城市河道液压升降坝的选型设计

张立群

(朝阳县凌河保护区管理局，辽宁 朝阳122004)

0 引 言

随着人民群众生活水平的不断提高以及城市功能的发展和完善，城市河道整治工作对于景观的要求也在不断提升。就目前的实际情况来看，城市河道设计原则已经在原有的保障城市水系防洪、供水标准的基础上增加了与河道景观完美结合的内容，简单的讲，就是在满足河道基本水利功能的同时尽可能营造河岸景观、为城市增添生态自然的空间环境，进而带给居民以更好的视觉享受。

水工建筑物常用的闸门型式主要有人字闸门、弧形钢闸门以及直升式平面钢闸门，这几种闸门型式虽然在功能和性能方面已经得到了反复验证，但是应用于有景观要求的城市河道则显得不尽如人意:

1)人字闸门:在宽度较大的航运河道，此类闸门的适用性非常显著，但静水启闭的运行要求却对其适用范围产生了较大限制。

2)弧形钢闸门:具有结构简单、水流条件好、启闭力小的优势，但在河道宽度较大的情况下，必须同时设置多孔弧形钢闸门，河道过流断面会因闸墩的存在而缩小，进而对闸门泄流能力产生负面影响。

3)直升式平面钢闸门具有安装简单、管理方便的特点，但设于孔口上部的启闭系统与土建结构在视觉方面不够通透，影响景观效果。

液压升降坝是一种全新闸型，与传统挡水型闸坝相比拥有更好的泄水效果、更为合理的力学结构，同时还具有不易出现泥沙淤积、较少受漂浮物影响的特点。

本次研究在简单介绍液压升降坝工作原理的基础上，对其结构和特点进行了分析，随后结合工程实例，对液压升降坝选型设计进行了讨论，以期为今后同类工程设计工作的有效开展提供思路上的参考以及方法上的借鉴。

1 液压升降坝的工作原理

液压升降坝是一种新型活动坝，以支墩坝的水工结构型式为基础，将机械力学以及液压系统控制原理整合其中，同时具有泄水和挡水功能。其液压系统主要由以下4 个部分组成:

1)动力装置:即液压泵，可将机械能转化为液压能。

2)控制调节装置:即液压控制阀组，包括溢流阀、节流阀、换向阀等部件，可对液压油的流量、方向和压力进行调节。

3)执行元件:即液压缸，可将液压能转化为机械能［1］。

4)辅助装置:该部分包括的部件较多，如油管、滤油器、油箱等。其中，油管及相应的接头部件用于构建液压回路;滤油器可过滤液压油中的各类杂质，使液压油的清洁度得到有效保持，在避免发生阀组堵塞问题的同时，为系统的正常运行以及各部件使用寿命的延长提供保障。

在液压系统的控制下，液压缸内的活塞沿内壁(即轴向)做往复运动，带动液压杆及坝体做直线运动，从而使孔口启闭的要求得到满足。需要说明的一点是，为满足局部开启状态下的过流要求，绝大部分液压升降坝都在液压系统中设置了液压锁定装置。

2 液压升降坝的结构及特点

2.1 液压升降坝的结构

弧形坝面、液压与支撑杆、液压泵站、液压缸以及油路系统是液压升降坝结构的主要组成部分，其中，弧形坝面采用钢筋混凝土材料，厚度、半径等关键参数需结合坝前挡水水头的实际情况加以确认。多扇坝板共同构成坝面，为确保坝体的止水效果，各坝板间设置止水橡皮而非阻水建筑物(如闸墩)。一般来说，单扇坝板的宽度为6 m(若有需要可酌情修正)，坝高1.5 ～6 m。

液压升降坝的底部通过铰链轴固定于坝基之上，坝面支撑由铰链承力杆负责，液压杆设置于坝面后，通过其伸缩动作来带动坝面的扇形上下升降运动。为控制坝体升降，支撑杆、液压缸均设有解锁装置。通过设置浮标开关，可实现自动坍坝功能。值得一提的是，目前绝大部分液压升降坝都具备以远程操作方式控制液压系统的功能。

2.2 液压升降坝的特点

结合坝体构造，我们可以将液压升降坝的特点概括为以下6 个方面:

1)结构简单、跨度较大、支撑可靠、施工简易。2)液压系统可自动完成液压升降坝的启闭操作，运行管理的自动化程度高、劳动强度较低。

3)在倒伏状态下，液压升降坝几乎完全贴近河床，具有优越的水力条件。除满足泄洪要求外，还可让泥沙、漂浮物等更为顺利的进入下游。在设计水头范围内，坝面可在液压系统的控制下停留在任意位置，这种灵活性为满足下泄流量以及上游蓄水水位的要求提供了有力保障［2］。

4)蓄水后，活动坝面门前可形成平静、宽阔的睡眠，门顶溢流可作为小型瀑布景观，景观效果显著。

5)钢筋混凝土材料的应用使活动坝面的强度得到有效保障，在日常运行和管理工作中，工作人员需要注意的关键问题仅有保障液压缸的密封和防腐性能。

6)与传统闸门相比，液压升降坝的混凝土工程量小，且无闸墩和金属结构埋件，不仅工期较短，而且可大幅减少建设成本。

3 液压升降坝选型设计

3.1 工程概况

某城市河道过水断面狭小，受建设年代较早的影响，防洪标准无法满足现行规范的要求，即便是在这种情况下，部分河段因长期运行，其现有的防洪能力仅有最初设计20 ～30%的水平，并且河道构筑物内阻水、壅水的问题比较严重，一旦遭遇较大规模的洪水冲击，势必会对两岸居民的生命财产安全造成严重威胁。

本次工程的主要任务是对河道进行疏挖整治，使河道排水行洪能力与现行标准、规范以及城市发展的要求相适应，在此基础上，改善河道的水环境，以此带来良好的环境效益和社会效益。结合业主单位的要求以及河道现状，设计人员提出在桩号1+400、1+850、2+422 三处位置分别新建1 座节制闸。汛期到来时，节制闸开启，为行洪安全提供保障;在非汛期，节制闸关闭，形成水面景观。

3.2 闸型对比与选择

在前文的叙述中我们提到，本次工程需同时满足行洪以及景观要求，为此，以2+422 处的节制闸24×2.2m(宽×高)为例，对闸型进行对比和选择。在现阶段的城市河道整治设计中，水力自控翻板闸、气动盾形闸、钢坝闸是应用较为广泛的几种景观闸型，下面对其进行逐一介绍。

3.2.1 水力自控翻板闸

门叶、连杆、支腿是水利自控翻板闸的主要组成部分，在上游水位调节时，闸门的启闭由重力和水压力的合力及相应力矩变化共同完成;在泄流时，门叶上游同时出流。值得一提的是，部分工程采用了为水力自控翻板闸增配液压启闭机的做法，以此实现水力与液压的双重控制功能。

3.2.2 气动盾形闸

热浸镀锌高强度钢板、聚酯纤维强化橡胶气袋是气动盾形闸的主要组成部分，二者均固定于闸底板基础混凝土上。其中，橡胶气袋设置于热浸镀锌高强度钢板的下游，为避免闸门板向上游倒伏，其后设有抑制带。

气动盾形闸的启闭通过压缩空气完成，可以满足动水启闭的要求，同时满足门板分区倒伏过水和闸门局部开启的要求。

3.2.3 钢坝闸

液压启闭设备、门叶、底轴和拐臂结构是钢坝闸的主要组成部分，其中，拐臂的任务是连接闸门底轴和液压缸，并将后者的机械能传递给前者，以此控制闸门启闭。

由于允许门顶溢流，因此钢坝闸在立坝蓄水的状态下，可形成小型的瀑布景观;在局部开启的状态下，可对上下游水位进行调节;在完全倒伏的状态下，闸门高程与下游闸底板相同，可使阻水问题得到彻底的消除。

表1 对各类景观闸型的成本、寿命、泄洪与景观效果等进行了列举，以便更加清晰的进行比对和选择。

表1 四种景观闸型的对比

由表1 可以清晰的看出，四种景观闸型均有各自的优点和缺陷。在景观效果、泄洪效果、自动化水平3 个方面，液压升降坝、气动盾形闸、钢坝闸的优势都比较突出，而在使用寿命方面，液压升降坝则明显优于另外两种坝型，为进一步提高项目建设的经济效益，设计人员最终选择了液压升降坝。

3.3 液压升降坝布置

在桩号2+422 处的河道断面为矩形，河底高程、宽度分别为117.5 m、24 m，堤顶高程121.04 m，工程布置依次为上游连接段、铺盖段、闸室段、消力池段、下游连接段。其中，上游铺盖段为钢筋混凝土结构，底板高程、长度、厚度依次为117.54 m、10 m、400 mm。闸室底板采用二层台阶，为单孔分离式钢筋混凝土结构，闸孔长度、宽度分别为5 m、24 m。其中，上层台阶高程117.54 m，与铺盖段相连;下层台阶高程116.24 m，与消力池段相连。

液压升降坝安装在上层台阶，因此上层台阶需要为坝体铰支座预留二期混凝土孔口尺寸;下层台阶需要为液压缸预留二期混凝土安装尺寸;上、下两层台阶的衔接处需要为支撑杆预留二期混凝土尺寸。在浇筑过程中，以上部位均应保证一期混凝土预留钢筋、预埋件钢筋的牢固连接。边墙、底板均应为液压管路槽预留相应尺寸，前者预留的管路槽上需铺盖混凝土盖板，后者需铺盖钢板盖板。

液压升降坝的坝板共计4 扇，其间设有橡皮止水。单扇闸门重约4 500 kg，其后设置液压缸2 支，液压泵房设置在左岸稍远处。下游消力池段长10 m、底板厚600 mm，采用钢筋混凝土结构。为避免启闭操作造成门后负压以及局部开启时门顶溢流，坝后两侧边墙设置了具有补气效果的通气孔，以便使坝体振动得到减轻。

4 结 语

结合本次工程设计实例得出以下结论:①液压升降坝拥有良好的景观及泄洪功能，行洪不阻水;②液压升降坝施工简易，可大幅减少项目成本;③在城市景观河道闸型选择与设计中，液压升降坝可作为首选型式，但也应注意结合工程的实际情况。

［1］尚加涛，冯银安.液压升降坝在郑州市金水河河道综合整治中的应用［J］.四川建材，2015(03):96－96.

［2］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，2014(09):329－330.