液压升降坝在山区景观河道中的应用

张 玉 海

(黄山风景区防汛抗旱指挥部，安徽 黄山 245899)



液压升降坝在山区景观河道中的应用

张 玉 海

(黄山风景区防汛抗旱指挥部，安徽 黄山 245899)

在分析几种蓄水建筑物优缺点的基础上，针对山洪沟治理中山区景观河道的特点，设计了一种弧形面板液压升降坝，并用ANSYS软件对其进行了有限元分析，计算表明该种坝型是安全可靠的。

山区景观河道，山洪沟治理，液压升降坝，弧形面板

0 引言

为提高山洪沟两岸城镇、集中居民点等防护对象的防洪标准，有效减轻人员伤亡和财产损失,与已建设的山洪灾害监测预警系统和群测群防体系相结合，形成防护区相对完善的山洪灾害防治的工程措施与非工程措施体系，全面提高我国山洪灾害防御能力和水平。国家防汛抗旱总指挥部自2013年开始开展对直接威胁城镇、集中居民点的山洪沟进行工程治理。并出台了《重点山洪沟防洪治理项目建设指导意见》，要求所采取的工程措施布置应重视防冲、消能和坡脚防护。

在指导意见中提出在满足以人为本，保障安全的前提下，实现人水和谐，注重生态。在传统的治理思路中，只是被动的加固两岸的护岸或者对两岸护坡进行硬质化以保持河流的全时段畅通来提高河流的防洪能力。但是由于山区河道比降大，暴雨集中并且强度大，汇流时间短，水流速度快，河道冲刷严重；而且洪水来得快，去得也快，枯水期往往造成河床的裸露，进一步加剧了河床的剥蚀与风化。因此，在山区河道中，尤其在河道比降大，冲刷严重的景区河段在不影响河道行洪的前提下，进行一定程度的蓄水，形成水垫，既能减缓洪水对河道的冲刷，又能够营造一定的景观。

1 蓄水建筑物的选择及设计

1.1 蓄水建筑物的选择

山区河道洪水来势快，流速大，要求选用的蓄水建筑物集挡水、泄水功能于一体，同时尽量降低对河道行洪的不利影响，开启方便快捷，且不易减缩河道行洪断面。工程中常用的低水头蓄水建筑物主要有液压升降坝、常规水闸、橡胶坝、水力自动翻板坝、固定溢流坝等形式。

采用固定溢流坝将对行洪断面产生影响，加大堤防防洪标准，而且淤积问题比较难解决；采用弧形门、平板钢闸门等等常规闸门，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，但是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，且高于河岸，对河道景观影响较大。综合景观和防洪的要求，山区河道的蓄水建筑物宜选用活动坝，国内常用的活动坝型有：液压升降坝、橡胶坝、水力自动翻板坝。

橡胶坝紧贴河床不阻水，结构简单、坝体跨度大、自重轻、抗震性能好，美观。但山区河道洪水尖锐漂浮物多，坝袋易被漂浮物或尖锐物损坏；且洪水来势凶猛，洪水期坍坝调度与蓄水难以协调，运行管理难度较大。

水力自动翻板坝能根据水位自行调节，结构不复杂，施工期短，管理运行简单快捷。但山区河道洪水尖锐漂浮物多，泥砂含量大，翻板闸门易被漂浮物卡塞或上游淤积不能自动翻板；洪水过后，翻板门再关上时易被异物卡住，导致大量漏水；上游漂浮物无法清理，使河道脏乱等。

液压升降坝不怕泥砂淤积；不受漂浮物影响；坝间无须建设支墩，放倒的坝面沉入河底，不阻水；在损失极小水量的情况下，就能很容易地冲掉上游的漂浮物，使河水清澈；放坝快速，不影响防洪安全，特别适合雨量充沛的南方及洪水涨落快速的山区；结构坚固可靠，抗洪水冲击能力强。

综上所述，液压升降坝克服了传统活动坝的所有缺点，保留了三种活动坝的所有优点，性价比较高。

1.2 液压升降坝方案设计

常规的液压升降坝面板多为直线形，只有蓄水高度小于3 m的时候才可以选用弧线面板，而山区河道比降大，为了保证一定深度的蓄水，需要的坝高往往超过3 m，为了适用于这种比降大的山区景观河道，设计了一种坝高超过3 m的弧形面板液压升降坝。

根据弧形液压升降坝的结构特点和工作条件，分析其结构受力状态。弧形液压升降坝在工作时的最不利工况常出现在上游高水位和下游无水时的情况，此时液压升降坝受力最大(见图1)。在结构分析中取单宽进行计算。

坝面水平水压力：

(1)

坝面垂直水压力：

(2)

液压杆支撑力为T：

(3)

(4)

(5)

式中：P——水平水压力；G——垂直水压力；T——液压杆支撑力；β——液压杆与水平面的夹角；H——上游水位；f(h)——弧形面板的弧形函数。

由式(5)可知，T随β的变化而变化，实际应用中应根据实际情况，结合上述公式确定合理的参数β，使理论与实际紧密结合，实现最优解[10]。

以4 m高弧形液压升降坝为例，通过计算分析其结构受力状态，并结合实际情况可知，当β=56°时，液压杆受力状态最优。弧形液压升降坝断面结构示意图如图2所示。

2 弧形液压升降坝的应力计算

2.1 非线性有限元力学分析

结合弧形液压升降坝的结构特点，利用非线性有限元进行分析，建立弧形液压升降坝三维有限元模型，分析计算上游水位为4 m工况时，弧形液压升降坝面板的应力应变状态。

2.2 计算模型

坐标系规定：零点取在坝面底端右角点；X轴以垂直坝轴线，指向下游为正；Y轴为平行坝轴线，指向左岸为正；Z轴为竖直方向，向上为正。

计算范围：选取弧形液压升降坝段(沿坝轴线宽3 m)为研究对象。主要分析坝面板的应力应变情况。

边界条件：有限元模型截取边界为位移约束边界，即底部边界为三向约束，在支撑杆和面板连接处为铰约束。

三维有限元网格：建立弧形液压升降坝坝段三维有限元模型，单元总数38 545个，结点总数60 619个。有限元网格如图3所示。

当上游水位为4 m，坝体面板在支撑杆作用下，其最大位移为1.72 mm，指向下游，出现在面板顶端中央位置，由于支撑杆支撑部位离两铰较近，面板中间部位位移相对较大，如图4所示。面板最大压应力为1.88 MPa，在面板下游面与液压杆铰接处，如图5所示。最大拉应力为1.25 MPa，在面板与液压杆交接部位上游面处，如图6所示。面板最大拉、压应力的范围较小，均属应力集中状态；剪应力和弯矩为0。

经过第一强度理论和第二强度理论的分析可知，弧形液压升降坝面板满足钢筋混凝土的强度需要，在变形上也完全没有问题，适合作为蓄水建筑物进行广泛应用。

3 结语

通过设计一种坝高超过3 m的弧形液压升降坝，既保留了传统液压升降坝的优点，又兼顾了景观和防洪的要求，在山区河道尤其是比降大有景观要求的山区河道具有较广阔的应用前景。有限元分析结果表明，弧形液压升降坝面板受力合理，满足强度和规范要求。

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The application of the hydraulic lifting dam in mountain landscape rivers

Zhang Yuhai

(HuangshanScenicAreaFloodControlandDroughtReliefHeadquarters,Huangshan245899,China)

On the basis of analyzing the advantages and disadvantages of several water storage buildings, a hydraulic lift dam of the curved panel is designed for the mountain landscape river in mountain flood control, and that the finite element analysis is carried out with ANSYS software, which shows that the dam type is safe and reliable.

mountain landscape river, flash flood control, hydraulic lift dam, curved panel

1009-6825(2015)21-0202-02

2015-05-19

张玉海(1957- ),男，工程师

TV147.1

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