趙月芬，李凱旋，王 湛，閆永生，耿曄晗，劉 杰

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

1 研究背景

水利工程結(jié)合生態(tài)環(huán)境建設(shè)，是當(dāng)前解決河流生態(tài)環(huán)境的需求，也是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。自古以來，水利工程主要以修建堤壩、水閘、溢洪道等不同類型的水工建筑物為主，實(shí)現(xiàn)防洪、供水、灌溉、水力發(fā)電、調(diào)整河勢(shì)等功能。傳統(tǒng)的水利工程往往給生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)帶來了不利影響，現(xiàn)代水利工程的建設(shè)不僅要實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的功能，還要結(jié)合當(dāng)代生態(tài)治水理念，考慮到凈化環(huán)境、涵養(yǎng)水源、服務(wù)生產(chǎn)、景觀效益、休閑娛樂等多方面的需求，實(shí)現(xiàn)恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，體現(xiàn)人水和諧，提升精神文明層次，保證城市的可持續(xù)發(fā)展。

攔水壩作為水利工程中關(guān)鍵的組成部分，在河流治理和生態(tài)文明建設(shè)中起著不可或缺的作用，有利于改善河道生態(tài)環(huán)境、提升河道水資產(chǎn)、傳播城市河道水文化等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)水資源高效利用的要求，在滿足擋水、蓄水、泄洪的基本功能前提下，擋水建筑物型式不再局限于常規(guī)的閘門型式，出現(xiàn)了大量具有生態(tài)、景觀功能的大跨度、低水頭且設(shè)計(jì)新穎、造型獨(dú)特的攔水壩，廣泛應(yīng)用于城市河道治理工程，常見的類型有：橡膠壩和鋼構(gòu)攔水壩，鋼構(gòu)攔水壩又包括升臥式閘門、氣動(dòng)盾形閘、鋼壩閘、液壓升降壩及合頁活動(dòng)壩。型式多種多樣，如何根據(jù)工程實(shí)際，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、景觀融合等角度出發(fā)，合理選擇閘型，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。

2 鋼構(gòu)攔水壩的應(yīng)用進(jìn)程

在城市河道治理發(fā)展的初期，最先被廣泛應(yīng)用的是橡膠壩，其具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、技術(shù)要求不高等優(yōu)點(diǎn)。橡膠壩最早于1960年代被引入中國，首座建于1966年，位于北京市右安門南護(hù)城河上［1］。隨著時(shí)間的發(fā)展，橡膠壩的缺點(diǎn)也暴露無遺，壩袋易老化破壞且易被尖銳物刺破，升壩或者放壩時(shí)間過長，影響了快速截流和泄洪，給行洪安全帶來隱患，且壩高受到限制，枯水期壩袋也影響景觀。于是鋼構(gòu)攔水壩應(yīng)運(yùn)而生［2］，其克服了橡膠壩的缺點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)形式簡單、安全可靠、加工安裝方便，不僅保證了安全行洪的可靠，能通過壩頂過流形成瀑布，形成一道靚麗的風(fēng)景，符合當(dāng)前生態(tài)水利的理念。

升臥式閘門是由提升式平面閘門發(fā)展改進(jìn)而來，提升式平面閘門是最早出現(xiàn)的鋼構(gòu)攔水壩，是由美國F.G.M斯托尼發(fā)明。首座于1883年，位于愛爾蘭，單扇閘門尺寸高4.4 m，寬8.9 m，共四扇閘門，安裝在橋墩之間，用來蓄水。20世紀(jì)初期，歐洲、美國、埃及以及印度等國大量興起，并發(fā)展了多種形式［3］。我國直到20世紀(jì)50、60年代才引進(jìn)應(yīng)用。直升式平板閘門［4］的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、閘室短又適合用井柱樁和分離式閘底板。但是其機(jī)架橋的排架高達(dá)六、七米，造價(jià)較高，遇上大的地震或者臺(tái)風(fēng)，安全無保證。如1966年河北省邢臺(tái)地區(qū)發(fā)生6.9級(jí)地震時(shí)，震中附近的直升式平板閘門的機(jī)架橋、排架多數(shù)都被震毀。隨后改進(jìn)發(fā)展的升臥式閘門被廣泛應(yīng)用［5］，如河北省廊坊市東張務(wù)節(jié)制閘、貴州大七孔電站溢洪道升臥式平板鋼閘門、廈門馬鸞海堤開口改造工程、河北省灤河遷安市段生態(tài)防洪工程等［6-8］。

氣動(dòng)盾形閘門最初由美國OHI公司進(jìn)行研發(fā)，1990年代自美國問世以來，在世界范圍內(nèi)得到了大力的推廣和應(yīng)用，如美國的Friant壩和Horseshoe壩、新西蘭的Ophua壩及冰島的Rarik壩，累計(jì)建設(shè)達(dá)200多座。我國于2005年后開始引進(jìn)并推廣。初期，由于系統(tǒng)相關(guān)核心技術(shù)需要美國專利技術(shù)，價(jià)格昂貴，國內(nèi)市場(chǎng)僅十余座［9］。但近兩年，主要部件已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，市場(chǎng)應(yīng)用增幅明顯，如北京新鳳河、清河氣動(dòng)盾形閘工程、吉林市松花湖人工濕地溢流閘工程、貴州德江玉龍湖氣動(dòng)閘項(xiàng)目等。目前，最高的氣動(dòng)盾形閘門于2013年建于貴陽南明河上，4座規(guī)模相同，各寬60 m，高度達(dá)到8 m［10］。最長跨度的氣動(dòng)盾形閘門于2015年建于山東淄博，跨度長達(dá)100 m，高3 m［11］。

鋼壩閘是2007年正式開發(fā)出來并應(yīng)用于實(shí)際工程。目前，國內(nèi)建成的此類閘門工程有數(shù)百座，如重慶市銅梁區(qū)巴川河防洪工程、北京黑河溝水環(huán)境治理工程、德?？h城區(qū)防洪治澇工程、北京萬泉河治理工程等［12-15］。鋼閘壩在遼寧省應(yīng)用較早，應(yīng)用案例較多，自2008年新民縣新開河上修建了第一座鋼壩閘至今，遼寧省已修建30余座鋼壩閘，壩高多在1.5～4.0m，壩寬多在10～60 m［16］。國內(nèi)外應(yīng)用中第一個(gè)跨度達(dá)到100 m的工程建于上海蘇州河河口，中間建有中墩［17］。目前單孔閘門寬度最大達(dá)到60 m，建于2011年，位于湖北鄖西。山東省內(nèi)首例最大規(guī)模建于2015年，位于山東淄博，設(shè)計(jì)擋水高度5.5 m，單孔凈寬27 m［18］。

液壓升降壩是2006年自安徽池州發(fā)展并應(yīng)用于工程實(shí)際。截止2016年，國內(nèi)已經(jīng)建成投運(yùn)300多座，目前發(fā)展趨勢(shì)迅猛，年建可達(dá)百余座，如石家莊彩色弧形壩工程、山西高平彩色弧形閘工程、浙江省紅浦江千秋橋項(xiàng)目工程、北京豐臺(tái)弧形液壓壩工程［19-20］。此類壩，最高壩高達(dá)到5 m，建于2009年，位于湖南炎陵，壩長為38 m，共7扇［21］。最長壩長為240 m，建于2016年，位于遼寧海城市，壩高為 4 m［22］。

合頁活動(dòng)壩是2012年自北京發(fā)展的新型攔水壩。目前，國內(nèi)已建成百余座，如布爾哈通河安圖城區(qū)段河道治理工程、小凌河濱河新市鎮(zhèn)生態(tài)示范段工程、濟(jì)寧市引水入城南躍進(jìn)溝提水站工程等［23-25］，此類閘門也已經(jīng)在東南亞孟加拉、泰國等國外得到大力推廣應(yīng)用。目前，最長合頁活動(dòng)壩建于2014年，位于緬甸梅澤利，長261m。最高的合頁活動(dòng)壩建于2017年，位于貴州銅仁，壩高5 m。在東北寒冷地區(qū)，2014～2016年在吉林省敦化市牡丹江干流建設(shè)完成6座，壩高2 m，壩長為56～23 m的合頁活動(dòng)壩，配備冬季自動(dòng)退冰功能，在寒冷地區(qū)河道中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

3 鋼構(gòu)攔水壩的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1 鋼構(gòu)攔水壩的構(gòu)造（1）升臥式閘門適合于水位較高的工況，單扇閘孔寬一般不超過8 m，需要建造多個(gè)閘墩。其結(jié)構(gòu)包括門體、機(jī)架橋、啟閉機(jī)工作橋、主臥、吊耳、止水裝置等［26］，見圖1。門體材質(zhì)一般為鑄鐵結(jié)構(gòu)。機(jī)架橋較高，用以保證啟閉機(jī)的運(yùn)行距離。其主臥一般采用懸臂式主輪，吊耳安裝在門底靠近下主梁的上游面，當(dāng)閘門開啟時(shí)，啟閉機(jī)通過吊耳向上提升門體到一定高度時(shí)，上、下主輪即分別沿弧形軌道、反向軌道滾動(dòng)，閘門逐漸升高，最終平臥在斜向軌道上［27］。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)、螺桿式啟閉機(jī)、液壓啟閉機(jī)，目前，國內(nèi)應(yīng)用最多的是液壓啟閉機(jī)，因其布置簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、體積小、附屬土建簡單。國內(nèi)部分企業(yè)已經(jīng)研發(fā)了機(jī)電液一體化的新型液壓啟閉機(jī)集成式啟閉機(jī)，并得到推廣。

圖1 升臥式平板閘門

（2）氣動(dòng)盾形閘門是一種將傳統(tǒng)水工鋼閘門和橡膠壩結(jié)合的新型攔水壩。適合攔蓄高度0.5～10 m，單扇盾形閘門門體及橡膠氣袋可以最長達(dá)到10 m，多扇門體并排形成攔水壩，主要由門體、橡膠氣袋、埋件結(jié)構(gòu)、止水、氣動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成［28］，見圖2。門體一般為弧形鋼板，倒伏式覆蓋氣袋。橡膠氣袋在門體的下游面，氣袋內(nèi)層為聚酯纖維強(qiáng)化的合成橡膠，中層為單體合成橡膠，外層為抗臭氧、抗侵蝕的混合物橡膠。通過角度傳感器監(jiān)測(cè)起伏角度，控制對(duì)橡膠氣袋充氣或排氣過程，推動(dòng)門體的起伏，實(shí)現(xiàn)控制閘門的開度［29］，下游側(cè)的合成橡膠抑制帶，一端與門體結(jié)構(gòu)固定，另一端與基礎(chǔ)底板固定，防止下游水位較高或者風(fēng)力作用下，門體向上游翻轉(zhuǎn)傾倒。埋件結(jié)構(gòu)預(yù)先固定在河床上，將門體面板與土建基礎(chǔ)地面相連。夾鑄具將氣袋和鉸鏈蓋板壓在角形埋件上，氣袋楔形開口一邊被壓緊，固定密封，壓緊的鉸鏈蓋板與鋼閘門底軸相連，保證門體結(jié)構(gòu)沿底軸旋轉(zhuǎn)。止水選用高分子聚乙烯材質(zhì)的閘墩板，門體分節(jié)處采用條形橡皮，壓板固定進(jìn)行止水。

圖2 氣動(dòng)盾形閘門

（3）鋼壩閘是一種整體式的新型液壓驅(qū)動(dòng)的鋼閘門，適合攔蓄高度1～7 m，單扇閘門最長可達(dá)60 m，超過60 m的寬度后需要建設(shè)中墩及獨(dú)立的啟閉機(jī)房［32］。主要由帶固定軸的門體、拐臂、啟閉設(shè)備、控制系統(tǒng)、止水結(jié)構(gòu)等組成［30］，見圖3。門體為T型主縱梁、型鋼橫向次梁組合焊接而成的主框架鋼結(jié)構(gòu)，門體下端與底軸之間用螺栓連接，底軸結(jié)構(gòu)采用穿墻裝置，用以保證底軸的旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)拐臂固定在底軸的兩側(cè)，上端與各自對(duì)應(yīng)的液壓伸縮桿連接，液壓啟閉機(jī)與支座連接，支座內(nèi)的鎖定裝置與驅(qū)動(dòng)拐臂相連，利用鎖定裝置鎖定，利用液壓啟閉設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)懸臂結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)壩面起伏。止水結(jié)構(gòu)材質(zhì)為一般選用“Π”形橡皮。其控制系統(tǒng)一般為PLC控制，系統(tǒng)中會(huì)預(yù)留遠(yuǎn)程通訊和變頻安裝空間接口。當(dāng)停電或者其他故障時(shí)，應(yīng)急手動(dòng)油泵裝置可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作，保證閘門可靠運(yùn)行。

（4）液壓升降壩是采用液壓伸縮桿與鎖定支撐桿配合直推弧形壩面實(shí)現(xiàn)擋水的新型攔水壩，適合攔蓄高度1.5～6 m，單扇閘門標(biāo)準(zhǔn)寬度為6 m，多扇壩面并排布置，獨(dú)立運(yùn)行，形成攔水壩。主要由門體、液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐桿結(jié)構(gòu)、電控組成［33］，見圖4。門體結(jié)構(gòu)一般為鋼筋混凝土外包鋼板。底部用鉸鏈軸將面板固定在混凝土底板基礎(chǔ)上，壩面起伏通過門體背部的液壓伸縮桿大角度直頂門體實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，折疊支撐桿結(jié)構(gòu)用于固定門體的駐壩位置。止水結(jié)構(gòu)一般選用橡膠。其控制系統(tǒng)一般也可以實(shí)現(xiàn)PLC控制及遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)一控多管。

圖3 鋼壩閘

圖4 液壓升降壩

（5）合頁活動(dòng)壩是將“液壓三鉸點(diǎn)變幅運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理”與傳統(tǒng)水閘優(yōu)化結(jié)合形成的攔水壩結(jié)構(gòu)，該壩多扇閘門并排布置，獨(dú)立運(yùn)行，適合攔蓄水深1～6 m。主要由門體、止水、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成，見圖5。門體組件均為鋼材質(zhì)，門體間止水選用P型止水橡膠，門體通過其獨(dú)有的“整體式”底鉸支座與埋件、液壓伸縮桿連系成一體，將門體、液壓伸縮桿精準(zhǔn)定位，安裝快捷且精度高。通過內(nèi)設(shè)液壓控制系統(tǒng)，利用壩體背部的2支液壓缸的伸縮，小角度推動(dòng)壩面繞底軸在一定角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)升壩擋水，利用壩體自重及水重?zé)o動(dòng)力降壩［34］?？刂葡到y(tǒng)包括PLC手動(dòng)控制、自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程控制，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)合頁壩運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖5 合頁活動(dòng)壩

3.2 鋼構(gòu)攔水壩的結(jié)構(gòu)比較主要包括3個(gè)部分。

（1）土建結(jié)構(gòu)。這5種壩型除了閘室底板結(jié)構(gòu)區(qū)別較大以外，其他土建結(jié)構(gòu)包括中墩、邊墩、上下游翼墻、護(hù)坡、防滲墻、消力池和海漫等結(jié)構(gòu)基本一致。其中鋼壩閘中墩一般做成中空閘室作為啟閉機(jī)房，氣動(dòng)盾形閘、液壓升降壩、合頁活動(dòng)壩可不設(shè)置中墩。

（2）閘體結(jié)構(gòu)。閘體結(jié)構(gòu)均采用鋼面板形式，略有區(qū)別。其中，鋼壩閘和合頁活動(dòng)壩門體結(jié)構(gòu)一般采用弧形或平面鋼制面板，升臥式閘門門體結(jié)構(gòu)一般為平面鋼板，氣動(dòng)盾形閘門門體結(jié)構(gòu)一般為薄壁弧形鋼板，迎水側(cè)設(shè)肋板加強(qiáng)。鋼質(zhì)面板均可在門體下游設(shè)置挑水、放水孔等滿足景觀及生態(tài)模擬需求。液壓升降壩一般采用鋼筋混凝土外包鋼板結(jié)構(gòu)。

（3）驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)。氣動(dòng)盾形閘門采用氣動(dòng)裝置充排氣袋驅(qū)動(dòng)門體旋轉(zhuǎn)，其他4種鋼構(gòu)壩均采用液壓控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)有所不同。升臥式閘門利用液壓啟閉機(jī)向上提升門體，帶動(dòng)門體沿軌道運(yùn)動(dòng)最終橫臥在水面之上。鋼壩閘利用液壓伸縮桿驅(qū)動(dòng)兩側(cè)與門體底軸相連的拐臂結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)門體旋轉(zhuǎn)。液壓升降壩采用液壓伸縮桿大角度直頂門體旋轉(zhuǎn)，鎖定支撐桿進(jìn)行門體限位。合頁活動(dòng)壩采用液壓伸縮桿小角度直頂帶動(dòng)門體旋轉(zhuǎn)并限位。每種壩型都能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程控制，用以保證行洪安全。

3.3 鋼構(gòu)攔水壩的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較對(duì)這5種壩型的地基要求、土建工程量及安裝難度、運(yùn)行使用、生態(tài)景觀、主要缺點(diǎn)及造價(jià)進(jìn)行對(duì)比［35-36］。

3.3.1 地基要求、土建工程量及安裝難度對(duì)比 見表1。

表1 地基要求、土建工程量及安裝難度對(duì)比

3.3.2 運(yùn)行使用對(duì)比 溢流深度一般都不允許超過30～50 cm。超過50 cm以后，會(huì)對(duì)壩體結(jié)構(gòu)安全造成一定隱患，且視覺上景觀效果較差。以100 m寬，2 m高鋼構(gòu)攔河壩為例，主要運(yùn)行使用參數(shù)對(duì)比見表2。

3.2.3 生態(tài)景觀對(duì)比 見表3。

3.3.4 主要缺點(diǎn)及造價(jià)對(duì)比 見表4。

4 結(jié)論

綜上所述，5類鋼構(gòu)攔水壩在地基要求、土建工程量及安裝難度，運(yùn)行使用，生態(tài)景觀方面都有不同的優(yōu)勢(shì)和各自的劣勢(shì)，這就需要在應(yīng)用時(shí)，根據(jù)工程實(shí)際情況，避重就輕，選擇合適的鋼構(gòu)攔水壩來進(jìn)行使用。

（1）升臥式閘門具有閘體較高且結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的特點(diǎn)，尤其適用于對(duì)擋水高度要求較大、簡易船閘和河岸式溢洪道工程的工作閘門河道地區(qū)；不適合于跨度大、漂浮物多及景觀要求高的河道。

（2）鋼壩閘采用一體化門體結(jié)構(gòu)，水景觀效果好，價(jià)格較高，適用于雨量充沛的南方、洪水漲落快速的山區(qū)及城市景觀河道，尤其適用于巖石基礎(chǔ)河床較窄的河道及要求快速開閘泄流的河道；不適合于寬闊河道、地基基礎(chǔ)條件差或需要頻繁啟閉門體沖砂排漂的河道和震級(jí)高或投資受局限的地區(qū)。

（3）氣動(dòng)盾形閘門具有的環(huán)保生態(tài)性及對(duì)能效要求不高的特點(diǎn)，尤其適用于城市河流梯級(jí)開發(fā)和通電不利的山區(qū)河流，也適用于地基基礎(chǔ)條件差，震級(jí)高的地區(qū)；不適用于要求需要頻繁啟閉門體沖砂排漂的河道，或季節(jié)性斷流河道且對(duì)水景觀要求較高的地區(qū)。

（4）液壓升降壩具有分區(qū)且價(jià)格較低的特點(diǎn)，適用于雨量充沛的南方、洪水漲落快速的山區(qū)河道；不適用于冬季寒冷或者泥沙含量大的河道及對(duì)景觀要求高的地區(qū)。

（5）合頁活動(dòng)壩具有隱藏式支撐和冬季壩前自動(dòng)破冰的特點(diǎn)，適用于雨量充沛的南方、洪水漲落

快速的山區(qū)及城市景觀河道，尤其適用于結(jié)冰期無除冰裝置的北方寒冷地區(qū)及漂浮物和泥沙沉積較多的河道；不適合于坡降比較大，水流湍急的陡峭河道。

表2 運(yùn)行使用參數(shù)對(duì)比

表3 主要景觀生態(tài)參數(shù)對(duì)比

（6）目前，只有升臥式閘門已應(yīng)用約50年，其他新型閘門的起步較晚，對(duì)于使用年限，都僅限于理論計(jì)算年限，最長應(yīng)用時(shí)間不過10年左右，需要隨著時(shí)間的推移，進(jìn)一步驗(yàn)證使用年限。

（7）鋼構(gòu)攔水壩技術(shù)在國內(nèi)尚無設(shè)計(jì)規(guī)范可循，其結(jié)構(gòu)計(jì)算方法、質(zhì)量檢測(cè)、評(píng)定等內(nèi)容還需要進(jìn)一步研究和實(shí)例檢驗(yàn)。

表4 主要缺點(diǎn)及造價(jià)對(duì)比