关于液压升降坝的设计

郭承乾

(佳木斯市水利勘测设计研究院，黑龙江 佳木斯154002)

1 工程等别及建筑物级别

本工程洪水流量＞100m3/s，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》第2.1.3 及3.3.1 确定，渠首设计洪水标准为20 a一遇，校核洪水标准为50 a一遇，确定渠首工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，主要建筑物为3 级，次要建筑物为4 级。

本区地震动峰值加速度等于0.05 g，相对应的地震基本烈度为Ⅵ度，设计烈度采用基本烈度，因此建筑物不进行抗震设计。

2 工程总体布置

设计中考虑到橡胶坝寿命短，一般15 a需更换一次坝袋。运行中易受河中漂浮物划伤及人为破坏，需常检修。坝袋充高与坍坝不宜频繁，也即橡胶坝不宜用于水位变化过于频繁的河道。所以不采用橡胶坝方案。

本工程为降低工程造价，结合景观设计改善生态及人文环境，拟采用液压翻板闸的设计方案。本次灌区渠首工程在总体布置上拟定了2 个方案，方案1 采用液压升降坝，方案2 采用溢流坝。

1)方案1:在河道上修建液压升降坝宽为81m，升降坝两侧与岸滩相接。

2)方案2:在河道上修建溢流坝工程，根据流量，设计溢流堰宽为170m，坝两侧与岸滩相接。

经比较，方案2 投资约为方案1 投资的2 倍，另外，方案2 水位雍高，需对上游两岸堤防加高培厚，涉及工程占地。结合投资和方便运行管理，本设计推荐即液压升降坝方案［1－3］。

具体布置为:液压升降坝总长81m，为钢筋混凝土溢流堰结构型式安装液钢弧形升降坝面，采用液压设备启闭;为保证河道主槽及左侧岸滩稳定，在溢流坝上、下游河道采用铅丝石笼固床［4－6］。

3 主体工程设计

本渠首工程主要建筑物为拆除重建溢流坝1座。溢流坝包括液压升降坝和溢流堰。

3.1 溢流坝工程

铃铛河的年来水量虽然较丰富，但灌溉期间由于来用水的不同步性，保证率P=75%时来水量仍然较少，且无拦蓄工程，自然条件下，枯水位满足不了灌区要求的渠首水位91.50m，为抬高水位，拦蓄枯水期来水，需修建混凝土溢流坝进行有坝引水灌溉。

3.1.1 堰顶高程的确定

为了保证汛期堰上行洪时主河槽稳定，同时满足灌区引水流量需要，河底高程89.30m，确定液压翻板钢闸门堰顶高程为90.70m，升降坝门高1.8m。

3.1.2 结构布置及设计

结合投资和方便运行管理，本设计推荐即液压升降坝方案。

结合坝址地形图，进行过流计算，确定溢流坝工程升降坝宽81m。

溢流坝顺水流方向布置:上游铺盖段、液压升降坝和溢流堰段、消能段及海漫段。

1)上游铺盖段:长10m，由上至下分别为铅丝石笼30 cm、碎石20 cm、粗砂20 cm，下铺设防渗膜一层［7－9］。

2)液压升降坝段:液压升降坝段为折线型宽顶堰，堰顶高程89.70m，根据液压升降坝门的安装要求，堰顶1.86m，堰上安装1.8m 高的液压升降坝，钢弧形坝面每跨长9m，共9 跨。陡坡连接高程为88.55m 的平台，宽1.62m，用于安装液压设施及铺设油管;平台与1:2 陡坡至消力池底，高程为87.50m。堰体采用埋石混凝土结构，底板前设一道齿墙以增加堰体抗滑稳定。基础持力层为级配不良细砾层，地基允许承载力满足要求，不扰动的情况无需处理。

3)下游消能段:堰体与消力池一体。消力池长6.23m，深1.0m，消力池底板顶高，87.50m。消力池底板采用埋石钢筋混凝土结构。为了减少消力池开挖深度，缩短长度，节省工程量和投资。在消力池中布置起辅助消能作用的小墩。消力墩对水流的反击作用，将水流分成许多小水股，使水流转折，并在墩后互相撞击。另外水流与消力墩表面摩擦以及水流所产生的旋滚等造成强烈紊动。增加消能效果，跃后水深降低［10］。

溢流坝两侧上、下游设计5.5m 长悬臂式挡土墙与两岸相接，悬臂式挡土墙与堰体安装紫铜片止水，施工缝20mm，用聚乙烯填缝板填充。

4)下游海漫段:为防止过堰水流的剩余能量冲刷河床，在消力池后设海漫工程，海漫末端为防冲槽结构。海漫段全长20m，采用铅丝石笼结构厚60 cm，下设20 cm 碎石、粗砂20 cm。防冲槽底宽1.0m，深2.0m，采用干砌石结构。

工程布置纵剖面如图1。

图1 工程布置纵剖面

3.2 固滩工程

为保证河道主槽及岸滩稳定，以防洪水期河道主槽洪水冲刷岸滩，对对溢流坝上游附近河槽两侧边坡采用干砌石护砌，干砌石护坡工程厚30 cm［11－12］。

对下游河槽进行疏浚、整平、防冲等治理措施，两侧漫滩采用块石堆石，堆至稳定河床，坡长约20m;河槽两侧边坡采用干砌石护砌，干砌石护坡工程厚30 cm。

3.3 库岸绿化

为防止水土流失以及景观效果，对铃铛河渠首库岸进行植被绿化。绿化面积为7 000 m2。

3.4 管理站房

为了日常运行管理，安装液压系统及自动化管理系统，本工程修建管理站房60 m2。

4 机电与金属结构

4.1 机电设备

铃铛河升降坝工程引380 V输电线路500 m，采用三角转星型变压器补偿至380 V，容量为20kVA 方能满足液压升降坝的动力要求。渠首采用液压翻板钢闸门型式，需配备管理站房及配电间。

4.2 液压升降坝的结构

液压升降坝由钢门扇，铰支座，侧止水，底止水，支撑杆，液压缸，液压控制系统和电气(电子)控制系统等组成。

液压升降坝门由纵横梁、面板、底轴、支铰和封水部分组成，坝板下端设有底横轴，与轴承座铰接固定于坝底混凝土层面上，坝板背水面设有与坝板呈人字形支撑的液压缸，液压缸活塞杆端与坝板铰连接，缸底耳环端与固定于坝底混凝土层面上的下支座铰连接［13］。

4.2.1 工况简介

此工程项目中采用了9 扇闸门，每扇闸门宽9 m，总宽为81 m。每扇闸门设置两台液压缸及两个支撑杆。每扇闸门下部钢管(底轴)上安装3 只铰支座。铰支座通过闸底预埋螺栓与闸底板连接。门扇通过液压缸推拉绕底轴转动，门扇竖立时蓄水，门扇倒卧时放水。液压缸安装在闸门下游的闸底板的预留孔内。

4.2.2 液压系统的组成及参数

液压缸由液压系统(泵站)控制。其组成主要由液压泵，电机，油箱，各类阀及管道等组成。液压系统参数表见表1，液压升降坝性能表见表2。

表1 液压系统参数表

表2 液压升降坝性能表

4.2.3 液压升降坝控制形式

液压升降坝在实行人工控制的同时，也可与远程控制，本地计算机通过公网采用GPRS RTU 方式与异地的PLC 进行通讯，要求本地计算机网络为固定IP 地址，远程终端通过GPRS 上网进行数据通讯。

闸门控制分为就地和远程控制2 种方式，就地即液压泵站按钮操作控制油泵启动、停止、闸门的升降功能。

远程控制即异地控制室的上位机PC 通过组态软件控制画面来控制油泵启动、停止、闸门的升降等其它监控功能。

4.3 液压油缸的设计

4.3.1 液压油缸

每扇闸门由2 只液压缸支撑;油缸缸径、行程、推力必须经过科学合理的测算，以保证足够的推力和支撑力;油缸密封件要求采用国际知名品牌的进口产品，并验证其使用寿命和密封性能;活塞杆调质处理，表面镀硬铬;液压油缸必须带自锁功能，失电状态下能够实现手动泄压，其功能与工作方式符合自动往复机械定位升降坝液压缸，以保证液压缸对闸板的持久支撑。

4.3.2 压力管路

液压系统系统所用油管采用液压流体无缝管材，管接头采用不锈钢材质或者镀处理;管路应尽量短、布置整齐，转弯角度不小于90 度，最小弯曲半径大于管子外径的3 倍，避免过大的弯曲并保证必要的伸缩变形。管道制作过程中去除氧化皮、焊渣、毛刺等。管弯曲后，应避免截面过大的变形，弯曲部分的内外侧不应有锯齿形、凹凸不平、压坏或扭坏现象。油管悬伸太长应设支架，设置活接头时，应使装拆方便。主要油管应能单独装拆而不影响其它元件。管接头应便于装拆，但不得产生泄漏。

4.4 钢弧形升降坝面

4.4.1 结构设计

钢弧形升降坝面的纵横梁采用抗弯曲强度高的工字钢和槽钢制作，面板采用Q235 或Q345 钢板焊接;支铰采用铸钢或钢管加工，轴承为高分子复合材料的自润滑轴承;底轴为整体无缝钢管通长布置，轴承安装部位进行精加工，下支座镀铬处理;封水采用橡胶止水胶带，底轴与水封接触部位外贴不锈钢板压条。

翻板钢闸门的结构分析见图2 ～图6。

图2 翻板钢闸门受力分析

图3 翻板钢闸门弯矩图

4.4.2 钢弧形升降坝面的防腐设计

为保证液压坝坝面的使用寿命和耐腐蚀性能，坝板表面采用工艺外表面喷砂加油漆防腐处理。处理前必须对坝板表面的焊渣、毛刺进行清理，然后抛丸、热喷锌、防护底漆封闭，再覆盖面漆，形成金属加涂料的复合防护层，以达到防腐效果;封闭底漆为环氧云铁底漆，面漆为改性耐磨环氧涂料，分别做两次喷涂。必须具备锌层厚度和油漆干膜厚度的检测控制手段;喷涂应均匀、有光泽、附着良好，无明显起皱、流挂和气泡现象，保证喷涂后的坝板表面的美观效果。

门槽埋件的外露部分(不锈钢板除外)选用的涂料牌号以及涂层道数、每层漆膜厚度和干漆膜总厚度必须符合表3 规定，涂料的颜色为褐色。

表2 液压钢闸门的涂料工序表

4.4.3 液压钢闸门的止水设计

为满足闸门的蓄水功能和景观要求，闸门的门叶与面门叶之间、门叶与底座以及门叶与闸墩之间都不允许有明显的漏水现象发生。在每扇闸门的两侧和底部都采用止水胶带进行止水密封，保证闸门在不同的开合角度都能达到预期的密封效果。本工程所有止水胶带全部采用SF6674 止水橡皮，其含胶量(新胶)不得小于60%;止水橡皮采用压模法生产，底水封采用P 型，侧水封采用P+L 型，其尺寸公差应符合施工图纸以及相关标准的要求。

［1］中华人民共和国水利部.SL265—2001 水闸设计规范.北京:水利水电出版社，2001.

［2］中华人民共和国水利部.SL74—2013 水利水电工程钢闸门设计规范.北京:水利水电出版社，2013.

［3］王业红，黄为.液压升降坝在沙里河河道综合整治中的应用［J］.东北水利水电，2010(03):56－60.

［4］丁峰，刘月刚，邱象玉.液压升降坝在城市河道中的选型设计［J］.水利规划与设计，2013(03):15－16.

［5］王大胜，惠荣奎.液压升降坝在水运工程中的应用［J］.中国水运:下半月，2014(09):86－87.

［6］赵娜，唐德善，朱聪.基于风险评价模型的活动坝方案比选［J］.水电能源科学，2010(01):45－47.

［7］闵·扇形活动坝水力自动启闭简单原理［J］.水运工程，1989(11):9－11.

［8］贾鹏，周建军，徐江.利用活动坝抬高葛洲坝近坝段枯水位的方案研究［J］.泥沙研究，2002(05):82－84.

［9］陈文熙，齐奇，郭瑞鹏.合页活动坝技术在蓄水工程设计中的应用［J］.东北水利水电，2015(05):101－104.

［10］魏家宏，盛维高，韩智.杨庄闸安全鉴定分析及保护性加固建议［J］.江苏水利，2011(05):66－68.

［11］王淡善，扈晓雯.东关水利枢纽翻板式活动坝设计［J］.水力发电，2006(08):18－20.

［12］安翠珍.活动坝发电站水轮机组的管理与改进［J］.江苏水利，2003(08):48－49.

［13］李太军.七里坝水库除险加固拱坝应力分析［J］.中国水能及电气化，2015(10):68.