新型翻板钢闸门在某河道综合治理工程中的选用分析

冯 奋

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，730000，兰州）

新型底轴翻板钢闸门俗称钢坝，作为一种新的坝型近年在城市防洪及景观工程中得到逐步应用，但针对工程具体的要求及特点，选择时需要对适用性进行比较研究及探讨。现以青海西宁市甘河多巴新城段治理工程为例，进行阐述分析。

一、工程概况及任务

多巴新城东距省会西宁市20km，被定位为西宁市城市副中心。甘河是湟水河的一级支流，甘河由南向北穿越甘河谷地，流经甘河工业园区后进入多巴新城，最终汇入湟水河。依据《西宁市城市总体规划》防洪工程规划，现状整体防洪工程规模偏低，建设标准不足。除湟水河城区中段已建设有50年一遇的堤防外，其他地区尚无形成体系的防洪设施，难以满足新城的发展要求。根据多巴新城规划及防洪规划的目标任务，对西宁市甘河多巴新城段河道进行河道防洪治理，同时对河道规划控制范围内布设景观，建立该段河道的远程监控、远程控制系统。将甘河多巴新城段防洪标准由目前无防洪措施提高至50年一遇水平。

二、枢纽的布置

1.河道治理特点

依据工程确定的保护对象及防洪保护范围，甘河治理范围自西宁市南绕城高速至湟水河汇口结束，综合治理河道5.34 km。在南绕城高程北侧新建一座分水枢纽，包括泄洪闸、溢流堰、前池等，将甘河多巴新城段分为主泄洪河道与景观河道，将常水与洪水分离，常水通过景观河道过水，洪水通过主泄洪河道行洪。其中新建主泄洪河道1.63 km，治理景观河道3.71 km。主泄洪河道段，设计洪水121 m3/s，设计平均纵坡 8‰，平均河道水深2.0 m，河道断面型式可选择梯形断面和复式断面等。结合《总规》中的绿地规划，将该段河道打造成多巴新城的生态绿廊。

2.枢纽建筑物布置

枢纽建筑物包括挡水坝、溢流堰、前池、检修排水、清淤道。枢纽上游为甘河原河道，下游接主泄洪河道与景观河道，主泄洪河道与景观河道成90°夹角，主泄洪河道宽度20 m，设泄洪闸，景观河道通过C25混凝土溢流堰引水，挡水坝与溢流堰之间为C20钢筋混凝土前池。

3.挡水建筑物比选

本工程挡水坝主要功能是实现主泄洪河道与景观河道的分流，实现甘河洪水与常水分制，清水与浊水分流。

挡水建筑物的种类和型式很多，河道上常用的挡水坝主要有混凝土坝、橡胶坝、钢坝等。混凝土溢流坝的布置需要沟道有足够的宽度，因容易淤积，不宜布置在主泄洪河道内，可以在景观河道的引水枢纽使用。多年来橡胶坝在主河道作为挡水建筑物大量使用，但近年随着水力翻板闸、液压升降闸、钢坝的逐步应用，具体选用哪一种挡水建筑物，需要结合工程的特点进行综合分析比较。

（1）传统闸门方案

传统闸门可采用弧形闸门或平板闸门进行水流控制，从使用功能上可以满足泄洪闸运行的需要，闸门能够动水启闭，不受泥沙及启闭设备限制也可以满足现地及远方控制的要求。由于闸室单孔口跨度较大，采用传统的直立升降闸门，需配置中墩，而且需要建造较高的启闭机排架；采用弧形闸门，也需要配置较长的闸墩，若采用卷扬机启闭还需建造启闭机排架。设置闸墩时，河道宽度需加大，传统型式闸门土建工程量较大。另外，直升门和弧门开启后悬挂在孔口上方，景观效果较差。

（2）翻板闸门方案

翻板闸门有两种型式，一种是设备控制式翻板闸，利用机械或液压设备进行启闭；另一种为水力自控翻板闸，在水压力及门自重作用下，利用力矩平衡原理使闸门绕水平铰轴转动，从而达到自动启闭。20世纪80年代连杆滚轮式水力自翻闸门的出现使闸门结构型式及调节功能得到很大完善，在防洪、灌溉及发电等行业得到较多应用。水力自动翻板门不需人工及设备操作，节约资源，投资少，施工简单。但也存在一些突出问题，一是孔数多，协调控制困难；二是容易受泥沙和漂浮物影响，过流时，当泥沙或漂浮物瘀堵在铰座部位时闸门回转关闭不到位，导致出现闸门不能挡水、闸前蓄不上水的情况。水力自控翻板闸还存在运行中不稳定的问题，较高频率的反复开启关闭形成拍打现象，使闸门剧烈撞击支墩，造成闸门受损及破坏，从而造成工程损失。

（3）下卧式闸门方案

倾倒下卧式闸门特点是门叶绕底支铰转动启闭，闸门通过底支铰固定在闸底板上，通过安装在两侧闸墩上的一对液压启闭机操作，液压启闭机推拉闸门两侧的支臂使闸门绕支铰转动，实现开启和关闭。倾倒下卧式闸门特点是闸门全关时平卧在闸底板以下，无上部排架等建筑物，液压启闭机布置在水面以上。闸门封水效果良好，运行可靠性较好。但由于行洪时闸门位于底板以下，泥沙淤积对闸门启闭影响很大，当河道较宽时，单孔闸很难适用较宽的河道，受孔口限制，需设置中墩，同时闸门配设支臂后自重较大，结构复杂，启闭机容量较大，投资较高。

（4）液压升降坝方案

液压升降坝是近几年兴起的一种拦河景观坝，闸门升起蓄水，放倒行洪，门顶溢流可形成人工瀑布景观。液压升降坝由坝面、轴承座、液压缸和液压泵站组成。每个单元坝面宽度为6 m左右，由两个安装在坝基上的轴承座支承，液压缸直顶在坝面板的背部，由安装在管理区的液压泵站驱动两只油缸推动单元坝面绕轴承转动，各单元坝面间以及与坝基间采用橡胶止水装置密封，从而实现蓄水与泄洪。当闸门完全开启时，坝面完全下卧到底，与河底齐平。

液压升降坝是由多扇单独控制的闸门组合而成。优点:可以多扇并排布置，可以一起启闭，也可以单独启闭，从而满足任意挡水宽度的要求；单扇门叶宽度较小，闸门自重轻，油缸容量小，故造价较低。缺点：各扇门叶之间止水效果较差，容易漏水；液压缸长期浸泡在水中，容易锈蚀，防腐要求较高，运行维护和检修困难；闸门和液压油缸数量多，景观效果一般，门体之间同步控制较复杂；多扇并排设置的门叶中任意一扇发生故障将导致整个水闸功能失效，可靠性较差；液压缸发生泄漏将导致水体污染；当闸门完全开启后，闸门顶面与河底齐平，该状态下闸门缺乏约束，当流速过大时，水流造成的流激振动对液压升降坝有一定的破坏作用。

（5）橡胶坝方案

橡胶坝分为充水式和充气式两种，充水坝的充排时间要长于充气坝，两种坝型在造价方面相差不多。橡胶坝主要由土建部分、坝袋及锚固件、充排水(气)设施及控制系统等部分组成。橡胶坝运行时要严格按照规定的方案和操作规程进行，要注意坝袋内的充水(气)压力不能超过设计压力，以免坝袋爆破。橡胶坝虽然很少维修，不像常规钢闸门那样需要定期涂刷油漆防锈，但也要定期检查，尤其是在洪水过后，要检查是否有漂浮物对坝袋造成刺伤，以及坝体振动、坝袋与底板磨损、河卵石摩擦撞击坝袋等造成的损害。橡胶坝袋容易受到尖利物体损坏，故应划出橡胶坝工程的管理范围和安全区域。

橡胶坝运用条件与水闸相似，具体优点为:①造价低。可减少投资30%～70%，可节省钢材30%～50%，水泥50%左右，木材60%以上。②施工期短。坝袋只需3天～15天即可安装完毕，多数橡胶坝工程当年施工当年受益。③坝体为柔性软壳结构，能抵抗地震、波浪等冲击，且止水效果好，跨度大，汛期不阻水，可用于城区园林美化。④维修少，管理方便。橡胶坝袋的使用寿命一般为15～25年。

橡胶坝的缺点：在水闸挡水（蓄水）时，挡水时间越长其上游淤积会越多。橡胶坝上游的泥沙淤积会对橡胶袋产生压力（大于正常设计水压）和吸力，长时间淤积对橡胶袋有损坏，影响工程运行。通常橡胶坝依靠背部橡胶袋来升坝和塌坝，当上游和下游的水压差较小时，橡胶坝不能正常塌坝，影响泄洪断面。橡胶坝一般须建一座供气站或水泵房，管路多且复杂，如果发生停电或其他故障，不利于塌坝和升坝，影响安全稳定运行。

（6）钢坝方案

钢坝是近年发展起来的一种新型景观闸坝，学术名称为大跨度底轴驱动翻板闸门。我国第一座大跨度底轴驱动翻板闸门，于2005年在上海苏州河建成并投入使用。 它主要由土建结构、圆柱形底轴、固定在底轴上的门叶、支承底轴的若干固定支铰座、底侧止水、闸墩侧墙密封件及启闭机驱动连接拐臂等组成。闸门的启、闭操作由布置在两侧启闭机室内的液压启闭机控制。

钢坝孔口宽度不受梁高的制约，适合于闸孔较宽（10～100 m）而水位差比较小（1～7 m）的工况。由于设计的宽度较大，可省去中间数孔闸墩，所以不仅结构简单，而且节省不少土建投资，既可立门蓄水，也可卧门行洪排涝，适当开启调节水位，还可以利用闸门门顶过水，形成人工瀑布的景观效果。主要优点：双向挡水，启闭灵活，可任意角度（0°～90°范围内）启动/停止闸门来调节闸门；工程隐蔽，无碍防汛和通航，改善河道景观，可以大跨度运行，枯水期可将闸门竖立进行检修；响应速度快，压力可调，可远程控制监控。主要缺点：总体造价相对略高，要求闸基不存在大的不均匀沉陷。

钢坝相对橡胶坝还有以下特点：

①泥沙淤积的影响：钢坝没有底坎和侧门槽，是门叶围绕底轴心旋转的一种特殊结构。上游止水压在底部圆轴上，当坝竖起或倒下时，止水紧贴圆轴表面，始终保持封水状态；侧止水同样一直紧贴侧墙，止水面始终不离开侧胸墙（一般采用大理石光滑面），故淤沙不影响钢坝自身的升坝和塌坝。

②行洪断面的影响：钢坝是靠液压机拉动向下游倾倒，倒坝后门体在底板高程以下，不会阻挡泄洪。

③运行稳定性：钢坝仅需两套液压驱动装置驱动，结构简单，操作方便，无须专门油管和泵站等设施，如果发生停电或其他故障可以使用手动装置操作，可有效地保证塌坝和升坝，安全性较高。

④投资对比：一般地质条件下，以目前价格来计算，坝高在3m左右的橡胶坝，每延米投资约4万元，坝袋每延米0.75万元。钢坝每延米投资约为6万～8万元，投资是橡胶坝的1.5～2倍。

三、钢坝方案的确定

本工程泄洪河道断面为复合断面，河道宽度大于20m，平均水深2m，枢纽正常蓄水位及校核洪水位一致，均为2 372.30 m，闸墩高程2 373.00 m，闸底板高程2 370.00 m，孔口尺寸20 m×2.3 m。要求泄洪闸设置的挡水设施能满足汛期全开泄洪，非汛期挡水运行及局开调节流量的要求，要确保汛期和非汛期溢流堰取水流量与正常蓄水位时一致，保证景观河道的流量要求。同时需考虑整体景观要求和控制设备要满足现场控制、人工控制及中控室远程控制的要求。

通过对所选取6种闸坝型式分别从运用条件及原则、安全可靠及稳定性、景观效果、施工及检修维护条件等方面进行比较分析得出结论：传统闸门不满足景观要求；水力自动翻板闸由于河道汛期行洪时会产生淤沙，会影响闸门正常运行；倾倒下卧式闸门对于较宽河道需设置中墩，闸

门整体投资较大；液压升降坝的液压缸浸泡在水中，多扇并排工作，止水易漏水，影响可靠运行；橡胶坝受泥沙淤积影响较大，塌坝时间长，不利于泄洪及安全稳定运行；钢坝能满足汛期泄洪闸行洪及整体景观要求，启闭机在室内工作，避免了液压升降坝的缺点，可靠性较高。经综合比选后，确定采用钢坝挡水泄洪方案。