液压升降坝在沙里河河道综合整治中的应用.pdf

工程建设与管理 东北水利水电 2 0 1 0 年第3 期 [ 文章编号 】 1 0 0 2 --0 6 2 4 2 0 1 0 0 3 一o 3 8 一O 3 液压升降坝在沙里河河道综合整治中的应用 王业红 ． 黄为 1 ． 辽宁省水利水电勘测设计研究院， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 6 ； 2 ． 辽宁省水利水电科学研究院 ， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 3 [ 摘 要]本文比较 了目前广泛用于小型低水头集挡水、 泄水功能于一体的活动坝坝型一钢平 板 闸、 翻板 坝、 橡胶坝 的优 缺点 ， 结合 沙里河流域 气象 、 水文及地质条件 ， 介 绍 了一 种新型 活动 坝一液压升降坝在沙里河河道综合整治工程的适用性。 [ 关键词]液压升降坝； 坝型； 河道综合整治； 沙里河 [ 中图分类号] T v 8 7 1 ． 1 [ 文献标识码] A 1 概况 沙里河河道综合整治工程位于内蒙古赤峰市 巴林左旗县城南 。 林东镇西 南方向 ， 乌 力吉沐沦河 一 级支流沙里河上。整治工程在沙里河林东桥～ 无 限载路桥段 间距 1 ． 4 5 k m， 高差 5 ． O 0 m 河道上修 建三道拦河坝形成 3个河道人工湖 ，解决规划新 城 区 的防洪安全 问题和改善沙里河 河道 环境 ． 建 设水安全、 水环境 、 水景观 、 水文化 、 水经济 、 水 管 理 六位一体的现代城市生态水利系统。 本流域 属中温带大陆性季风气候区 ，全年 四 季分 明 ， 春季 多风 干旱温差大 ， 夏季 多雨气温高 ， 秋季风大霜来早 ， 冬季严寒北风多。多年平均气温 为 3 6 c c，极端最低气温一 4 0 ． 0 0℃ ，极端最高气 温 4 2 ． 0 0℃。年平均降水量为 3 5 0 ． 0 0 4 0 0 ． O 0 I 砌 ， 降雨季节性明显， 主要集中在 6 月到 8 月份， 占全 年降水量的 7 7 ％左右， 冬季降水少 ， 只占全年 降水 的 2 ． 5 ％左右 ， 洪水频率 3 ． 3 3 ％流量为 3 7 5 ． O 0 m， ／ s 。 沙里河从发源地起一直经过沙丘地带，全 流 域植被破坏 ， 沙化严重。水文年鉴所载实测最大含 沙量 7 2 ． 7 0 k g ／ m， ， 但年鉴很多年份的沙峰缺测， 特 别是大洪水时 ， 沙峰大部分缺测。根据现场调 查 ， 沙里河 1 9 9 0年洪峰达 1 0 0 0年一遇 ．洪水过后沙 里河淤积极为严重， 辽上京遗址处淤积达 2 ． O 0 m， 实测的最大有含沙量的流量为 6 6 0 ．O 0 m 3 ／ s 。 坝址 区处于构造 活动相对稳定 区．近期未发 生过 中强 以上的地震 。在勘察 区测绘 中未发现新 构造运动对岩土体及建筑物产生断裂破坏痕迹及 不良地质作用。3 座拦河坝均处在同一地貌单元． 地层结构基本一致。场地地层属第四系全新统和 3 8 上更新统 的河流 中洪积地层 ， 地 层分布较连续 、 稳 定 ， 以砂土为主 ， 部分地 段见有粉质粘土透镜体 。 地层主要为 中砂 、 砾砂和 圆砾等 。 渗透 系数较 大 ， 均为中至强透水性层。 2 坝型方案设计 根 据河道整治规划 ，三道拦河坝总落差 5 ． 0 0 m， 通过坝高 、 两岸堤防高 度综合比较 确定三道拦 河坝高度为 2 ． O 0 m，要求三道拦河坝能够在枯水 季节挡水 ， 在汛期能够泄水排沙 。 同时尽量降低对 河道行洪不利影响。 采用固定堰坝将对行洪 断面产生影响 ，加大 堤 防防洪标准 ， 而且淤积 问题较难解决 ； 采用弧形 门 、 平板钢闸门等 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 ， 投资较 高 ， 施 工复杂， 工期 长 ， 而且管理麻烦 ， 运行维 护费用高 ， 需配专人管 理， 冬天需破冰， 同时， 不能排泄水面漂浮物， 外观 不够美观。因此 ， 设计时排除了固定堰坝和常规的 平板钢闸门结构形式。 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。工程初 步拟定 3 种坝型 橡胶坝 水力自控复合运动滚轮 滑轮轨型翻板闸门； 液压升降坝。3 种坝型均全河 道布置 ， 由挡水坝体 、 下游 消能设施 组成 ， 其 中橡 胶坝和液压升降坝均配置了控制设施。 3 坝型 比较 根据初步拟定的基本坝型 ， 结合 沙里河气象 、 2 0 1 0 年第 3期 东北水利水 电 工程建设与管理 水文及规划景观要 求 。对上述 3种坝型进行综合 比较 。 1 橡胶坝 优点 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。 缺点 安全性、 可靠性较差， 使用寿命短； 增加 泵房 ， 机 电设备 ； 坝袋易被漂浮 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 ； 充水式橡胶 坝冬季冰 冻容 易损坏坝袋 ， 而充 气式橡胶坝不能调节坝高 ， 不 易控制下泄流量 ， 容 易水流集 中引起河床局部 中刷 ，同时需配专人管 理 ， 冬天 需破冰。 2 水力自控复合运动滚轮滑轮轨型翻板闸门 优点 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 。 缺点 阻水 ， 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。 3 液压升降坝 优点 吸收橡胶坝和 翻板 闸各 自优点 ， 改善两 者的缺点 ， 象拦水 闸一样坚 固耐 用， 具有成本低 、 结构坚 固可靠 ， 使 用寿命长 ， 泄 洪能 力强 ， 自动化 程度高等优点。 缺点 不如橡胶坝美观 。 橡胶坝和翻板 闸优点和缺点均较 明显 ，但 上 述 3种 坝型通 过 合理 设计 仍 可 以满足 本 工程要 求 ， 下面结合沙里河具体特征进行比较 。 1 防洪与蓄水 。沙里河属季节性河流 ， 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 ， 要 求拦河坝在汛 期能够快速垮坝 ， 汛后 又能及时恢复挡水状态。液压升降坝和翻板闸通 过工程设定可以满足该要求，橡胶坝则需要收集 上下游水文资料经分析后再决策 ，往往大水 尚未 过 完就升坝 ， 需要再次坍坝 ， 或者升坝后人工湖难 以蓄满 ， 造成水量损失 。 河道行洪时要求设计的建筑物尽量少 占河道 断面 ， 相对而言翻板 闸 占用河道行洪 断面较 多， 因 此翻板 闸设计 时一般对 河道宽度 有一定要 求 ， 而 液压升降坝和橡胶坝 闸墩影响可忽略 在行洪时 均紧贴河床 ， 基本不 影响河道行洪。 由于河 道行 洪 涉及 到城市 居 民生 命财 产 安 全 ， 因此在拦河坝不能 自行坍坝时 ， 可 以强行控坍 坝， 橡胶坝和液压升降坝均具此特征。 2 泥沙。 沙里河泥沙含量较大， 3种坝型对汛 期过水过 沙基本没有差别 ，但橡 胶坝存在泥沙对 坝面的磨损问题 ，特别是大汛时推 移质以较高 流 速通过 时更为严重。 3种坝型在洪水过后对淤积 泥沙反映有所不 同， 泥沙淤积小且较 为松散 时， 翻板闸可 以正常回 落 ， 一旦淤积厚度较 大或泥沙板结 ， 通过 回门缩小 过流断面不能 中开淤积 ，那么众 多闸门中只要有 一 扇不能正常回门， 将影响人工湖正常蓄水 。 橡胶 坝一旦 坝面 淤积较厚 ， 将对充 水 气 设 备提 出较 高要求或者要求人工清理 ，否则坝 袋不能正常升 降。液压 升降坝则可 以通过液压 装置强行顶开坝 面淤沙升 坝 ．由于液压升降坝设计 时考虑 了过水 时升坝工况 ，因此顶开淤积对液压 装置没有特殊 要求。 3 冻冰。尽管冰冻在理论上对充水式橡胶坝 影响不大 ． 可 以适当降低 内压 比运行 ， 但 实际操作 一 般都实行 了人工凿冰措施 以确保橡胶 坝安全 ． 同时浮冰对坝袋 充水或充气 也 存在安全 隐患。 早 期翻板 闸采 用的直立式结构 受冰冻影响较 大 ， 后期第三 、 第四代翻板 闸均采用了向下游倾斜 结构 。 大大改善 了冻冰对其结构影响。 液压升 降坝吸收 了翻板闸倾斜优点 ．向下倾 斜 1 5 。 北方冬季结冰不会对其造成损坏。 4 漂浮物。尽管城区段人工湖定 期清理漂浮 物 。 但汛 期漂浮物 特别是树枝 可能卡住 翻板 闸 导致起翻或回落 困难 ， 又没有强制起落设施 ， 极有 可能威胁 到行洪安全 ； 漂浮物 特 别是 尖锐物 可 能刺穿或损伤坝袋。 上述 隐患对 液压升 降坝均不存在 ，而且可 以 在损失极小水量前提下方便排污。 从工程投资 角度来说 ， 3种活动坝型投资相 差 不多 ， 均较常规水 闸节省 ； 从泄洪和消能 角度来看 ， 液压升降坝和橡胶坝较优； 从运行管理上说， 在功 能一致时 ， 翻板坝 的费用最优 ， 液压升降其次 ； 从稳 定性看 。 常规水 闸和液压 升降坝最优 ， 翻板闸稳 定 性较差 。因此 ， 液压 升降坝具备投资省 、 泄洪效 果 好 、 可靠性和 自动化程度高等特点 ， 比较适合北方 ． 3 9 工程建设与管理 东北水利水电 2 0 1 0 年第 3 期 缺水地区、 冰冻严重和多泥沙河道特征。沙里河综 合整治工程拦河坝确定采用液压升降坝。 4 液压升降坝工 作原理 液压 升 降坝是 最 近两年 发 展推 广 的新型 坝 型， 力学结构科学 、 不阻水、 不怕泥砂淤积 ； 不受漂 浮物影 响； 放坝快 速 ， 不影响防洪安全 ； 结构坚 固 可靠， 抗洪水冲击能力强。它在充分考虑传统的活 动坝型缺陷基础上 。 具有橡胶坝可控 、 紧贴河床不 阻水特点； 具有翻板 门坝 自控 、 任意保持水位高度 特点 ； 具有平板闸坚固耐用的特点。 液压升降坝 工作基本原理 采 用自卸汽车 力 学原理 ， 结合支墩坝水工结构型式的一种坝型 ， 具 备挡水和泄水双重功能。 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 ， 达 到无人管理 。 根据洪水涨落 ， 实现活动坝面 的自动 升降。 5 液压升降坝特点 1 投资。坝面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 结构性能。 坝面升起后。 形成稳定的支撑墩 坝结构， 力学结构科学， 抗洪水冲击的能力极强。 3 泄洪能 力。活动坝面放倒后 ， 坝面只高 出 基础约 2 0 ． 0 0 c m， 达到与橡胶坝同样的泄洪效果， 行洪、 冲沙、 排漂效果良好， 而且， 遭遇特大洪水也 不会对结构造成损坏。 4 自动化 采用浮标开关控制， 操作液压系 统 ， 可以达 到无人值守 ， 管理方便。 5 维护管理 部件经久耐用， 更换容易， 维护 管理费用较省。 6 美观 坝面可喷色彩、 文字 、 图案 活动坝 面高度可 随意调节 、 演示 ； 上游有漂浮物 时 ， 只要 操控一下液压系统 ，即可轻松地冲掉 ，使河水清 澈上游水量较大时形成瀑布景观和水帘长廊奇 观 ． 可供 游人观赏。 【 收稿 日期】 2 0 0 9 1 2 0 7 [ 作者简介] 王业红 1 9 7 8 - ， 女， 辽宁沈阳人， 工程师， 主要从事 水利水 电建 筑设计 工作 。 上接第 3 7页 展作为一个必须遵守的原则 ，工程建设和生态 环 境建设同步规划 、 同步实施 、 同步发展 ， 实现经济 效益、 社会效益、 生态效益、 环境效益相统一， 执行 “ 预防为主 ， 防治结合” 、 “ 谁污染 ， 谁治理” 和“ 强化 生态环境 管理 ” 三 大政 策 ， 在保护 中开发 。 在 开发 中保护 ， 趋利避害 ， 扬长避短 ， 促使水利工程 与生 态环境协调发展 ， 实现人与 自然的和谐。 [ 参 考 文 献] [ 1 ] A S t e p h e n ． S u s t a i n a b l e d e v e l o p me n t i n l a r g e h y d r o p o we r g e n e r a t i o n ． Aust r a l i a n Na ti o n a l Co mmi t t e e o n L a r g e Da ms B u l l e t i n， 2 0 0 0 ． [ 2 ]Wo r l d Co mm i s s i o n o n E n v i r o n me n t a n d De v e l o p me n t ， Ou r Co mmo n F u t u r e T h e B r u n d t l a n d Re p o r t ． Ox f o r d ， Ox f o r d Un i v e mt y P r e s s ， 1 9 8 7 ． [ 3 ]冯德顺， 石伯勋． 美国加利福尼亚州调水工程成功的启 示[ J ] ． 水利水 电快报， 2 0 0 3 ， 2 4 4 1 - 2 ． [ 4 ] 周奕梅． 水利工程规划设计中的环境影响评价U] ． 水利 规划设计 ， 2 0 0 2 ， 3 5 0 5 2 ． 4 O - [ 5 ]孙宗凤 ， 聂建平． 生态水利的哲学思考及其研究框架 [ J ] ． 水利发展研究， 2 0 0 3 ， 1 2 1 5 -1 8 ． [ 6 ]李雪淋， 王卓甫． 水利工程全生命周期中生态环境的可 持续发展[ J ] ． 建筑经济， 2 0 0 7 ， 4 6 6 - 6 8 ． [ 7 ]李友辉， 熊焕淮， 许瑛， 等． 修河干流大中型水利工程对 环境的影响[ J ] ． 江西水利科技， 2 0 0 5 ， 3 1 4 2 2 5 - 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