攀枝花市水利水电勘测设计院 四川攀枝花 617000
摘要：目前低水头挡水建筑物主要有液压升降坝、平卧式钢坝、常规水闸、橡胶坝、水力自动（液压式）翻板坝等形式。本文通过对目前几种常见的坝型进行综合比较分析，提出了适合于低水头景观要求的坝型。近年来在国内得到推广与应用，特别是在跨度较大、泥沙较多的安宁河中已取得成功运用。
关键词：钢闸坝；坝型比较；挡水；水景观
1 工程概述
米易县安宁河城北闸坝工程位于四川省米易县城北主城区河段，钢坝全长145.8m，共3孔，高3.6m。目前该工程已于竣工成功蓄水，为四川省内跨度最大的平卧式钢坝。
2 水文泥沙特性
米易县安宁河城北闸坝工程位于安宁河上，安宁河系雅砻江下游左岸一级支流。安宁河干流在安宁桥以上河床为深切狭谷，河床稳定，基岩断续裸露，河道比降较大，水流湍急；安宁桥以下河床逐渐开阔，河道蜿蜒，江心洲增多，出现宽阔的河谷盆地。安宁河流域泥沙严重、推移质大，多年平均沙量为1240万t。本工程处多年平均沙量为1136万t。
3 各坝型综合比较
本工程为低水头挡水工程，目前低水头挡水建筑物主要有液压升降坝、平卧式钢坝、常规水闸、橡胶坝、水力自动（液压式）翻板坝等形式。
因工程位于米易县主城区，需综合结合城市总体规划，滨河长廊景观设计等，工程主要目的是增加城市水景观，打造亲水城市环境，提升城市整体形象。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，而且淤积问题较难解决。故而排除了固定溢流坝形式。
安宁河流域泥沙严重、推移质大等实际情况，橡胶坝对类似河流其安全性、可靠性较差，使用寿命短，坝袋极易被漂浮物或尖锐物损坏，洪水期坍坝调度与蓄水难以协调，运行管理难度较大，需常了解上游水位情况来决定坝袋充高与坍坝。且换坝袋一次约700万元，运行成本较高。
水力自控翻板坝虽能根据上游水位自动调节，造价低、结构简单，施工期短，管理运行方便。但河道中同样需设置多处闸墩，阻碍行洪，且经不住特大洪水的冲击，易被漂浮物卡塞或上游淤积不能自动翻板。洪水过后，翻板门再关上时被异物卡住，造成大量漏水。
故橡胶坝、水力自控翻板坝也不适用于本工程。
综合考虑国内目前运用较为成熟的活动坝坝型及近年来发展起来的新型活动坝坝型，并充分结合《雅砻江流域综合规划》及安宁河流域实际情况，工程最终拟定以下四种坝型做详细比较：
3.1、提升式闸坝 3.2、平卧式钢坝 3.3、液压翻板坝 3.4、液压升降坝
3.1提升式闸坝
提升式闸坝是利用启闭设备如卷扬机、液压装置、螺杆装置等，将闸门门叶放下时即可蓄水，提升闸门门叶到需要的高度时，水从门叶底部流出，实现泄水的目的。提升式闸门克服了水力自控翻板闸门和橡胶坝的缺点，可根据需要实现人工调配水位，经久耐用，但是一般均为钢结构制造，由于设计原理的要求，结构跨度大，门体厚度大，闸孔较多，启闭机及土建结构工程量较大。优点：1、设计、施工技术成熟，安全可靠。2、运行灵活，检修方便。
缺点：1、工程量大，施工周期相对较长，不能在一个枯期完成。2、闸墩较多，对行洪能力有影响；上部需设置启闭设施，不能形成水景观。
3.2平卧式钢坝
钢坝是一种新型可调控、钢结构类似闸门。它由土建结构、带固定轴的钢坝体、启闭设备等组成，由于钢坝可以设计幅度比较宽，可以省去数孔闸墩，所以不仅结构简单，安全可靠，而且可以立门蓄水，卧门行洪排涝，还可以利用闸门门顶过水，形成人工瀑布的景观效果。
优点：1、钢坝的设计使用寿命可长达50到60年。2、钢坝不易被损坏，采用集成式启闭机启动，启闭速度可达每分钟一到两米，一般工程不超过两分钟即可完成升坝或卧坝。3、钢坝可根据水位的不同需求，进行0-90度内任意角度调节，不会发生移动。操作灵活简单，可以实现现地控制和远程控制，并且可以无缝对接当地山洪预警系统。4、钢坝的表面进行热喷锌，附着力极强，抗冲刷能力强。5、钢坝没有底门槽和侧门槽，是门叶围绕底轴心旋转的结构，上游止水压在圆轴上。当坝竖起或倒下时，止水不离圆轴的表面，始终保持密封止水状态。侧面止水同样的原理，止水面始终不离开侧胸墙，故淤沙泥不会影响钢坝的升坝和卧坝。
缺点：1、钢坝全部采用钢结构精加工制作，投资较高。2、中墩及两侧设备室将占有少量行洪断面。3、坝体检修时需修筑围堰。
3.3液压翻板坝
自控液控双作用翻板闸门是从水力自控翻板闸门发展而来。液压翻板坝在水力自控翻板闸门的基础上增设液压系统，克服水力自控翻板闸门的被动启闭方式，可以实行人工干预闸门的开启和关闭，这种闸门还是难以避免被水中杂物卡住，但是由于可以利用液压系统来操控闸门，因此清理漂浮物相对可靠，下部杂物的清理也容易些。
优点：1、结构简单、造价低廉、使用方便、运行费少。2、可实现自动控制与人工控制相结合，运行灵活。
缺点：1、汛期阻水，对河道行洪影响明显；2、液压杆长期处于水中，可靠性较低，维护困难。3、由于支墩间距较窄，大的漂浮物极易卡在闸门之间，检修困难，检修时需修筑围堰。
3.4液压升降坝
液压升降坝的构造由弧形（或直线）坝面、液压杆、支撑杆、液压缸和液压泵站组成。液压升降坝采用液压杆升降以底部为轴的活动拦水坝面，实现升坝拦水，降坝行洪的目的；采用支撑杆支撑活动坝面的背面，构成稳定的支撑墩坝；采用联动钢铰线带动定位销，达到支撑墩坝固定和活动的相互交换；采用浮标开关，控制操作液压系统。
液压升降坝具有下列优点：1、投资：坝面不高时可采用钢筋混凝土结构，基础上部的宽度只要求与活动坝高度相等，同时液压系统简便，因此，工程成本较低。2、泄洪能力：活动坝面放倒后，坝面只高出基础约50cm，达到与橡胶坝同样的泄洪效果，行洪、冲沙、排漂效果良好。3、美观：坝面可喷色彩、文字、图案，可形成水景瀑布。4、采用浮标开关控制，操作液压系统，管理方便。
缺点：1、液压杆及支撑杆长期浸泡水中被水冲刷及漂浮物的撞击极易发生故障；液压油路管埋在砼基座下，在蓄水或泄洪时无法检修。检修时上下游需作围堰。2、由于坝高5m，倒坝时坝体易失稳震动，故产品寿命较短。3、支撑油缸较多，控制系统相对复杂，较难实现全自动控制。4、断电情况下无法工作，安全可靠性无法保证。
4 坝型（比较）选择
以上四种坝型优点和缺点均较明显，下面结合本工程的具体特征对以下几方面进行比较。
4.1防 洪
安宁河属季节性河流，汛期与非汛期河道流量相差悬殊，因此为协调防洪与蓄水矛盾，并考虑本工程位于米易县主城区重要位置，要求拦河坝在汛期能够快速塌坝，汛后又能及时恢复挡水状态。
提升式闸坝对漂浮物、推移质、汛期泥沙、河道可能出现的生活垃圾适应能力强。
平卧式钢坝为整体式启闭，开闭速度快，启闭时间仅需10分钟，能够对来水流量变化作出积极反应。并且钢坝具有（电动液压、手动、紧急泄油）三重保护措施，确保汛期闸门安全放倒泄洪。
液压翻板坝，一般情况门体制作比较厚，当翻倒泄洪时，中间形成一道很厚的阻水面，影响泄洪断面，当上下游水位较大时，易造成将闸门冲走。
液压升降坝为单扇启闭，一般为6m一段，开闭速度较慢，水流状态不均，其液压杆及支撑杆长期浸泡水中被水冲刷极易发生故障。液压油路管埋在砼基座下，在蓄水或泄洪时无法检修。安宁河推移值大，一旦有石头树枝卡住液压杆或者支撑杆，将导致闸门无法倾倒。
河道行洪时要求设计的建筑物尽量少占河道断面，提升式闸坝及翻板坝需布置多处闸墩；平卧式钢坝也需设置一个中墩，占用少量河道行洪断面；液压升降坝无隔墩，不占用河道。由于河道行洪涉及到米易县城市居民生命财产安全，因此在拦河闸坝不能自行坍坝时，可以强行控制坍坝，平卧式钢坝具此特征。因此，从防洪可靠性看平卧式钢坝及液压升降坝占优。
4.2泥 沙
对于山区性河流泥沙含量较大，常规水闸可设置冲沙闸或提闸即可冲砂。翻板闸门采用中间支铰结构，门前泥沙力矩为启门阻力距，有时致使水力到开启闸门，液压式翻板坝可强行将坝面顶开解决泥沙问题，但对坝面产生一定损伤。
液压升降坝因安装要求基础高于堰顶30cm左右，存在泥沙对坝面的磨损问题，液压杆外置于水中，推移质撞击，特别是大汛时推移质以较高流速通过时更为严重。液压升降坝支撑杆一旦卡主，液压杆强行顶开坝面会对坝面有一定损伤。
平卧式钢坝则平卧放倒后与基础顶同高，泥沙磨蚀小，坝面经特殊处理，耐磨性好，底轴为封闭式，泥沙无法进入，对启闭无影响。
因此，常规水闸及平卧式钢坝占优。
4.4运行管理
常规水闸运行时需根据洪水流量人为调节启闭机开度，需配专人管理，自动化程度相对较低。
平卧式钢坝实现远程自动控制和监控。闸门开闭角度较为灵活，速度快（10分钟内），可根据即时流量作出快速适应性调整，对短期内流量变化适应能力强。钢坝可以在任意角度锁定，方便灵活。可以实现现地控制和远程控制，并且可以无缝对接当地山洪预警系统。
液压翻板坝采用自控及液压双控措施，正常运行时，根据洪水水位自动控制闸门开度，并保持一定的工作水头，可实现自动控制与人工控制相结合，管理方便。
液压升降坝采用浮标开关控制，操作液压系统，达到无人管理，根据洪水涨落，实现活动坝面的自动升降，但无法实现任一角度全自动（远程）控制，需管理人员现场确定，有一定误差，管理相对麻烦；一旦有石头树枝卡住液压杆或者支撑杆，将导致坝面无法倾倒。
因此，液压翻板坝及平卧式钢坝占优。
4.5维护管理
常规水闸每孔上方均有启闭机房，内设启闭机，因此对启闭机及配套设备需进行经常性的维护和闸门防锈，维护费用相对较高。
平卧式钢坝对漂浮物、推移质、汛期泥沙、河道可能出现的生活垃圾适应能力强。结构相对较为简单，钢坝液压系统布置在闸室内，为干燥密封环境，液压系统使用寿命长，且方便检修。维护保养周期较长，维修条件较好，使用寿命长，后期维护使用费用较低。
液压翻板坝正常运行期间无需专人管理，无需经常性维护；但翻板闸每次启闭都需要加指定用油控制液压系统；遇到垃圾树木杂质卡门时，需及时清理。
液压升降坝布置在河道中，液压杆及支撑杆工作环境潮湿且受到河道中泥沙，石块和漂浮物的影响。液压管路埋在永久性砼基座下，检修时须拆除上部砼基座，且要作上下游围堰，工程量及费用相当大。
因此，平卧式钢坝占优。
4.6工程投资
四种坝型土建工程量闸坝相对较多，其余三种坝型相当，但平卧式钢坝均为钢结构，钢坝的钢材使用量为6吨/米，其投资较大；常规水闸由于闸孔较多，且上部有工作桥及启闭房及交通桥，其投资也比较大。因此，工程投资上液压翻板坝及液压升降坝占优。
4.7使用寿命
常规水闸及平卧式钢坝使用寿命为50-60年，液压翻板坝为40年，液压升降坝坝面相对较薄，其使用寿命次之。
4.8工 期
常规提升式水闸由于工程量较大，工期较长需18个月，其余三种坝型均可在一个枯期完成，即8个月。因此从工期上看提升式闸坝不占优势。
4.9美 观
本工程作为低水头挡水工程，常规水闸上部有启闭设施，视线受阻，且闸门不能翻水，形不成水景观。钢坝、液压翻板坝、液压升降坝三种坝型均能实现坝顶过水，具有较好的瀑布景观效果。
综上所述，提升式闸坝是非常成熟且已经得到工程实例证明的成功方案，但闸墩影响行洪，施工周期长，景观效果较差；液压翻板坝造价较低，但影响行洪安全；液压升降坝可靠性较低；钢坝虽然出现的较晚，是一种新兴的门型。其的特点是结构简单、运行安全可靠，运行费用低，不存在淤积问题，便于管理，并能形成水景观，但投资相对较高。综合安宁河米易城区段实际情况、工期安排、城区沿河段景观总体规划及本工程的任务等，工程最终选择平卧式钢坝。
5 工程总体布置
米易县城北闸坝轴线全长145.8m，共设置3孔3.6mx40m（高x宽）钢坝闸门挡水，其中中间1孔为调节闸。设有2个中墩及2个边墩用于放置钢闸门液压启闭机。闸底板置于稍密卵石层，采用C25钢筋混凝土底板，基础表面设计为C40HF混凝土厚度为50cm。底板采用宽顶堰型式，闸门顶允许溢流水深50cm，在坝体内设2.0mx1.5m（高x宽）的交通廊道。坝前防渗铺盖20m，厚0.8m，采用C25钢筋砼浇筑，铺盖下设C15素混凝土垫层厚15cm；坝后设下挖式消力池，长15.0m，深1.0m，消力池底板厚1m，采用C25钢筋砼浇筑，消力池表面设计为C40HF混凝土厚度为50cm；消力池后设海漫，海漫长25m，结合安宁河比降较大、流速较快的特点，海漫采用C15素砼。海漫后设防冲槽，防冲槽底宽2.0m，采用大卵石抛填。
调节闸亦采用平卧式钢坝，采用单孔3.6mx40m（高x宽）钢坝。液压启闭机安装于中墩和岸边墩内。
6 结语
平卧式钢坝是一种新型的闸门型式，该闸门无上部建筑物，景观效果好，运行安全稳定，在景观水系隔断中具有良好的应用前景。米易县城北闸坝工程在超大跨度景观水系中成功应用了该类闸门，为该类闸门在四川省多泥沙河流的应用提供了成功案例。
参考文献：
[1]李天科 《低水头水工建筑物设计》 北京：水利水电出版社，2009。
[2]沈全顺 《钢坝闸在水中景观中的利用与发展》 云南：科技创新与应用，2014
作者简介：
李潘（1984.05-），男，工程师，大学本科，水工设计室主任，主要从事水利水电工程设计工作。
论文作者:李潘
论文发表刊物:《基层建设》2016年10期
论文发表时间:2016/8/1
标签：液压论文; 闸门论文; 平卧论文; 闸坝论文; 宁河论文; 启闭论文; 泥沙论文; 《基层建设》2016年10期论文;