液压升 坝在城市河 中的 型设计

丁 峰 刘月刚 邱象玉

（北京市水利规划设计研究院 北京 100048）

近年来，随着城市功能不断发展完善，人民生活水平不断提高，城市河道整治对河道景观的要求越来越高。城市河道主要设计原则是在保证城市水系防洪、供水标准原则下，并能完美与城市河道景观相结合。即在满足河道基本水利功能的前提下，还要尽可能以水为载体，营造水上河边景观，还人以生态自然的空间环境，给人以良好的视觉享受。

直升式平面钢闸门、弧形钢闸门及人字闸门是水工建筑物常用的几种闸门型式。但这几种闸型布置在城市河道上，对有景观要求的河道有些不尽人意。传统的平面钢闸门制造安装简单，运行管理方便，但孔口上部设有土建结构和启闭系统，视觉不通透，影响景观效果。弧形钢闸门具有结构简单、启闭力小、水流条件好等优点，而且弧形钢闸门的启闭设备也得到飞速发展，液压启闭机取代了部分以机械传动方式为代表的传统的固定卷扬式启闭机开始应用于弧形钢闸门的启闭操作上。但是对于较宽河道，需设置多孔弧形钢闸门，闸墩的存在减少河道过流断面，闸门泄流能力有所降低。人字闸门可适用于较宽的航运河道，但静水启闭的运行条件使得其应用较为局限。

液压升降坝是近年来水利行业新发明创造的一种新闸型，曾入选为水利部2011年度水利先进实用技术推广产品。和传统挡水型闸坝相比，液压升降坝具有力学结构合理、泄水效果好、不易受漂浮物影响和泥沙淤积等优点。液压升降坝现已开始应用于城市河道景观工程、农业灌溉、海水挡潮、山区河道中。

本文根据城市河道整治工程设计兼顾景观功能的特点，分析液压升降坝的原理、结构组成及性能特点，结合工程设计实例，通过对景观闸型的分析比较，详细介绍液压升降坝在工程设计中的应用，从而为类似的工程提供设计参考。

1 液压升 坝20

1.1 液压升 坝工作原理

液压升降坝是一种采用液压系统控制原理和机械力学原理，结合支墩坝水工结构型式的新型活动坝，具备挡水和泄水双重功能。

液压升降坝的液压系统原理简图如图1所示。

图1 液压升 坝系统原理简图

从图1可以看出，液压系统由动力装置、控制调节装置、执行元件和辅助装置等组成，液压泵提供动力，把机械能转化为液压能。控制调节装置主要指液压控制阀组，包括溢流阀、节流阀、换向阀等阀组，其作用是对液压油的压力、流量、方向起控制调节作用，实现液压系统的性能要求。液压缸是液压系统的执行元件，把液压能转化为机械能，实现液压升降坝的动作要求。辅助装置包括油管、管接头、油箱、滤油器等，油管、管接头把动力装置、控制调节装置和执行元件连接起来，形成完整的液压回路。滤油器则对液压油进行过滤，提高液压系统工作用油的清洁度，防止阀组堵塞，延长各元件使用寿命，保证系统正常工作。

在液压系统的控制下，液压缸内的活塞沿缸体内壁做轴向来回往复运动，从而带动液压杆和坝体做直线运动，达到孔口开启、关闭的要求。此外，液压系统还设置液压锁定装置，从而满足了液压升降坝局部开启的过流要求。

1.2 液压升 坝结构组成及性能特点

液压升降坝的构造主要由弧形坝面、液压杆、支撑杆、液压缸、液压泵站和油路系统等组成。坝面材料采用钢筋混凝土。坝面关键参数如半径、厚度等均根据坝前挡水水头而定。坝面由多扇坝板组成，坝板之间不设闸墩等阻水建筑物，而设止水橡皮以满足坝体止水效果。单扇坝板宽度（标准宽度）为6m，非标另行设计，坝高从1.5m至6m不等。液压升降坝底部以铰链轴固定在坝基上，铰链承力杆支撑坝面，并以坝面背后液压杆的伸缩带动坝面做扇形上下升降。液压缸和支撑杆均设置解锁装置控制坝体升降。研制的浮标开关可以实现自动坍坝，液压控制系统可实现远程控制。由于液压升降坝动力系统采用液压传动方式，结合坝体构造，其性能特点有：（1）液压升降坝跨度较大，结构简单，支撑牢固可靠，方便制造。（2）液压升降坝启闭均由液压系统控制，自动化程度高，方便无人化管理。（3）液压升降坝水力条件优越。该坝倒伏几乎完全贴近河床，可畅泄洪水，上游堆积泥沙、卵石、漂浮物均可被冲刷至下游而不阻水。在设计水头范围内，由液压系统控制坝面在任一位置，灵活有效保证上游蓄水水位和下泄流量。（4）液压升降坝景观效果好。活动坝面门前蓄水可形成宽阔水面，增加城市观光性；门顶溢流可形成瀑布景观，从而形成良好的景观效果，改善生态人文环境。（5）液压升降坝耐久性较好。由于活动坝面材料为钢筋混凝土，只需保证浸泡水中的液压缸防水密封性能和防腐性能，便可保持液压升降坝工作持久。（6）液压升降坝施工简便，工期较短。和传统闸门相比，减少闸墩、金属结构埋件，混凝土工程量小，从而节约投资成本。

2 液压升 坝的 型设计

2.1 工程概况

黑河沟又称门头沟或黑水河，位于门头沟区东南部，起源于官厅村南绝石梁，经东店街、东辛房，穿过门城镇入永定河。现状河道过水断面狭小，多数堤防防洪标准较低，局部河段行洪能力仅达到规划的 20~30%，并且河道构筑物壅水、阻水现象严重，门头沟黑河沟已远不能满足城市防洪排水要求。

工程主要任务是疏挖整治河道，提高河道的行洪排水能力；改善河道水环境，提高流域范围的可居住性及提升门头沟的整体区域形象；河道形成观赏水面，堤岸绿化，使黑河沟成为“水清、岸绿、生态”河道，并为其周边提供休闲、娱乐、健身场所。根据工程需要，在河道桩号1+400、1+850、2+422处新建3座节制闸。节制闸主要功能为非汛期蓄水挡水，形成景观水面；汛期开启，宣泄洪水，保障行洪安全。

2.2 型比

本次工程闸型既需要满足行洪要求，又需要满足景观功能，以2+422处节制闸24×2.2m（宽×高）为例，现进行闸型比选。

目前在城市河道设计中，应用较多的景观闸型有钢坝闸，气动盾形闸，水力自控翻板闸门。现对各闸型进行逐一介绍。

钢坝闸主要由门叶结构、底轴结构、拐臂结构和液压启闭设备等组成。液压缸通过拐臂与闸门底轴连接，活塞杆的伸缩推动拐臂带动闸门底轴转动，从而控制闸门启闭。钢坝闸门可立坝蓄水，允许门顶溢流，形成人工瀑布的景观效果，也可局部开启，调节上下游水位。门体倒下时，门体与下游闸底板处于同一高程，泄洪时不阻水。

气动盾形闸主要由聚酯纤维强化橡胶气袋和热浸镀锌高强度钢板组成。橡胶气袋位于钢板下游，气袋与钢板底部通过专用配件安装并固定在闸底板基础混凝土上，闸门板后设置有安全抑制带以限制其向上游倒伏。气动盾形闸采用压缩空气的启闭方法，能够满足动水启闭，并允许整扇闸门局部开启或门板分区倒伏过水的要求。

水力自控翻板闸门主要由门叶、支腿、连杆等结构组成。当闸门上游水位调节，闸门借助重力与水压力合力作用及相应力矩变化实现闸门开启或关闭。闸门泄流时门叶上游同时出流。水力自动翻板闸门也可增设液压启闭机，实现水力与液压双重控制。

表1列举了这4种常见景观闸型的投资成本、使用寿命、泄洪效果、景观效果、自动化程度和缺点不足。

表1 型方案比

从表1可以看出，液压升降坝、水力自控翻板闸门、钢坝闸、气动盾形闸这4种闸型各有其优缺点。在进行方案设计比选时，设计人员应充分结合工程实际情况选择相应的闸型。由表1同样可以看出，液压升降坝、钢坝闸、气动盾形闸在泄洪效果、景观效果、自动化程度方面具有同等优势，但液压升降坝投资成本更低，使用寿命更长，因此在本次工程设计中节制闸闸型优先推荐使用液压升降坝。

2.3 液压升 坝的布置

以2+422节制闸为例，液压升降坝布置图如图2所示。

节制闸所在河段为矩形断面，底宽24m，河底高程 117.54m，堤顶高程 121.04m。工程布置依次为：上游连接段、铺盖段、闸室段、消力池段及下游连接段等。上游铺盖段采用钢筋混凝土结构，底板厚400mm，长10m，高程为117.54m。闸室底板为单孔分离式钢筋混凝土结构，闸孔净宽24m，长5m，底板采用二层台阶式，上层台阶与铺盖段连接，高程为 117.54m，下层台阶与消力池段连接，高程为116.24m。

液压升降坝安装在上层台阶，坝面立起挡水时面板与铅垂面呈18°角度。活动坝面放倒后，坝体只高出原坝顶20~30cm，有效保证坝体的泄洪效果。上层台阶预留坝体铰支座二期混凝土孔口尺寸，二期浇筑时，预埋件钢筋应与一期混凝土预留钢筋焊接牢固。上层台阶与下层台阶衔接处，预留支撑杆二期混凝土尺寸。下层台阶预留液压缸二期混凝土安装尺寸，二期混凝土处理方法同铰支座、支撑杆。底板和边墙均预留液压管路槽，底板液压管路槽上铺砼盖板，边墙油路预留槽上铺钢板盖面。液压管路埋设好之后与液压缸、液压泵站连接。液压升降坝由4扇单扇坝板组成，单扇闸门重量约为4500kg，坝板间设橡皮止水。单扇坝板后埋设 2支液压缸，液压缸内径Φ140mm，液压缸设计最大工作压力为16Mpa。液压泵房布置在左岸稍远处，液压升降坝可实现现场控制和集中控制。下游消力池段为钢筋混凝土结构，长10m，底板厚600mm。液压升降坝允许门顶溢流，为避免局部开启运行时门顶溢流及启闭操作时造成门后负压，坝后两侧边墙设置通气孔以起到补气的作用，从而减小坝体振动。

图2 液压升 坝布置图

3 结语

结合北京市门头沟区黑河沟液压升降坝的工程设计实例，经过闸型比选，结合液压升降坝的布置与设计特点，最终得出如下结论：（1）液压升降坝运行安全可靠，蓄水坝前可形成景观水面，行洪不阻水，能够同时满足防洪设计和河道景观要求。（2）液压升降坝布置简单，施工难度低，可大大节约土建与金属结构成本。（3）可为城市景观河道闸型的选取提供设计参考。

1. 褚红梅. 对城市景观河道建设的几点思考[J]. 江苏水利, 2007,11: 22-24.

2. 曹平周, 朱召泉. 钢结构[M]. 北京: 科学技术文献出版社,2006.