液压升降坝与传统活动坝型比较研究

液压升降坝与传统活动坝型比较研究 摘要:针对橡胶坝、翻板坝及液压升降坝3种坝型，在广泛调研的基础上，概述了各种坝型的特点，并通过具体工程实例，分别从技术、投资、运行管理及效益等方面对各种坝型进行了对比分析，结果明，液压升降坝在多数情况下优于橡胶坝和翻板坝，值得广泛应用与推广。 本文所涉及的活动坝(液压坝的特点后面已有叙述。)主要有橡胶坝、翻板坝和液压坝等三种坝型。橡胶坝的优点是安装简便，下降时能无阻碍地泄洪;翻板坝构造简单、施工方便、便于维修，部分开启时有良好的稳定性;而液压坝与上述传统的活动坝型相比，特点更为突出，即具有投资少，适用范围广，结构坚固可靠，抗洪水冲击能力强，运行管理简单，寿命长等优点。以下将分别叙述这三种活动坝的特点，并将其各种性能进行比较。 1 三种坝型各自的特点 1.1橡胶坝 橡胶坝是一种薄壁柔性坝，主要由坝袋、充排设备、锚固结构、安全及观测 [1]装置等组成，可分为充水式、充气式和气水混合3种形式。采用高强度合成纤维织物作为坝体的受力骨架，在骨架内外表面涂敷高分子合成橡胶作为粘结保护层，形成整体的高强度胶布，再按照尺寸加工成封闭的袋形，锚固在混凝土基础底板上，利用水(气)压力将其充胀形成袋式挡水坝，坝顶可溢流，可根据实际需要进行坝高调整，从而更好地发挥灌溉、发电、航运、防洪及挡潮等效益。 调研可知，橡胶坝最早出现于20世纪50年代末，美国、澳大利亚及日本等国先后对橡胶坝开展了不同程度的研究，包括试验研究、坝袋制造技术、制 [2-4]定等，并取得了一系列研究成果。较为著名的有澳大利亚的孔伯龙巴(Koombooloomba)充水式橡胶坝、日本为荷兰建造的拉姆斯波尔(Ramspol)橡 [5]胶坝等。1965年以来，我国橡胶坝的发展历史大致经历了试验研究、总结改进、稳步发展及快速发展4个阶段。目前我国的橡胶坝工程主要以充水式为主。 1 1.2翻板坝 翻板坝1972年发明于日本，主要由面板、支腿、支墩及连杆等部件组成，其基本工作原理是杠杆平衡与转动，通过上游水作用力和闸门自身重量的相互制衡及增设阻尼反馈系统达到调控上游水位的目的。通过上游来水量的增减自动控制作用于闸门上的合力大小及作用点位置，同时利用支腿、支墩、导板、滑轮及连接杆的协调配合，实现翻板闸门的自动开启和关闭。当上游水位升高时，闸门逐渐开启泄流，上游水位下降时，闸门逐渐关闭蓄水，从而保证了上游水位一直 [6]保持在设计要求的范围内。 目前应用较多的翻板坝形式主要有多铰轴式、双支点复合式、多绞连杆滑块式和滑块支承铰式等，如我国汉江支流天河尾间郧西县的天河口翻板闸门、广东省怀集县水下三级水电站翻板坝等。在国外的应用中，日本拟利用翻板坝来防止海啸对沿海岸地带居民的袭击。 1.3液压升降坝 有资料表明，液压升降坝2006年由我国发明，属于拦河活动坝的第三代产品，是一种利用自卸汽车力学原理，结合支墩坝水工结构型式，具有挡水和泄洪双重功能。主要由坝面(弧形或直线)、支撑杆、液压杆、液压缸及液压泵站组成(从EI、Elsevier ScienceDirect、Springer等知名数据库1990~2015年的调研情况，以及在Google等网络搜索引擎上搜索的结果来看，尚未找到液压升降坝这一新生坝型的国外文献及报道)。 液压升降坝的主要工作原理是利用液压系统控制活动拦水坝，从而达到升坝时拦水，降坝时泄洪的目的。液压坝(液压升降坝的简称)的结构是在坝面的背面设置滑动支撑杆作为支撑，构成稳定的支撑墩坝，通过液压系统和限位卡装置，实现坝体支撑墩坝活动和固定的相互转换，从而达到固定拦水、活动降坝的目的。此外，液压坝通过浮标开关控制操作液压系统，实现自动化管理，能根据洪水涨 [6]落情况，实时升降活动坝面。 液压坝既保留了传统活动坝型的优点，又克服了传统活动坝型的缺点，是水利科技的一项革命性成果，目前在世界上处于领先水平。由于该坝型力学结构简，运行过程中，既可以像橡胶坝一样紧贴河床不阻水、无泥沙淤积，上游水量较大 2 时又可以像翻板坝一样自动放坝泄洪，不影响防洪安全，结构坚固可靠，抗洪水冲击能力强，任意调节水位高度，像水闸一样坚固耐用。因此目前广泛应用于农业灌溉、渔业、船闸、河道治理等领域。实用案例有安徽池州青阳县液压坝、北 [5]京丰台弧形液压坝等。 2 三种坝型的比较 2.1适用范围 橡胶坝主要应用在低水头、大跨度的闸坝工程，沿海海岸防浪堤或挡潮闸工程，跨度较大的孔口船闸上、下闸门工程，施工围堰或活动围堰工程，城区园林工程等。 翻板坝为较常见的新型活动坝，适用于中、小型河道水位调节，特别是在洪水陡涨陡落、供电、交通不便的山溪性河道建造。城市河道整治中，为防洪、便 [3]于运行管理及美化环境改善景观等亦常需建翻板坝。液压坝是一种低水头活动坝，广泛应用于中小河流治理中的拦蓄水工程，如城市河道景观、小水电站建设、农田灌溉、沿海拒咸蓄淡、盐田拦蓄海水和环境保护等工程。 2.2优劣分析 橡胶坝结构简单，其优点主要有紧贴河床不阻水，自重轻，坝体跨度大，坝型美观，抗震性能好等。其缺点主要有:?可靠性、安全性较差，使用寿命短;?坝体坝袋易被硬质漂浮物或尖锐物损坏，尤其冰冻问题容易导致损坏坝袋;?增加泵房，机电设备;?需人工定期清理漂浮物;?管理运行困难，汛期塌坝与蓄水调度协调较困难，塌坝时间长，经常出现洪水暴涨期间来不及塌坝就被洪水冲毁，在浙江省，一场台风就摧毁了十几座橡胶坝;?塌坝放水后，出现泥砂淤积覆盖坝袋，坝袋无法冲水，需人工清理泥砂，而人工清淤极易损坏坝袋。 翻板坝具有投资较少、工期短、结构简单、管理运行方便等优点，上游水位变动时，能自动调节闸门开关程度。其主要缺点为:?易造成阻水，暴雨期间，往往经不起瞬间特大洪水的冲击，坝体易被洪水冲毁，我国每年有大量翻板坝被洪水冲毁的报道;?易被上游漂浮物卡塞或泥砂淤积，导致坝体自身不能自动翻板，影响防洪安全;?经过洪水冲击后，翻板门容易被异物卡住关闭不严，造成水库大量漏水，无法正常蓄水工作;?坝体上游漂浮物较难清理，导致河道脏乱，污染环境。 液压坝作为一种先进的新型活动坝，其主要优点包括:?力学结构科学，解 3 决了泥砂淤积问题;?结构坚固可靠，抗洪水冲击的能力强;?不受漂浮物影响，在水量损失极小的情况下，能很容易冲掉上游的漂浮物，使河水清澈，保护环境;?坝体间无须建设支墩，坝体放倒后平铺河床基础，不阻水;?放坝速度快，不影响防洪安全，特别适合雨量充沛的南方及洪水陡涨陡落的山区。总体上讲，液压坝克服了传统活动坝的缺点，同时保留了橡胶坝、翻板坝等传统活动坝的基本 [7]优点，具有明显优势，是性价比最高的活动坝。 液压坝与常规坝闸具体性能比较见表1. 表1 液压坝与常规闸坝性能比较表 项目 橡胶坝 翻板坝 液压坝 坝面有液压缸和支撑杆橡胶坝体易被尖锐物 支撑，力学结构科学，损坏，导致上游水库水 河道中间闸墩影响安全抗洪水冲击能力强，每 安全性 位突然下降;坝体倒伏泄洪。 扇门板能单独控制，汛 时不能紧贴河床基础 期坝面全部卧倒，不影面，影响泄洪断面。 响防洪安全 闸门和启闭设备笨重，液压设备安装周期较坝体体积庞大，制造安 制造安装 安装时需要大型的起重短，中型起重设备可满装周期较长 设备。 足安装要求。 运行期间，液压设备维 运行期间需要经常清护麻烦，闸门体积庞大，运行期间，液压设备维 理坝前漂浮物，后期出维护管理 后期出现故障时，维修护稍麻烦，运行液压设 现破损时，维修较麻 困难，液压设备运行期备耗电量较小。 烦。 间耗电量较大。 成本 很高 最低 较低 一般5,15年，受使用使用寿命 一般5,20年 一般30,50年 局限较大 泄洪效果 最好 最差 最好 可靠性 很差 最差 最可靠 能自动放坝，但很不可自动化程度 无 最高 靠 4 3工程实例分析 在调研中发现，运用3种坝型的工程案例较多，但较少将实施方案作横向对比。为此，特优先选用以下两个工程案例进行分析比较，从而总结出选择适合坝型的理由及建议。 3.1案例一 某拦河坝工程规划设计?号、?号及?号3处坝址，通过对投资、工程安全性、发挥效益、水流条件及景观效果等方面进行分析对比后，推荐?号坝址方案。针对该坝址坝型选择问题，分别对液压坝、橡胶坝及翻板坝三种坝型进行了比较。 3.1.1 性能比较 (1)橡胶坝。挡水坝主体拟使用三布四胶橡胶坝袋，通过钢压板将坝袋锚固在坝底板上，通过机电设备抽取河道水源进行充坝挡水。该方案的优点是跨度大、整体效果好。缺点是每间隔一定时间(约15年)需要更新更换坝袋，重复投资较大;日常运行管理维护费用较高，且坝袋易造成人为损坏;受季节影响较大，冬季基本无法正常升坝。 (2)翻板坝。挡水坝主体采用钢板，通过钢筋混凝土支铰结构将支撑固定在坝底板上。该方案的有点是坝体能根据上游来水量的增加及时加大闸门张开度，洪水结束时能及时关闭闸门拦截洪水尾水，有效利用水资源。缺点是阻水较严重，影响防洪安全;容易遭受洪水损坏;后期维修费用较高;上游漂浮物无法清理，影响景区美观。 (3)液压坝。挡水坝主体采用钢筋混凝土板，通过液压启闭机支撑固定在坝底板上。该方案的有点是跨度大，结构简单，工期较短;耐久性较好，实际使用寿命可达到50年。缺点是每间隔约5年时间，需要为液压系统补充液压油，但费用很小。 3.1.2 经济比较 以上三种方案通过计算，得出各坝型的单延米投资总额。计算表明，翻板坝的单延米投资最高，而橡胶坝和液压坝的单延米投资较低。结合使用寿命和维护成本看，液压坝的性价比最高。具体经济比较情况见下表。 5 坝 型 单延米投资 维护费用 液压坝 8.59万元 较 低 橡胶坝 7.09万元 较 高 翻板坝 11.27万元 较 高 通过对以上各种坝型导致的水流条件、河道行洪雍水、消能防冲、工程投资、工程管理及费用的对比分析，经综合经济技术比较，选择液压坝方案作为推荐坝型。 3.2案例二 根据规划，某航道水运工程需要设置一道拦水坝，以实现航道枯水期蓄水通航。根据工程附近区域的水文、气象及规划景观要求，结合航道的汛期防洪要求及通航水深要求，分别对橡胶坝、液压坝及翻板坝3种坝型进行了对比分析，3种坝型的优缺点如下。 (1)橡胶坝。优点是结构简单，自重轻，坝体塌落时坝袋紧贴河床基础面，基本不阻水，坝体跨度大，抗震性能较好，整体效果美观。但具有橡胶坝所固有的通病，而且项目所在地汛期降雨强度较大，汛期和非汛期河道流量差异较大，为协调好蓄水和防洪的关系，要求汛期强降雨期间拦河坝能快速塌坝，汛后又能及时升坝蓄水，因此橡胶坝不太适宜。(2)翻板坝。优点是自动化程度相对较高，投资低，结构简单，工期短，管理运行方便。但同样有前面所述的易被洪水冲毁、被异物卡住、影响水库正常蓄水等缺点。 (3)液压坝。除具有结构相对简单，工期短，投资较少、自动化程度较高、方便检修和管理等常规优点外，更重要的是结构性能可靠，坝体塌落后的高度仅超出河床基础面约30cm，坝体升起后形成稳定的支撑坝体结构，活动坝体的高度可调节，泄流、行洪、冲砂及排漂效果较好，且使用寿命一般长达30a以上。缺点是坝体液压系统的油路和液压杆均位于水面以下，检修期间需要抽水干地作业，为此可设置检修闸墩，利用船闸检修门挡水，为检修和维护液压系统设备提 ,[89]供干地作业条件。 通过对以上3种坝型的优缺点对比分析，结合本项目的实际条件，认为液压坝(这些优点已重复数次了)为较合适的坝型，故选择液压坝为推荐坝型。 4 结 语 综上所述，液压坝是水利科技的一项创新性成果，是目前世界领先的活动坝 6 技术，该技术攻克了传统活动坝型的缺点，并兼有传统坝型的优点，适应性强。目前，该技术已广泛应用在城市河道景观、农业灌溉、渔业、船闸、山区河道治理等工程中，并发挥了巨大的作用，其社会经济效益和生态效益显著，建议在现 [10]代水利工程建设中优先考虑采用液压升级坝。 参考文献: [1] 陈东清.不同挡水建筑物方案的应用比选[J].水利规划与设计，2014，(1):56-59. [2]高本虎.国内外橡胶坝发展概况和展望[J].水利水电技术，2002，33(10):5,8. [3]#Ramspol_balgstuw，2012. [4]Steelhead Emigration in a Seasonal Impoundment Created by an Inflatable Rubber Dam[J],Fishes Management, 2005,(25):1239–1255. [5],1998. [6]湖南省水利水电勘测设计研究总院 主编.挡水建筑物分册:橡胶坝与翻板坝[M].北京:中国水利水电出版社，2007. [7]陈业银,任华春,朱水生.液压升降坝工作原理及结构性态分析[J].水电能源科学，2012，30(7):69-72. [8]丁峰，刘月刚，邱象玉.液压升降坝在城市河道中的选型设计[J].水利规划与设计，2015,(3):59-61. [9] 关红俊.晋城市沁河河道蓄水工程液压坝水工设计[J].陕西水利科技，2015,(1):111-113. [10]赵娜，唐德善，朱聪.基于风险评价模型的活动坝方案必选[J].水电能源科学，2010，28(1):80-82. 7