液压升降坝在城市河道中的选型设计.pdf

设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 3期 液压升降坝在城市河道中的选型设计 丁峰 刘月刚 邱 象玉 北京市水利规划设计研究院 北京 1 0 0 0 4 8 【 摘要】 城市河道设计中常有兼顾景观要求。通过分析液压升降坝的工作原理，论述液压升降坝的结构组成 和工作特点。通过闸型比选论述液压升降坝的优缺点，结合工程实例详细介绍了液压升降坝在工程设计中的布置 特点，为城市河道设计景观闸型的选型设计提供参考。 【 关键词 】 液压升 降坝城 市河道闸型设计 【 DO I 编码】 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 ． 2 4 6 9 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 2 0 【 中图分类号】T V3 4 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 6 7 2 ． 2 4 6 9 2 0 1 3 0 3 ． 0 0 5 9 ． 0 3 近年来 ，随着城市功能不断发展完善，人民生 活水平不断提高，城市河道整治对河道景观的要求 越来越高。城市河道主要设计原则是在保证城市水 系防洪、供水标准原则下，并能完美与城市河道景 观相结合。即在满足河道基本水利功能的前提下， 还要尽可能以水为载体 ，营造水上河边景观，还人 以生态 自然的空间环境 ，给人 以 良好的视觉享受。 直升式平面钢 闸门、弧形钢 闸门及人字闸门是 水工建筑物常用的几种 闸门型式。但这几种闸型布 置在城市河道上，对有景观要求的河道有些不尽人 意。传统 的平面钢 闸门制造安装简单 ，运行管理方 便，但孔 口上部设有土建结构和启闭系统，视觉不 通透 ，影响景观效果。弧形钢 闸门具有结构简单、 启闭力小、水流条件好等优点，而且弧形钢闸门的 启闭设备也得到飞速发展，液压启闭机取代 了部分 以机械传动 方式为代表的传统的 固定卷扬式启 闭 机开始应用于弧形钢 闸门的启闭操作上。但是对于 较宽河道，需设置多孔弧形钢 闸门，闸墩的存在减 少河道过流断面 ，闸门泄流能力有所降低。人字 闸 门可适用于较宽的航运河道，但静水启闭的运行条 件使得其应用较为局限。 液压升降坝是近年来水利行业新发明创造的 一 种新闸型， 曾 入选为水利部 2 0 1 1 年度水利先进实 用技术推广产品。和传统挡水型闸坝相比，液压升 降坝具有力学结构合理、泄水效果好、不易受漂浮 物影响和泥沙淤积等优点。液压升降坝现己开始应 用于城市河道景观工程、农业灌溉、海水挡潮 、山 区河道 中。 本文 根据城市河道整治工程 设计兼 顾景观 功 能的特点，分析液压升降坝的原理、结构组成及性 能特点，结合工程设计实例，通过对景观闸型的分 析 比较 ，详细介绍液压升降坝在工程设计中的应用， 从而为类似 的工程提供设计参考。 1 液压升降坝 1 ． 1 液压升降坝工作原理 液压升 降坝 是一种 采用液压系统控制原理和 机械力学原理，结合支墩坝水工结构型式的新型活 动坝 ，具备挡水和泄水双重功能。 液压升降坝的液压系统原理简图如图 1 所示。 液压缸 图 1 液压升降坝系统原理简图 作者简介丁峰 1 9 8 0年一 ，男，工程师。 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 3期 从图 1 可 以看 出，液压系统 由动力装置、控制 调节装置、执行元件和辅助装置等组成，液压泵提 供动力，把机械能转化为液压能。控制调节装置主 要指液压控制阀组，包括溢流阀、节流阀、换向阀 等 阀组 ，其作用是对液压油的压力、流量 、方向起 控制调节作用，实现液压系统 的性能要求。液压缸 是液压系统的执行元件 ，把液压能转化为机械能 ， 实现液压升降坝的动作要求 。辅助装置包括油管、 管接头、油箱、滤油器等 ，油管、管接头把动力装 置、控制调节装置和执行元件连接起来 ，形成完整 的液压回路。滤油器则对液压油进行过滤，提高液 压系统工作用油的清洁度，防止 阀组堵塞 ，延长各 元件使用寿命 ，保证系统正常工作。 在液压系统的控制下，液压缸内的活塞沿缸体 内壁做轴 向来回往复运动，从而带动液压杆和坝体 做直线运动 ，达 到孔 口开启、关闭的要求 。此外， 液压系统还设置液压锁定装置，从而满足了液压升 降坝局部开启的过流要求。 1 ．2 液压升降坝结构组成及性能特点 液压升降坝 的构造主要 由弧形坝面、液压杆 、 支撑杆 、液压缸、液压泵站和油路系统等组成。坝 面材料采用钢筋混凝土。坝面关键参数如半径、厚 度等均根据坝前挡水水头而定。坝面由多扇坝板组 成，坝板之间不设闸墩等阻水建筑物，而设止水橡 皮以满足坝体止水效果。 单扇坝板宽度 标准宽度 为 6 m，非标另行设计，坝高从 1 ． 5 m至 6 m 不等。 液压升降坝底部以铰链轴固定在坝基上，铰链承力 杆支撑坝面，并以坝面背后液压杆的伸缩带动坝面 做扇形上下升降。液压缸和支撑杆均设置解锁装置 控制坝体升降。研制的浮标开关可以实现自动坍坝， 液压控制系统可实现远程控制。由于液压升降坝动 力系统采用液压传动方式，结合坝体构造 ，其性能 特点有 1 液压升降坝跨度较大，结构简单 ，支 撑牢固可靠 ，方便制造。 2 液压升降坝启闭均 由 液压系统控制， 自动化程度高，方便无人化管理。 3 液压升降坝水力条件优越。该坝倒伏几乎完 全贴近河床，可畅泄洪水，上游堆积泥沙、卵石、 漂浮物均可被冲刷至下游而不阻水。在设计水头范 围内，由液压系统控制坝面在任一位置，灵活有效 保证上游蓄水水位和下泄流量。 4 液压升降坝景 观效果好。活动坝面门前蓄水可形成宽阔水面，增 加城市观光性门顶溢流可形成瀑布景观，从而形 成良好的景观效果，改善生态人文环境。 5 液压 升 降坝耐久性较好。由于活动坝面材料为钢筋混凝 土，只需保证浸泡水中的液压缸防水密封性能和防 腐性能，便可保持液压升降坝工作持久。 6 液压 升降坝施工简便 ，工期较短。和传统闸门相 比，减 少闸墩 、金属结构埋件，混凝土工程量小，从而节 约投资成本 。 2 液压升降坝的选型设计 2 ． 1 工程概况 黑河沟又称门头沟或黑水河 ，位于门头沟 区东 南部， 起源于官厅村南绝石梁， 经东店街、 东辛房， 穿过 门城镇入永定河。现状河道过水断面狭小，多 数堤防防洪标准较低，局部河段行洪能力仅达到规 划的 2 0 - 3 0 ％，并且河道构筑物壅水、阻水现象严 重，门头沟黑河沟已远不能满足城市防洪排水要求。 工程主要任务是疏挖整治河道，提高河道的行 洪排水能力；改善河道水环境，提高流域范围的可 居住性及提升门头沟 的整体区域形象；河道形成观 赏水面，堤岸绿化 ，使黑河沟成为 “ 水清、岸绿 、 生态”河道 ，并为其周边提供休闲、娱乐、健身场 所 。 根据工程需要， 在河道桩号 1 4 0 0 、 1 8 5 0 、 2 4 2 2 处新建 3座节制 闸。节制闸主要功能为非汛期蓄水 挡水，形成景观水面；汛期开启，宣泄洪水，保障 行洪安全 。 2 ． 2 闸型比选 本次工程闸型既需要满足行洪要求，又需要满 足景观功能， 以2 4 2 2 处节制闸2 4 2 ． 2 m 宽 高 为例，现进行 闸型 比选 。 目前在城市河道设计中，应用较多的景观 闸型 有钢坝闸，气动盾形闸，水力自控翻板闸门。现对 各闸型进行逐一介绍。 钢坝 闸主要 由门叶结构、底轴结构、拐臂结构 和液压启闭设备等组成。液压缸通过拐臂与 闸门底 轴连接，活塞杆的伸缩推动拐臂带动闸门底轴转动， 从而控制闸门启闭。钢坝闸门可立坝蓄水，允许 门 顶溢流， 形成人工瀑布的景观效果， 也可局部开启， 调节上下游水位。门体倒下时，门体与下游闸底板 处于同一高程，泄洪时不阻水。 气动盾形闸主要由聚酯纤维强化橡胶气袋和 热浸镀锌高强度钢板组成。橡胶气袋位于钢板下游， 气袋与钢板底部通过专用配件安装并固定在闸底 板基础混凝土上，闸门板后设置有安全抑制带以限 制其向上游倒伏。气动盾形闸采用压缩空气的启闭 方法，能够满足动水启闭，并允许整扇闸门局部开 启或 门板分区倒伏过水的要求。 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 3期 水力 自控翻板 闸门主要 由门叶、支腿 、连杆等 结构组成。当闸门上游水位调节 ，闸门借助重力与 水压力合力作用及相应力矩变化实现闸门开启或 关闭。闸门泄流时门叶上游同时出流。水力 自动翻 板闸门也可增设液压启闭机，实现水力与液压双重 控制 。 表 1列举了这 4种常见景观 闸型的投资成本、 使用寿命、泄洪效果、景观效果、自动化程度和缺 点不足。 表 1 闸型方案比选 液压升降 水力自控 气动盾形 项 目 钢坝闸 坝 翻板闸门 闸 投资成本 万元 8 0 7 0 2 0 0 1 O o o 使用寿命 3 O ～5 O 5 2 0 3 O ～ 5 0 l 5 ，2 O 年 完全倒伏 支腿的存 完全倒伏 完全倒伏 泄洪效果 在导致泄 不阻水 不阻水 不阻水 洪阻水 景观效果 好 稍差 好 好 自动化程 度 高 低 高 高 易被漂浮 气袋为进 液压缸易 物卡阻， 底轴上游 口件 ， 缺点不足 易 浸泡水中 上游容易 订货周期 泥沙淤积 泥沙淤积 受控制 从表 l 可 以看 出，液压升降坝、水力 自控翻板 闸门、钢坝闸、气动盾形闸这 4 种 闸型各有其优缺 点。在进行方案设计比选时，设计人员应充分结合 工程实际情况选择相应的闸型。由表 1同样可 以看 出， 液压升降坝、 钢坝闸、 气动盾形闸在泄洪效果、 景观效果、自 动化程度方面具有同等优势，但液压 升降坝投资成本更低 ，使用寿命更长，因此在本次 工程设计 中节制闸闸型优先推荐使用液压升降坝 。 2 ． 3 液压升降坝的布置 以 2 4 2 2节制 闸为例，液压升降坝布置 图如 图 2所示。 节制闸所在河段为矩形断面，底宽 2 4 m，河底 高程 1 1 7 ． 5 4 m，堤顶高程 1 2 1 ． 0 4 m。工程布置依次 为上游连接段、铺盖段、闸室段、消力池段及下 游连接段等。上游铺盖段采用钢筋混凝土结构，底 板厚4 0 0 m m，长 l O m，高程为 1 1 7 ．5 4 m。闸室底板 为单孔分离式钢筋混凝土结构，闸孔净宽2 4 m，长 5 m， 底板采用二层台阶式， 上层台阶与铺盖段连接， 高程为 1 1 7 ． 5 4 m，下层台阶与消力池段连接，高程 为 1 1 6 ． 2 4 m。 液压升降坝安装在上层台阶，坝面立起挡水时 面板与铅垂面呈 1 8 。角度。活动坝面放倒后，坝体 只高出原坝项 2 0 3 0 c m， 有效保证坝体的泄洪效果。 上层台阶预留坝体铰支座二期混凝土孔 口尺寸，二 期浇筑时，预埋件钢筋应与一期混凝土预留钢筋焊 接牢固。上层台阶与下层台阶衔接处，预留支撑杆 二期混凝土尺寸 。下层台阶预 留液压缸二期混凝土 安装尺寸， 二期混凝土处理方法同铰支座、 支撑杆 。 底板和边墙均预留液压管路槽 ，底板液压管路槽上 铺砼盖板，边墙油路预留槽上铺钢板盖面。液压管 路埋设好之后与液压缸、液压泵站连接。液压升降 坝由4 扇单扇坝板组成， 单扇闸门重量约为 4 5 0 0 k g ， 坝板间设橡皮止水 。单扇坝板后埋设 2支液压缸， 液压缸内径 O1 4 0 mm，液压缸设计最大工作压力为 1 6 Mp a 。液压泵房布置在左岸稍远处，液压升降坝 可实现现场控制和集中控制 。下游消力池段为钢筋 混凝土结构，长 l O m，底板厚 6 0 0 mm。液压升降坝 允许门顶溢流，为避免局部开启运行时门顶溢流及 启闭操作时造成门后负压，坝后两侧边墙设置通气 孔 以起到补气的作用 ，从而减小坝体振动。 图 2 液压升降坝布置图 3 结语 结 合北京市 门头沟 区黑河沟液压 升降坝的工 程设计实例 ，经过闸型比选，结合液压升降坝的布 置与设计特点，最终得出如下结论 1 液压升降 坝运行安全可靠 ，蓄水坝前可形成景观水面 ，行洪 不阻水，能够 同时满足防洪设计和河道景观要求。 2 液压升降坝布置简单，施工难度低，可大大 节约土建与金属结构成本 。 3 可为城市景观河道 闸型的选取提供设计参考。 参考文献 1 ． 褚红梅． 对城市景观河道建设的几点思考[ J ] ． 江苏水利， 2 0 0 7 ， l 1 2 2． 2 4 ． 2 ． 曹平周， 朱召泉． 钢结构【 M】 ． 北京 科学技术文献出版社， 2 0 06 ． 61