液压升降坝在沙里河河道综合整治中的应用

王业红，黄 为

（1.辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006；2.辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳 110003）

1 概况

沙里河河道综合整治工程位于内蒙古赤峰市巴林左旗县城南，林东镇西南方向，乌力吉沐沦河一级支流沙里河上。整治工程在沙里河林东桥～无限载路桥段（间距1.45 km，高差5.00 m）河道上修建三道拦河坝形成3个河道人工湖，解决规划新城区的防洪安全问题和改善沙里河河道环境，建设水安全、水环境、水景观、水文化、水经济、水管理六位一体的现代城市生态水利系统。

本流域属中温带大陆性季风气候区，全年四季分明，春季多风干旱温差大，夏季多雨气温高，秋季风大霜来早，冬季严寒北风多。多年平均气温为3～6℃，极端最低气温-40.00℃，极端最高气温42.00℃。年平均降水量为350.00～400.00 mm，降雨季节性明显，主要集中在6月到8月份，占全年降水量的77%左右，冬季降水少，只占全年降水的2.5%左右，洪水频率3.33%流量为375.00 m3/s。

沙里河从发源地起一直经过沙丘地带，全流域植被破坏，沙化严重。水文年鉴所载实测最大含沙量72.70 kg/m3，但年鉴很多年份的沙峰缺测，特别是大洪水时，沙峰大部分缺测。根据现场调查，沙里河1990年洪峰达1000年一遇，洪水过后沙里河淤积极为严重，辽上京遗址处淤积达2.00 m，实测的最大有含沙量的流量为660.00 m3/s。

坝址区处于构造活动相对稳定区，近期未发生过中强以上的地震。在勘察区测绘中未发现新构造运动对岩土体及建筑物产生断裂破坏痕迹及不良地质作用。3座拦河坝均处在同一地貌单元，地层结构基本一致。场地地层属第四系全新统和上更新统的河流冲洪积地层，地层分布较连续、稳定，以砂土为主，部分地段见有粉质粘土透镜体。地层主要为中砂、砾砂和圆砾等，渗透系数较大，均为中至强透水性层。

2 坝型方案设计

根据河道整治规划，三道拦河坝总落差5.00 m，通过坝高、两岸堤防高度综合比较确定三道拦河坝高度为2.00 m，要求三道拦河坝能够在枯水季节挡水，在汛期能够泄水排沙，同时尽量降低对河道行洪不利影响。

采用固定堰坝将对行洪断面产生影响，加大堤防防洪标准，而且淤积问题较难解决；采用弧形门、平板钢闸门等常规闸门，虽然泄流能力大、运行调度灵活，可以通过闸门调度渲泄各种频率的洪水，但金属结构及土建工程量较大，上部需设置启闭设备和启闭机房，投资较高，施工复杂，工期长，而且管理麻烦，运行维护费用高，需配专人管理，冬天需破冰，同时，不能排泄水面漂浮物，外观不够美观。因此，设计时排除了固定堰坝和常规的平板钢闸门结构形式。

3 坝型比较

根据初步拟定的基本坝型，结合沙里河气象、水文及规划景观要求，对上述3种坝型进行综合比较。

（1）橡胶坝

优点：紧贴河床不阻水，结构简单、坝体跨度大、自重轻、抗震性能好，美观。

缺点：安全性、可靠性较差，使用寿命短；增加泵房，机电设备；坝袋易被漂浮物或尖锐物损坏；洪水期坍坝调度与蓄水难以协调，运行管理难度较大，需常了解上游水位情况来决定坝袋充高与坍坝；充水式橡胶坝冬季冰冻容易损坏坝袋，而充气式橡胶坝不能调节坝高，不易控制下泄流量，容易水流集中引起河床局部冲刷，同时需配专人管理，冬天需破冰。

（2）水力自控复合运动滚轮滑轮轨型翻板闸门

优点：能根据上游水位自动调节，造价低、结构简单，施工期短，管理运行方便。

缺点：阻水，经不住特大洪水的冲击；易被漂浮物卡塞或上游淤积不能自动翻板；洪水过后，翻板门再关上时被异物卡住，造成大量漏水。

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（3）液压升降坝

优点：吸收橡胶坝和翻板闸各自优点，改善两者的缺点，象拦水闸一样坚固耐用，具有成本低、结构坚固可靠，使用寿命长，泄洪能力强，自动化程度高等优点。

缺点：不如橡胶坝美观。

橡胶坝和翻板闸优点和缺点均较明显，但上述3种坝型通过合理设计仍可以满足本工程要求，下面结合沙里河具体特征进行比较。

（1）防洪与蓄水。沙里河属季节性河流，汛期与非汛期河道流量相差悬殊，因此为协调防洪与蓄水矛盾，要求拦河坝在汛期能够快速垮坝，汛后又能及时恢复挡水状态。液压升降坝和翻板闸通过工程设定可以满足该要求，橡胶坝则需要收集上下游水文资料经分析后再决策，往往大水尚未过完就升坝，需要再次坍坝，或者升坝后人工湖难以蓄满，造成水量损失。

河道行洪时要求设计的建筑物尽量少占河道断面，相对而言翻板闸占用河道行洪断面较多，因此翻板闸设计时一般对河道宽度有一定要求，而液压升降坝和橡胶坝（闸墩影响可忽略）在行洪时均紧贴河床，基本不影响河道行洪。

由于河道行洪涉及到城市居民生命财产安全，因此在拦河坝不能自行坍坝时，可以强行控坍坝，橡胶坝和液压升降坝均具此特征。

（2）泥沙。沙里河泥沙含量较大，3种坝型对汛期过水过沙基本没有差别，但橡胶坝存在泥沙对坝面的磨损问题，特别是大汛时推移质以较高流速通过时更为严重。

3种坝型在洪水过后对淤积泥沙反映有所不同，泥沙淤积小且较为松散时，翻板闸可以正常回落，一旦淤积厚度较大或泥沙板结，通过回门缩小过流断面不能冲开淤积，那么众多闸门中只要有一扇不能正常回门，将影响人工湖正常蓄水。橡胶坝一旦坝面淤积较厚，将对充水（气）设备提出较高要求或者要求人工清理，否则坝袋不能正常升降。液压升降坝则可以通过液压装置强行顶开坝面淤沙升坝，由于液压升降坝设计时考虑了过水时升坝工况，因此顶开淤积对液压装置没有特殊要求。

（3）冻冰。尽管冰冻在理论上对充水式橡胶坝影响不大，可以适当降低内压比运行，但实际操作一般都实行了人工凿冰措施以确保橡胶坝安全，同时浮冰对坝袋（充水或充气）也存在安全隐患。

早期翻板闸采用的直立式结构受冰冻影响较大，后期第三、第四代翻板闸均采用了向下游倾斜结构，大大改善了冻冰对其结构影响。

液压升降坝吸收了翻板闸倾斜优点，向下倾斜15°，北方冬季结冰不会对其造成损坏。

（4）漂浮物。尽管城区段人工湖定期清理漂浮物，但汛期漂浮物（特别是树枝）可能卡住翻板闸导致起翻或回落困难，又没有强制起落设施，极有可能威胁到行洪安全；漂浮物（特别是尖锐物）可能刺穿或损伤坝袋。

上述隐患对液压升降坝均不存在，而且可以在损失极小水量前提下方便排污。

从工程投资角度来说，3种活动坝型投资相差不多，均较常规水闸节省；从泄洪和消能角度来看，液压升降坝和橡胶坝较优；从运行管理上说，在功能一致时，翻板坝的费用最优，液压升降其次；从稳定性看，常规水闸和液压升降坝最优，翻板闸稳定性较差。因此，液压升降坝具备投资省、泄洪效果好、可靠性和自动化程度高等特点，比较适合北方缺水地区、冰冻严重和多泥沙河道特征。沙里河综合整治工程拦河坝确定采用液压升降坝。

4 液压升降坝工作原理

液压升降坝是最近两年发展推广的新型坝型，力学结构科学、不阻水、不怕泥砂淤积；不受漂浮物影响；放坝快速，不影响防洪安全；结构坚固可靠，抗洪水冲击能力强。它在充分考虑传统的活动坝型缺陷基础上，具有橡胶坝可控、紧贴河床不阻水特点；具有翻板门坝自控、任意保持水位高度特点；具有平板闸坚固耐用的特点。

液压升降坝工作基本原理：采用自卸汽车力学原理，结合支墩坝水工结构型式的一种坝型，具备挡水和泄水双重功能。

液压升降坝的构造由弧形（或直线）坝面、液压杆、支撑杆、液压缸和液压泵站组成。液压升降坝采用液压杆升降以底部为轴的活动拦水坝面，实现升坝拦水，降坝行洪的目的；采用支撑杆支撑活动坝面的背面，构成稳定的支撑墩坝；采用联动钢铰线带动定位销，达到支撑墩坝固定和活动的相互交换；采用浮标开关，控制操作液压系统，达到无人管理，根据洪水涨落，实现活动坝面的自动升降。

5 液压升降坝特点

（1）投资。坝面采用钢筋混凝土结构，基础上部的宽度只要求与活动坝高度相等，同时液压系统简便，因此，工程成本较低。

（2）结构性能。坝面升起后，形成稳定的支撑墩坝结构，力学结构科学，抗洪水冲击的能力极强。

（3）泄洪能力。活动坝面放倒后，坝面只高出基础约20.00 cm，达到与橡胶坝同样的泄洪效果，行洪、冲沙、排漂效果良好，而且，遭遇特大洪水也不会对结构造成损坏。

（4）自动化：采用浮标开关控制，操作液压系统，可以达到无人值守，管理方便。

（5）维护管理：部件经久耐用，更换容易，维护管理费用较省。

（6）美观：坝面可喷色彩、文字、图案；活动坝面高度可随意调节、演示；上游有漂浮物时，只要操控一下液压系统，即可轻松地冲掉，使河水清澈；上游水量较大时形成瀑布景观和水帘长廊奇观，可供游人观赏。