張麗萍 董 雷 鄒福建 王曉婧

（1.徐州市水利建筑設計研究院 徐州 221100 2.徐州市銅山區(qū)水務局 徐州 221116）

1 概述

鄭集河輸水擴大工程是江蘇省南水北調一期配套工程的重要組成部分，該工程的建設是落實江蘇省南水北調一期配套工程建設目標的具體體現(xiàn)。鄭集河輸水擴大工程補水灌溉范圍181萬畝，工程等別為Ⅰ等。鄭集河口壩位于鄭集河樁號Z30+070處，具有引水、蓄水、通航和排澇等功能。當微山湖水位較高時，塌壩引水；當微山湖水位較低時，升壩蓄水，由順堤河引水至鄭集河。鄭集河口壩20年一遇行洪流量為540m3/s，屬于1級水工建筑物。鄭集河口壩處河底高程27.50m，河道底寬45m，最高擋水水位31.57m，最高擋水高度4.07m。

2 可選壩型

鄭集河口壩壩型可采用橡膠壩+通航孔、鋼壩及氣盾壩等多種方案。橡膠壩具有結構簡單、施工方便、造價較低、技術較成熟等特點，在國內有較廣泛應用。但橡膠壩壩袋材料生產(chǎn)比較復雜，運行時充水（充氣）升壩或放水（放氣）塌壩時間較長，影響快速截流或泄洪，同時橡膠易受河道中的尖銳物體劃破，耐久性一般[1-3]。因此在鄭集河口壩壩型比選中首選型式新穎、技術先進、安全可靠的鋼壩和氣盾壩。鄭集河口壩壩長45m，最高擋水水頭為4.07m，對于鋼壩和氣盾壩，皆屬于大跨度高水頭建筑物。

2.1 鋼壩

鋼壩是一種可調控溢流壩，學術名為底軸驅動翻板閘門，是一種通過驅動底軸來操控閘門啟閉的一種閘門結構，由液壓啟閉機驅動閘門繞底軸軸心線旋轉。這種建筑物適合于閘孔較寬（10～100m）而水位差比較小的工況（1～7m）[4-6]，由于鋼壩可以設計的比較寬，可省去數(shù)孔閘墩，所以不僅結構簡單，節(jié)省不少土建投資，而且可立門蓄水，臥門排水，還可利用閘門門頂過水，形成人造瀑布景觀。

鋼壩由門葉、底軸、底鉸座、自潤滑軸承、底水封、側水封、液壓啟閉機以及液壓鎖定裝置等組成，其結構形式如圖1所示。閘門啟閉運行時，液壓啟閉機通過拐臂驅動底軸轉動，同時使門葉以底軸中心為圓心作扇形轉動實現(xiàn)閘門的開啟和關閉。閘門開度（或轉角）取決于鎖定裝置的鎖定位置或液壓啟閉機活塞桿持住位置，閘門的開度范圍為垂直與水平之間（0～90°）的任意位置或角度。

2.2 氣盾壩

氣盾壩又名氣動遁形閘門，是綜合傳統(tǒng)鋼閘門及橡膠壩優(yōu)點的一種新型擋、泄水建筑物。氣盾壩由美國OHI公司研制，該公司于1988年在美國成功完成了世界上第一道氣盾壩的建設。氣盾壩引入國內后，至今在國內已建成并投入使用100多座，目前已被水利部認定為水利先進實用技術，并列入《2017年度水利先進實用技術重點推廣指導目錄》。該壩型不受地理條件限制，適用于景觀、蓄水、通航等工程，特別適用于洪水暴漲暴落，漂浮物和滾石、泥沙夾雜較多的河道。

氣盾壩結構主要由盾式門板、氣囊、錨固預埋件、空壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五大部分組成，其結構形式如圖2所示。門體擋水面是一排強化鋼板，氣袋支撐在鋼板下游面，利用氣袋的充氣或排氣控制門體起伏和支承閘門擋水，并可精確控制閘門開度。

在擋水運行時，支撐氣囊隱藏在面板之后，水流和漂浮物越面板而過，支撐氣囊和附屬系統(tǒng)不受沖刷，不再懼怕漂浮物穿刺、劃傷；盾板塌落時，面板將氣囊完全覆蓋，氣囊與流水、沙石、冰凌完全隔開，氣囊也不因流水的拍打、震動產(chǎn)生磨損，氣囊處于更安全的保護環(huán)境。盾板塌落后門體全部倒臥在河底，不影響景觀、通航和水生動物的回游。

氣盾壩的氣囊與鋼盾板之間為一體式軟連接、無需潤滑油或其他連接件，因此其壩體本身無需像其他壩型一樣定期修補壩袋、更換連接耗損零部件或上潤滑油等日常維護措施。

3 壩體型式比選

3.1 不均勻沉降對壩體影響

鋼壩：壩體中底軸作為門葉豎向懸臂梁的固端和閘門啟閉驅動軸，對基礎的不均勻沉降要求高。

氣盾壩：壩體對不均勻沉降要求較低；氣盾壩為模塊化設計，跨間采用聚酯纖維強化的合成橡膠連接，適應變形能力較強。

3.2 壩體結構

鋼壩：鋼壩在國內應用高門體大跨度案例較少，需專門針對當?shù)貙嶋H情況進行專題研究[7]；根據(jù)液壓啟閉機內設定的鎖定功能實現(xiàn)角度調節(jié)；由于鄭集河口壩門體高度較高，跨度較大，所需直徑為1.5m的底軸，按照航道部門要求門體下臥時需低于河底，鋼壩的控制系統(tǒng)需要較大和較深的空間。

氣盾壩：氣盾壩設計壩高0.5～8m，單跨長5～160m，且在北京、貴州、山東等地已有多處建成100m以上的大跨度氣盾壩[8-10]；目前國內高門體氣盾壩的核心部件氣囊基本均采用進口設備；對施工期的技術和安裝要求較高。

3.3 運行管理

鋼壩：鋼壩面板堅固，不易損壞；通過底軸驅動閘門，不受雜物淤積影響，運行可靠；油壓系統(tǒng)在地面下，管理不便。

氣盾壩：氣囊處于盾板下方，免受河道泥沙沖刷及日光直射，使用安全；充氣系統(tǒng)可位于地面上，管理方便，氣盾壩為模塊化設計，可簡化安裝過程及后期維護。

3.4 對環(huán)境影響

圖1 鋼壩結構示意圖

圖2 氣盾壩結構示意圖

鋼壩：通過液壓啟閉機調節(jié)閘門開度，可形成人工瀑布景觀；存在液壓油泄露造成水體污染的隱患。

氣盾壩：通過氣囊充排氣調節(jié)閘門開度，可形成人工瀑布景觀；氣袋采用食品級材料制成[11]，以壓縮空氣作為驅動閘門開度，無漏油及機械雜質的問題，不會造成污染。

3.5 壩體安裝維修

鋼壩：對安裝要求較高，底軸橡膠止水更換困難；鄭集河口壩底軸直徑1.5m，長度約50m，需現(xiàn)場焊接拼裝并二次防腐，加工工藝高，安裝難度大。

氣盾壩：組合式的模塊單元，重量輕，安裝時不需要大型起重設備，省時省力；對安裝技術要求較高，需專業(yè)人員現(xiàn)場指導。

4 結語

根據(jù)鋼壩和氣盾壩的工作原理及適用情況，這兩種壩型均適合鄭集河口壩，結合鄭集河口壩引水、排澇、通航等功能需要，綜合考慮氣盾壩和鋼壩的特點，該工程最終選用具有結構型式簡單、適應變形能力強、運行管理方便、環(huán)保性能好等優(yōu)點的氣盾壩方案。氣盾壩具有多項優(yōu)點，相信在不久的將來，氣盾壩將會有更廣闊的應用前景。氣盾壩在該工程中的成功應用，可為大中型工程的建設提供參考■