床侧坡比1:2，内填块径大于0.4m的抛石。

图1 液压坝平面图

图2 液压坝局部断面图

5 液压坝设计

5.1 闸门设计

状元沟液压坝共设置16扇液压坝闸门，两端各2扇6m宽闸门，中间12扇7m宽闸门。闸门挡水设计水位7.84m，对应下游无水，水头差2.5m。挡水时，单宽6.0m门叶的总水压187.5kN，单宽7.0m门叶的总水压218.75kN。闸门结构型式为露顶式弧形闸门，主横梁布置，门叶主材为Q235B，闸门沿底轴翻转，底轴主材为Q345B，埋件主材为Q235B，单扇闸门结构重量约5t（6.0m闸门）、5.8t（7.0m闸门）。底止水采用“P”型止水，侧止水用“U”型止水，止水材料为SF6674型止水橡胶，埋件结构型式为焊接板材结构，液压坝埋件总重量约为1.9t。

闸门操作运行工况为动水启闭，液压启闭机采用双作用力单级柱塞式液压启闭机。启闭机容量：2×400kN，启闭机行程：900mm。16扇闸门合用1套液压泵站系统。

5.2 启闭机

本工程中液压坝的启闭均采用液压启闭，液压坝配备1套液压系统。液压坝启闭系统统计表详见下表。

表2 液压坝起闭系统表

液压系统由油箱、电机、液压泵、管道、溢流阀、换向阀等附件组成[7]。柱塞泵额定工作压力31.5MPa，公称排量25mL/r；电磁伺服阀组（16组+16组）最高工作压力31.5MPa，最大流量36L/min+36L/min；电机：2台电机（一用一备）横卧布置，n=1480r/min；液压系统使用46#抗磨液压油；油液正常工作清洁度NAS9级；系统油液正常工作温度范围：-30℃～50℃。油箱采用钢板焊接，用于盛装液压油。液压泵是采用配油盘配油、缸体旋转的轴向柱塞泵。

6 液压坝运行调度方案

6.1 水闸的运行调度方案原则

维护生态环境：调度运行方案应尽量减少对河流生态环境的影响，保护和维护河流生态系统的平衡。

满足水文要求：调度运行方案应考虑降雨、融雪等自然水文条件，及时响应洪水、旱情等突发水文事件，确保安全度汛、灌溉和水资源利用。

经济合理：调度运行方案应尽量减少运行成本、提高水闸效益，同时考虑社会、经济和环境因素，实现资源的最优配置。

可控性：调度运行方案应具有可控性，能够通过水文监测、预测等手段进行调整，保证水闸运行稳定可靠。

6.2 液压坝运行调度方式

液压坝采用现场按键控制、自动升降及远程终端控制三种方式进行控制[8]：

升坝操作：首先启动液压泵站及控制系统，按照从两端闸门至中心闸门的顺序开启升坝按钮，控制电磁阀按顺序启动，液压缸运行，坝面依次升起，升至设计高程时感应控制器反馈控制液压泵站自动停止[9]。

降坝操作分为三种：

①正常降坝：首先启动控制系统，依次开启下降按钮，控制电磁阀依次启动，液压缸在坝面及水压自重下开始逐步下降，坝面下降至设计高度时感应控制器反馈控制系统自动停止。

②自动降坝：当坝顶水位超过设定警戒水位时，超水位控制器工作，启动坝面下降控制系统坝面依次打开降低水位：当出现紧急状况时（如停电、设备故障等），坝顶水位超过设定警戒水位，坝面受到的压力大于设定的警戒压力时，压力控制系统自动开启，坝面下降。

③紧急降坝：发生紧急情况时，通过人工打开手动紧急控制阀门，控制调节坝体下降速度。

6.3 运行调度方案

正常蓄水情况下，液压坝为立坝状态，当河道行洪时，通过自动升降坝系统调整，通过洪水预警预测来水流量，与降坝设计流量相比较，若预测流量较小，可保持液压坝溢流水深不超过0.3m时无需降坝；当预测流量较大时，自动降坝系统开启，液压坝由中间闸门依次向两侧降坝，使河道以全断面行洪。

状元沟液压坝平时运行方式主要设计为两种：

①非汛期：10月初至次年4月底，液压坝全坝面立坝蓄水。

当液压坝溢流水深达到0.3m，即河道水位8.14m、流量32.35m3/s时，液压坝闸门依次由中间闸门向两侧打开，待洪水位低于7.44m时，再将闸门重新立起。

②汛期：5月初至9月底，液压坝全坝面放倒开启。

依据液压坝的设计规定，结合状元沟河道防洪排涝、生态蓄水的实际需求，需要在较短的时间内完成降坝泄洪，降坝每1分钟从中间2扇闸门依次向两端开启2扇闸门，特殊情况下可人工控制减少降坝时间间隔。本液压坝设计升坝时间设计为0.5小时，降坝系统由计算机监控进行控制，运行中实现自动化控制[9]。

液压坝冬季运行时，控制系统需采用耐低温液压油，另外项目位于高邮，蓄水区冬季形成冰面时，需要塌坝或者破冰运行，防止坝体被冰层破坏，破冰操作先降低坝面高度0.5m，再将坝面升起破碎冰层后降坝排出冰凌，从而保护坝体安全。在管理中，应该加强河道管理，禁止到冰面上行走[10]。

另外，结合液压坝蓄水可减缓水流及其漂浮物流速的情况，在其蓄水区建设垃圾拦截装置，采用拦污浮筒[11]或新型拦污设施[12-13]，以阻拦漂浮垃圾对水质及水面环境造成破坏，安排管理人员定期清理并收集垃圾，建立相应的监测体系，对垃圾情况进行监测，及时采取应对措施。

7 结语

液压坝作为一种低水头拦蓄水新闸型，其安全性、便捷性、耐久性、景观性均具有较大优势，在城市河湖整治、调蓄水资源中得到广泛应用。在液压坝的调度运行过程中，需要遵循科学、安全、合理的原则，根据具体的水情和季节要求来进行调节和运行，保证其发挥最佳效果，同时确保河道的安全和生态环境的保护。