第四节　大跨度水闸的发展应用与特点

一、大跨度水闸的发展

我国从20世纪90年代起,在经济发达、人口稠密、景观要求较高的城市和地区,水闸不仅仅满足于常规功能,而且还要与城市发展、城市景观、生态环保相适应,体现城市的发展水平、城市的风貌、城市的特色。

近年来,随着国家对生态环境保护的重视,中小河流治理和城市生态水系工程发展迅速,挡潮、防洪、航运、景观等工程的闸门跨度也越来越大,它要求整个工程的总体布置和设备的选型不但具有常规水利工程所要求的使用功能,而且更要具备与生态环境相适应的多种功能。此类工程中闸门的主要特点是跨度大、水头低,要求设计新颖、布置紧凑,在满足常规功能基础上与城市环境相协调,符合生态化、景观化的要求。许多工程还要求具备通航条件。大跨度的闸门是当前闸门发展的一个重要方向,采用大跨度闸门,可以有效地提高河道过流面积,减少对河流生态的破坏,提高河流的通航等级。

目前我国使用较为广泛的还是为传统实腹梁格型式的平面闸门、弧形闸门。与常规闸门相比,大跨度闸门结构复杂、技术难度高,常规闸门已很难满足这样的设计条件。为了满足闸门的各项功能需要,对闸门设计提出了更高要求,闸门的结构型式必须要突破传统型式。随着当代新材料、新技术、新工艺在水利工程上的推广应用,为新型大跨度闸门的设计、开发应用创造了良好的条件,出现了类型多样的大跨度闸门,有直升式平面闸门、弧形闸门、橡胶坝、水力自控翻板闸、气动盾形闸门系统等。其中,气动盾形闸门系统是近年来国内出现的一种新型先进的大跨度、低水头挡水建筑物,与其他同类产品相比其优势明显。气动盾形闸门系统改变了以往大跨度闸门制造工艺复杂、安装困难、投资大这一传统观念,为我国水利工程建设提供了新的设计理念。

二、大跨度闸门的应用类型与特点

大跨度闸门类型多样,随着工程对象,所处位置和功能要求而变化,目前我国已建或正在规划设计中的大型闸门均具有不同特色,其形式和功能多样,开始实现水利工程功能化、景观化于一体的环保型工程的目标。各类大跨度闸门有如下应用形式和特点。

1.平面闸门

平面闸门布置紧凑,制造较易,使用安全可靠,维修方便,广泛用于各类水工建筑物及其他场合。至今,在世界各国的工程设施上平面闸门的采用数量仍居首位。我国水利工程使用最早最多的闸门是平面闸门,目前焊接钢闸门已普遍采用,从其设计、制造、安装及运用等诸方面均已达到世界先进水平。

平面闸门的承重结构一般应用传统的实腹梁格型式,在大跨度情况下,闸门需设置尺寸庞大的主横梁,闸门笨重且启闭力巨大。

(1)原理与结构组成。挡水面为平面面板的闸门。平面闸门一般由面板、主、次梁、边梁组成受力体系,平面闸门的门叶靠支撑行走部分在门槽中垂直升降以封闭或开放水道,能在各种水位组合下挡水并能局部开启调节过闸流量。

平面闸门主要由门叶结构、埋设构件和启闭设备三部分组成。其中:①门叶结构由门叶主体、支承、止水装置和吊耳四个部分组成。门叶主体一般由面板、主横梁、边梁(柱)和次梁组成有面板的梁格结构。设计水压力通过板梁支承传至门槽埋件。②埋设构件由门叶的支承轨道、止水密封(坐垫)、移动导向垫板和护角组成。门槽形状由模型试验确定,以使在门槽部位不产生空蚀或磨蚀。③启闭设备是根据平面闸门的操作特点及孔口尺寸确定,其据以选型的主要参数是启闭力和升降扬程。启闭设备的功能是使闸门门叶在门槽中垂直升降以控制闸门启闭的操作机械。

平面闸门分类:①按总体布置分为组合式(门槽、门叶与操作设备组成一整体)和分散式(由门叶、门槽和启闭机组成,操作时门叶可提出门槽)。②按闸门门叶组装形式分为整体门叶式和分节组成门叶式。③按闸门门叶的支承方式分为滑动支承式和滚动支承式。④按闸门门叶止水位置分为上游止水式和下游止水式。⑤按闸门门叶运行移动状况分为直升式、升卧式、横拉式和浮箱式等。

(2)特点。平面闸门是用得最为广泛的一种门型,它能满足各种类型泄水孔道的需要,既可布置于表孔,也可以布置于深孔,普遍应用于工作闸门、事故闸门和检修闸门。平面闸门的优点是:门叶结构简单,便于制造、安装和运输;闸门可吊出孔口,便于维修;互换性好,各孔闸门可以互换;闸门布置紧凑,所需闸墩长度或闸门井尺寸较小,闸墩受力条件好,配筋简便;启闭设备构造简单,便于使用移动式启闭机。平面闸门的缺点是:需要较厚的闸墩;埋固部分需设在门槽内,下泄水流在门槽处产生低压漩涡,影响泄流能力,促使水流空化,门槽易被空蚀,在深孔闸门中尤其如此;启闭力大,需用起重量较大的启闭机;金属结构及土建工程量较大,投资成本高昂,施工较复杂,工期较长;闸门启闭排架结构高大,外形不够美观,增加投资;水流从底部集中下泄,对下游河道消能防冲要求较高;水流从闸门下部流出,水面漂浮物不易排泄出去,水面不够美观清洁;运行维护费用较高。

(3)大跨度平面闸门应用案例。在我国浙江省2008年建成的曹娥江大闸枢纽工程属大(1)型水利项目,如图1、图2被誉为中国第一河口大闸,地处钱塘江下游南岸主要支流曹娥江河口,挡潮闸总宽697m,共设28孔闸门,单孔净宽20m,高5m,每扇闸门采用了鱼腹式双拱钢管桁架平面闸门,重126t,大跨度挡潮闸双向受力,设计泄洪流量为11030m3/s。大闸主体分三层,底层为大跨度闸室,闸底板高程为-0.5m,闸门顶高程为11.5m,防浪墙顶高程为12.5m,设5个分隔墩将28孔闸分为6厢。中层为大断面薄壁管道式闸门启闭机室,管道间内布置着闸门的启闭控制设备。顶层为交通桥。工程主要建设内容包括挡潮泄洪闸、堵坝、鱼道、导流堤、闸上江道堤脚加固、上部建筑工程、环境与文化配套工程等。工程建设任务主要是以防潮(洪)、治涝为主,兼顾水资源开发利用、水环境保护和航运等综合利用功能。曹娥江大闸枢纽工程的建成主要起到有效提高曹娥江两岸防潮(洪)和排涝能力,提高曹娥江水资源的利用率,改善杭甬运河航运条件,改善两岸平原河网水环境,改善两岸围垦区的投资环境等作用。但大跨度平面闸门笨重,金属结构工程量大,施工复杂,建设期长,运行维护成本高。

2.弧形闸门

弧形闸门早期的应用是1860年尼罗河三角洲Rosetla坝和Damietta坝。1894—1895年,德国第一次在柏林附件安装并使用弧形闸门。1910年,美国L.F哈扎教授研究了一项反转弧形闸门的专利。中华人民共和国成立以来,我国水利工程上已经应用了各种孔口尺寸、各种类型的弧形闸门作为水道的工作闸门,在主要尺度方面都已进入了世界大型弧形闸门的行列。20世纪80年代以来,已经开始采用偏心圆柱铰,对耐压高、伸缩率大的特种止水橡皮的试验研究已取得了进展。通过对闸门的研究,并通过长期的工程实践,国内外在弧形闸门的设计、制造及运行管理方面都积累了许多经验,技术水平也有了很大的提高。

(1)原理与结构组成。弧形闸门是挡水面为圆柱体的部分弧形面的闸门,其支臂的支承铰位于圆心,启闭时闸门绕支承铰转动。弧形闸门由转动门体结构、埋设构件及启闭设备三部分组成。其中,①门体结构,弧形闸门的本体由门叶、支臂、支承铰和止水装置四部分组成。门叶是近似平面体系的弧形受压面,由弧形面板和主次梁的梁格体系构成。②埋设构件,包括侧止水座、底坎止水座、顶止水装置和支铰座承重构件,一般均埋入混凝土相关部位表面以内,起止水严密和承重作用。③启闭设备,弧形闸门启闭力小,起吊点的运动轨迹是弧线,露顶式或宽高比较大的弧门多用两个吊点,启闭设备多采用一门一机的布置。

弧形闸门的分类:①按门顶以上水位的深度分为露顶式和潜孔式。水库水位不超过门顶称露顶式弧形闸门(也称表孔弧形闸门)。水库水位高于门顶称潜孔式弧形闸门(也称深孔弧形闸门或高压弧门)。②按传力支臂形式分为斜支臂式和直支臂式。前者多用于宽高比较大的孔口。后者多用于宽高比较小的孔口。③按支承铰轴的形式分为圆柱铰、圆锥铰、球形铰和双圆柱铰式弧形闸门。④按门叶结构分为主纵梁式和主横梁式弧形闸门等(受背水压的称反向弧门)。

(2)特点。弧形闸门在国内外得到了广泛应用,是水工建筑物中应用最为广泛的门型之一,能够满足各种类型泄水孔道的需要,作为工作闸门,既可布置于表孔,也可布置于深孔。弧形闸门的优点:其启闭力小,作用在闸门上的总水压力通过转动中心,对闸门启闭不产生阻力矩,从而可降低启闭机和工作桥的荷载;弧形闸门不设门槽,不影响孔口水流流态,不易产生空蚀破坏,局部开启条件好;弧形闸门的埋设件较少,所需闸墩的高度及厚度与平面闸门相比也较小。弧形闸门的缺点:闸门需要较长的闸墩;闸门所占的空间位置较大;闸门承受的总水压力集中于支座处,拉应力集中,需要配置大量钢筋,对土建结构要求较高。

大跨度弧形闸门表现为门体厚重,启闭力大、坝基建设结构相应复杂,造价较高。钢闸门的连接方式大多均采用刚性连接,如遇洪水泥沙淤积或地震闸门变形,将影响闸门正常的启闭功能,无法实现安全泄洪。

(3)大跨度弧形闸门应用案例。1997年5月建成的荷兰有名的鹿特丹纽沃运河新水道河口弧形挡潮闸。如图3。该闸门是荷兰三角洲地区不受北海风暴袭击的大规模防潮工程的最后一个项目,闸门孔口尺寸宽360m,高22m。该挡潮闸闸门门型为立轴式弧形闸门,由两扇水平转动的弧门组成,弦长210m,弧长214m,半径246m,在两个庞大的支臂顶端各装有一扇高22m、内设压载水箱的空腹式弧形闸门。弧形闸门横卧在宽360m,深17m的新水道上,两支臂与固定在河道两端的球形联轴节相连,并以其为中心转动,当两支臂在河心合龙时,即可将河道封闭,将海潮阻挡在闸门以外,闸门可承受万年一遇30000t的海潮冲击力。

该闸门门体平时停靠在河道两岸的泊坞内,需要关闭时随着其支臂的移动,先将门体浮移至主河道就位,然后向其内压水箱充水,使其沉至河床上的闸门底槛上。开闸时,先将闸门体内的水排出,使其浮起,然后随着支臂的移动将其浮移回原停靠位置。该挡潮闸的闸门可上浮、下沉和转动。闸门有15个隔间,其中1个隔间用来充水排水,需要关门时,向闸门充气排水,使闸门上浮,然后操作系统使闸门转动,进出泊坞,关门到位后,充水排气,使闸门下沉,开门程序相同,操作前需准备8～20h,平均每十年使用一次或者两次。闸门操作是由计算机系统自动控制,通过控制液压操作系统和齿轮齿条机构的运行,推动闸门移动位置,并能适应闸门浮起和下沉的变换。闸门通过桁架体系的支臂把荷载传递到支铰(球铰),支臂钢管的最大直径为1.8m。球铰重达680t,两扇弧形闸门合拢组成360m跨距的挡潮大闸。此弧形闸门尺寸、荷载均十分巨大,技术复杂,工程耗资约为21亿美元,是当代已建成的最大弧形闸门。弧形挡潮闸的大部分设备布置在水面以下,满足了挡潮、通航要求,景观效果好。但弧形闸门为水平旋转,占地面积较大,基础的不均匀沉降也对闸门的安全运行造成隐患。

3.橡胶坝

橡胶坝是20世纪50年代末,随着高分子合成材料工业的发展而出现的一种水工建筑物。世界上首座橡胶坝于1957年诞生于美国洛杉矶,坝高1.52m,长6.1m,胶布厚为3mm,胶布强度为90kN/m。此后世界各国相继开始兴建橡胶坝。我国于1965年下半年开始进行橡胶坝的研制建设工作。橡胶坝在我国推广应用先后经历了研究试验阶段、总结改进阶段、稳步发展阶段、快速发展阶段,自20世纪90年代以来在我国发展迅速。我国的橡胶坝工程主要以充水橡胶坝为主。橡胶坝属薄壁柔性结构,主要适用于低水头、大跨度的闸坝工程,用途也比较广泛。

(1)原理和结构组成。橡胶坝是用高强力合成纤维织物做受力骨架,内外涂敷合成橡胶作黏结保护层,加工成胶布,按要求的尺寸,锚固在混凝土基础底板上,成封闭袋形,用水、气或者水气混合介质的压力充胀起来,形成挡水坝。不需要挡水时,泄空坝内的水或气,恢复原有河渠的过流断面。橡胶坝整个工程结构主要由三部分组成:①基础土建部分,包括基础底板、边墩、上下游翼墙、上下游护坡、上游防渗铺盖、下游护坦、海漫、防冲槽等。这部分的作用是将上游水流平顺而均匀的引入并通过橡胶坝,并保证水流过坝后不产生淘刷。固定橡胶坝的基础地板要能抵抗通过锚固系统传递到底板的压力,使坝体得到稳定。②挡水坝体。即橡胶坝袋和锚固结构,用水将坝袋充胀后即可调节水位和控制流量。③控制及观测系统。包括充胀坝体的充排设备、安全及观测装置等。如空压机、压力表、水封管、水位计等。

橡胶坝的分类:根据橡胶坝冲胀介质的不同可分为充气式橡胶坝、充水式橡胶坝和水汽混合式橡胶坝三种形式。橡胶坝形式的选择主要依据橡胶坝的运行要求、工作条件以及坝址区的地形、地质条件及经综合技术经济比较后确定。

(2)特点。橡胶坝的优点:与常规钢闸门相比,橡胶坝结构简单,以合成纤维织物和橡胶制成的薄壁柔性结构,代替钢、木材及钢筋混凝土结构,由于不需要修建工作桥和安装启闭机等钢和钢筋混凝土水上结构,节约了三材,造价低。施工期短,橡胶坝的坝袋是先在工厂加工制造,然后运到现场安装,施工工艺简单,因此施工速度快,工期一般为3～6个月。抗震性能较好,橡胶坝的坝体为柔性薄壳结构,富有弹性,能抵抗一定的波浪冲击。主要适用于低水头、大跨度的闸坝工程,一般高度在5m以下,如用于水库溢洪道上作为闸门或活动溢流堰,以增加水库库容及发电水头;用于河道上作为低水头、大跨度的滚水坝或溢流堰,可以不用常规闸的启闭机、工作桥等;用于渠系上作为进水闸、分水闸、节制闸,能够起到蓄水和调节水位的功能;代替船闸系统的闸门;可作为挡潮堤坝,防浪堤;在河道上建橡胶坝形成人工湖,美化环境。

橡胶坝的缺点:橡胶坝在水利工程中应用的缺点也是显而易见的。首先橡胶坝容易被树枝、砾石等尖锐物体划破,故橡胶坝前期选址比较苛刻,要选择过坝水流平顺的、河床岸坡稳定的河段,建造前大部分都要预先整治河道,以延长其使用寿命。橡胶坝因单元长度制造限制不宜过长,通常橡胶坝单跨长度为50～100m,对于漂浮物等较多的河段单跨长度以20～30m为宜。当河道跨度较大时,河道中间需要建造混凝土坝墩,所以会增加土建费用。橡胶坝壁薄性柔,溢流时由于水流的不稳定性,易诱发坝袋振动,它比一般结构的振动更为复杂。坝袋振动易导致其磨损,甚至发生脱层、撕裂,严重的会破坏整个坝体。橡胶坝适应山区洪水特性差,由于山区洪水含沙量较大,垃圾、树枝等锋利的杂物较多,坝袋易被损坏。在汛期来临之前,需将坝袋坍平,以便保护坝袋。即便如此,洪水过后很多坝袋受损,需要维修,甚至整体更换。一般情况下,如果橡胶坝袋破损较轻,破洞直径较小尚可修补;如果橡胶坝受损面积过大或是多处破损,则需更换整座橡胶坝。在修补时必须空库或做围堰维修,维修成本很高。影响泄洪断面,橡胶坝设计规范要求坝的底坎高20cm,另塌坝时橡胶坝内的水不能完全放尽,形成不低于20cm的高度,两者相加塌坝时在河流断面形成不低于40cm的阻水断面,影响泄洪流量。橡胶坝在启动时速度较慢,一般充坝的时间需要2～3h,坍坝也要1～2h。在遇到突发洪水时,常因不能及时坍坝,造成洪水漫滩或漫坝的严重后果。坝顶溢流不能超过50cm,橡胶坝设计规范中对此明确规定,否则也易出现垮坝事件。橡胶坝自动化程度不高,一般难实现集中网络控制。橡胶坝作为河道景观时,每次升坝或塌坝后各种残骸遗留在坝袋上给景观带来极大影响,运行单位每次都派人进行擦洗,工作量较大。在寒冷地区橡胶坝需要注意防冻害,在冰冻期,不需挡水的橡胶坝,需要保持自然坍落状态,入冬前放空坝袋内及管道内的积水。冬季运行的挡水橡胶坝,需要采取坝前破冰的办法,否则将对橡胶坝造成致命的损坏,一旦结冰就必须做好刨冰工作,在坝前开凿一条小槽,防止冰冻压力对坝体的作用,而刨冰工作完全依靠人工完成,既耗时又耗力,且给管理带来极大的不便。在此期间不可调节坝高,需待坝袋内的冰凌融化后,方可冲胀或坍坝。同时不能让冰凌在橡胶坝上溢流,结实而锋利的冰块很可能把橡胶坝划破。橡胶坝一般10～15年需要更换坝袋,使用寿命低。

橡胶坝需要根据天气预报情况预先塌坝,给实际调度运行带来一定的难度。所以橡胶坝的运行管理维护工作非常重要,为了能够使橡胶坝安全稳定的运行,需要建立一个管理机构,制定一整套检查与维修方案,以延长橡胶坝的使用寿命,其管理运行维护费用高。

(3)大跨度橡胶坝应用案例。辽宁沈阳铁西开发区景观橡胶坝工程,跨度280m,坝高2.5m,共分6跨。如图4。

4.传统水力自控翻板闸门

水力自控翻板闸门常被运用到大跨度河道的闸门当中。水力自控翻板闸门在国内外已经有较长的应用历史。在我国,从20世纪50年代以来,交通航运和水利部门对水利自动平面旋转闸门进行了广泛的实验研究和工程实践,使翻板闸门在防洪、发电、航运等工程中得到了广泛应用。到20世纪60年代中期,翻板闸门门型的门体结构、材料应用及闸门的工作原理等方面有所突破。20世纪70年代初期,我国陆续涌现了一批在结构型式和调节性能以及运行方式上都有较大发展的新型水利自动翻板闸门。到了20世纪80年代,连杆滚轮式水力自控翻板闸门的出现使翻板闸门的结构型式和调节性能更加完善。随着许多学者的深入研究,使这类闸门突破了绕固定支点旋转的常规做法,使闸门沿多个支点或曲线形轨道旋转移动,改善了该类闸门的功能。

(1)原理与结构组成。水力自控翻板闸门的启闭原理是杠杆平衡与转动。当闸前上游来水流量加大时,作用在闸门门叶上的水压力和水流对门叶的摩擦力对转动中心的力矩之和大于门叶自重和运转机构的阻力对转动中心的力矩之和,在不平衡力矩的作用下,闸门开启度自动加大,直到这两组力矩之和相等,即不平衡力矩为零时,闸门在新的开启位置上保持平衡;当闸前上游来水流量减少时,作用在闸门门叶上的水压力和水流对门叶的摩擦力以及运转机构的阻力对转动中心的力矩之和小于门叶自重对转动中心的力矩时,在不平衡力矩的作用下,闸门开启度减少,直到不平衡力矩减少至零时,闸门在新的较小开度位置上保持平衡。

水力自控翻板闸坝主要由翻板闸、隔墩、边墩、固定坝体、上游防渗设施和下游消能防冲设施组成。其中,翻板闸由闸门门体、支铰或者连杆装置、闸前防护墩、闸后支墩和检修便桥等组成。

翻板闸类型:按闸门开启过程中的情况分为渐开型和非渐开型,渐开式又分为曲线铰式、无限铰式、滚轮连杆式、双支点复合运动式、曲线渐开式和滑块式;非渐开式又分为双铰轴式和多铰连杆滑块式。

(2)特点。水力自控翻板闸的优点:水力自控翻板闸门无需人为控制,能够在洪水位与正常挡水位相差较大时自动将闸门迅速打开,节省闸门的启闭设备。在正常情况下保持关闭状态,能够保证上游景观水位;降低水面线,保证了行洪安全。在自动翻板泄水时能够将上游淤积带走。传统水力自动控制翻板闸同时具有造价低、结构简单、施工期短等优点。

水力自控翻板闸的缺点:传统水力自控翻板闸在多年的应用实践中,显示其存在着的缺点明显。由于其运行工况的特殊性,开门泄洪时翻板门体斜卧于水中,受复杂的门顶和门底高速水流的影响而产生“拍打”现象,严重时将会使闸门产生越来越大幅度的摆动,以致不能控制,从而使闸门失衡。“拍打”现象时,易导致闸门门坎结构毁坏,甚至使闸门、基础全部破坏。水力自控翻板闸易受淤沙或者漂浮物的影响而开启失灵,由于翻板门采用中间支铰结构,门前泥沙力矩为启门阻力矩,有时致使水力不能正常开启闸门。当翻板门打开一段时间,上游水位下降后,需要自动关门时,如果泥沙、石头在闸门底部或树枝等硬物卡在转动支铰部位时,闸门将无法自动关闭。一般情况因为考虑自重翻门,门体会比较厚,当翻倒泄洪时,中间形成一道很厚的阻水面,严重影响泄洪断面,而且翻板门中间需要闸墩,更进一步影响泄洪断面。洪水期间翻板闸突然翻倒,下泄流量很大,易造成闸门后冲刷,因此对闸室基础、消力池和海漫要求较高,增加了工程投资。翻板闸安全性较差,经不住特大洪水的冲击,其被冲毁的案例时有发生。翻板门工作原理靠水压与自重平衡的作用使门体自动打开,不能人为的控制水位,管理不便。在水位骤升时,其开闭具有突然性,形成一次“非自然”的洪峰,对下游的生命、财产造成一定的危险性;在洪水到来时,泥沙淤积或其他漂浮物卡阻造成闸门不能打开,可能引起重大事故。生态功能差,闸门突然翻转会淹没两岸的水鸟巢,破坏大自然生态。本身无鱼道,破坏水生态的平衡。

水力自控翻板闸门的运行情况较差。闸门易受水上漂浮物的影响而开启失灵,特别是在汛期,如果洪水到来时闸门不能自动开启,会导致灾难,所以在汛期,特别是台风暴雨来临之前,加强对翻板闸的日常巡视维护管理,及时清理闸门前后的有碍闸门开启的漂浮物,增加了运行管理工作量,其管理运行维护费用高。

(3)大跨度翻板闸的应用案例。鞍山杨柳河凤凰湖翻板闸工程,大跨度245m,挡水高度3m,如图5。