液壓升降壩與傳統(tǒng)活動壩型比較研究

PAGEPAGE4液壓升降壩與傳統(tǒng)活動壩型比較研究摘要：針對橡膠壩、翻板壩及液壓升降壩3種壩型，在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，概述了各種壩型的特點，并通過具體工程實例，分別從技術(shù)、投資、運行管理及效益等方面對各種壩型進行了對比分析，結(jié)果表明，液壓升降壩在多數(shù)情況下優(yōu)于橡膠壩和翻板壩，值得廣泛應(yīng)用與推廣。本文所涉及的活動壩（液壓壩的特點后面已有敘述。）主要有橡膠壩、翻板壩和液壓壩等三種壩型。橡膠壩的優(yōu)點是安裝簡便，下降時能無阻礙地泄洪；翻板壩構(gòu)造簡單、施工方便、便于維修，部分開啟時有良好的穩(wěn)定性；而液壓壩與上述傳統(tǒng)的活動壩型相比，特點更為突出，即具有投資少，適用范圍廣，結(jié)構(gòu)堅固可靠，抗洪水沖擊能力強，運行管理簡單，壽命長等優(yōu)點。以下將分別敘述這三種活動壩的特點，并將其各種性能進行比較。1三種壩型各自的特點1.1橡膠壩橡膠壩是一種薄壁柔性壩，主要由壩袋、充排設(shè)備、錨固結(jié)構(gòu)、安全及觀測裝置等組成，可分為充水式、充氣式和氣水混合3種形式[1]。采用高強度合成纖維織物作為壩體的受力骨架，在骨架內(nèi)外表面涂敷高分子合成橡膠作為粘結(jié)保護層，形成整體的高強度膠布，再按照設(shè)計尺寸加工成封閉的袋形，錨固在混凝土基礎(chǔ)底板上，利用水（氣）壓力將其充脹形成袋式擋水壩，壩頂可溢流，可根據(jù)實際需要進行壩高調(diào)整，從而更好地發(fā)揮灌溉、發(fā)電、航運、防洪及擋潮等效益。調(diào)研可知，橡膠壩最早出現(xiàn)于20世紀50年代末，美國、澳大利亞及日本等國先后對橡膠壩開展了不同程度的研究，包括試驗研究、壩袋制造技術(shù)、標準制定等，并取得了一系列研究成果[2-4]。較為著名的有澳大利亞的孔伯龍巴(Koombooloomba)充水式橡膠壩、日本為荷蘭建造的拉姆斯波爾（Ramspol）橡膠壩等[5]。1965年以來，我國橡膠壩的發(fā)展歷史大致經(jīng)歷了試驗研究、總結(jié)改進、穩(wěn)步發(fā)展及快速發(fā)展4個階段。目前我國的橡膠壩工程主要以充水式為主。1.2翻板壩翻板壩1972年發(fā)明于日本，主要由面板、支腿、支墩及連桿等部件組成，其基本工作原理是杠桿平衡與轉(zhuǎn)動，通過上游水作用力和閘門自身重量的相互制衡及增設(shè)阻尼反饋系統(tǒng)達到調(diào)控上游水位的目的。通過上游來水量的增減自動控制作用于閘門上的合力大小及作用點位置，同時利用支腿、支墩、導(dǎo)板、滑輪及連接桿的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)翻板閘門的自動開啟和關(guān)閉。當上游水位升高時，閘門逐漸開啟泄流，上游水位下降時，閘門逐漸關(guān)閉蓄水，從而保證了上游水位一直保持在設(shè)計要求的范圍內(nèi)[6]。目前應(yīng)用較多的翻板壩形式主要有多鉸軸式、雙支點復(fù)合式、多絞連桿滑塊式和滑塊支承鉸式等，如我國漢江支流天河尾間鄖西縣的天河口翻板閘門、廣東省懷集縣水下三級水電站翻板壩等。在國外的應(yīng)用中，日本擬利用翻板壩來防止海嘯對沿海岸地帶居民的襲擊。1.3液壓升降壩有資料表明，液壓升降壩2006年由我國發(fā)明，屬于攔河活動壩的第三代產(chǎn)品，是一種利用自卸汽車力學(xué)原理，結(jié)合支墩壩水工結(jié)構(gòu)型式，具有擋水和泄洪雙重功能。主要由壩面（弧形或直線）、支撐桿、液壓桿、液壓缸及液壓泵站組成（從EI、ElsevierScienceDirect、\t"/web/dzzy/_blank"Springer等知名數(shù)據(jù)庫1990~2015年的調(diào)研情況，以及在Google等網(wǎng)絡(luò)搜索引擎上搜索的結(jié)果來看，尚未找到液壓升降壩這一新生壩型的國外文獻及報道）。液壓升降壩的主要工作原理是利用液壓系統(tǒng)控制活動攔水壩，從而達到升壩時攔水，降壩時泄洪的目的。液壓壩（液壓升降壩的簡稱）的結(jié)構(gòu)是在壩面的背面設(shè)置滑動支撐桿作為支撐，構(gòu)成穩(wěn)定的支撐墩壩，通過液壓系統(tǒng)和限位卡裝置，實現(xiàn)壩體支撐墩壩活動和固定的相互轉(zhuǎn)換，從而達到固定攔水、活動降壩的目的。此外，液壓壩通過浮標開關(guān)控制操作液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化管理，能根據(jù)洪水漲落情況，實時升降活動壩面[6]。液壓壩既保留了傳統(tǒng)活動壩型的優(yōu)點，又克服了傳統(tǒng)活動壩型的缺點，是水利科技的一項革命性成果，目前在世界上處于領(lǐng)先水平。由于該壩型力學(xué)結(jié)構(gòu)簡，運行過程中，既可以像橡膠壩一樣緊貼河床不阻水、無泥沙淤積，上游水量較大3工程實例分析在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，運用3種壩型的工程案例較多，但較少將實施方案作橫向?qū)Ρ取榇?，特?yōu)先選用以下兩個工程案例進行分析比較，從而總結(jié)出選擇適合壩型的理由及建議。3.1案例一某攔河壩工程規(guī)劃設(shè)計Ⅰ號、Ⅱ號及Ⅲ號3處壩址，通過對投資、工程安全性、發(fā)揮效益、水流條件及景觀效果等方面進行分析對比后，推薦Ⅲ號壩址方案。針對該壩址壩型選擇問題，分別對液壓壩、橡膠壩及翻板壩三種壩型進行了比較。3.1.1性能比較（1）橡膠壩。擋水壩主體擬使用三布四膠橡膠壩袋，通過鋼壓板將壩袋錨固在壩底板上，通過機電設(shè)備抽取河道水源進行充壩擋水。該方案的優(yōu)點是跨度大、整體效果好。缺點是每間隔一定時間（約15年）需要更新更換壩袋，重復(fù)投資較大；日常運行管理維護費用較高，且壩袋易造成人為損壞；受季節(jié)影響較大，冬季基本無法正常升壩。（2）翻板壩。擋水壩主體采用鋼板，通過鋼筋混凝土支鉸結(jié)構(gòu)將支撐固定在壩底板上。該方案的有點是壩體能根據(jù)上游來水量的增加及時加大閘門張開度，洪水結(jié)束時能及時關(guān)閉閘門攔截洪水尾水，有效利用水資源。缺點是阻水較嚴重，影響防洪安全；容易遭受洪水損壞；后期維修費用較高；上游漂浮物無法清理，影響景區(qū)美觀。（3）液壓壩。擋水壩主體采用鋼筋混凝土板，通過液壓啟閉機支撐固定在壩底板上。該方案的有點是跨度大，結(jié)構(gòu)簡單，工期較短；耐久性較好，實際使用壽命可達到50年。缺點是每間隔約5年時間，需要為液壓系統(tǒng)補充液壓油，但費用很小。3.1.2經(jīng)濟比較以上三種方案通過計算，得出各壩型的單延米投資總額。計算表明，翻板壩的單延米投資最高，而橡膠壩和液壓壩的單延米投資較低。結(jié)合使用壽命和維護成本看，液壓壩的性價比最高。具體經(jīng)濟比較情況見下表。壩型單延米投資維護費用液壓壩8.59萬元較低橡膠壩7.09萬元較高翻板壩11.27萬元較高通過對以上各種壩型導(dǎo)致的水流條件、河道行洪雍水、消能防沖、工程投資、工程管理及費用的對比分析，經(jīng)綜合經(jīng)濟技術(shù)比較，選擇液壓壩方案作為推薦壩型。3.2案例二根據(jù)規(guī)劃，某航道水運工程需要設(shè)置一道攔水壩，以實現(xiàn)航道枯水期蓄水通航。根據(jù)工程附近區(qū)域的水文、氣象及規(guī)劃景觀要求，結(jié)合航道的汛期防洪要求及通航水深要求，分別對橡膠壩、液壓壩及翻板壩3種壩型進行了對比分析，3種壩型的優(yōu)缺點如下。（1）橡膠壩。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，自重輕，壩體塌落時壩袋緊貼河床基礎(chǔ)面，基本不阻水，壩體跨度大，抗震性能較好，整體效果美觀。但具有橡膠壩所固有的通病，而且項目所在地汛期降雨強度較大，汛期和非汛期河道流量差異較大，為協(xié)調(diào)好蓄水和防洪的關(guān)系，要求汛期強降雨期間攔河壩能快速塌壩，汛后又能及時升壩蓄水，因此橡膠壩不太適宜。（2）翻板壩。優(yōu)點是自動化程度相對較高，投資低，結(jié)構(gòu)簡單，工期短，管理運行方便。但同樣有前面所述的易被洪水沖毀、被異物卡住、影響水庫正常蓄水等缺點。（3）液壓壩。除具有結(jié)構(gòu)相對簡單，工期短，投資較少、自動化程度較高、方便檢修和管理等常規(guī)優(yōu)點外，更重要的是結(jié)構(gòu)性能可靠，壩體塌落后的高度僅超出河床基礎(chǔ)面約30cm，壩體升起后形成穩(wěn)定的支撐壩體結(jié)構(gòu)，活動壩體的高度可調(diào)節(jié)，泄流、行洪、沖砂及排漂效果較好，且使用壽命一般長達30a以上。缺點是壩體液壓系統(tǒng)的油路和液壓桿均位于水面以下，檢修期間需要抽水干地作業(yè)，為此可設(shè)置檢修閘墩，利用船閘檢修門擋水，為檢修和維護液壓系統(tǒng)設(shè)備提供干地作業(yè)條件[8－9]。通過對以上3種壩型的優(yōu)缺點對比分析，結(jié)合本項目的實際條件，認為液壓壩（這些優(yōu)點已重復(fù)數(shù)次了）為較合適的壩型，故選擇液壓壩為推薦壩型。4結(jié)語綜上所述，液壓壩是水利科技的一項創(chuàng)新性成果，是目前世界領(lǐng)先的活動壩技術(shù)，該技術(shù)攻克了傳統(tǒng)活動壩型的缺點，并兼有傳統(tǒng)壩型的優(yōu)點，適應(yīng)性強。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在城市河道景觀、農(nóng)業(yè)灌溉、漁業(yè)、船閘、山區(qū)河道治理等工程中，并發(fā)揮了巨大的作用，其社會經(jīng)濟效益和生態(tài)效益顯著，建議在現(xiàn)代水利工程建設(shè)中優(yōu)先考慮采用液壓升級壩[10]。參考文獻：[1]陳東清.不同擋水建筑物方案的應(yīng)用比選[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2014，（1）：56-59.[2]高本虎.國內(nèi)外橡膠壩發(fā)展概況和展望[J].水利水電技術(shù)，2002，33（10）：5－8.[3]/wiki/Inflatable_rubber_dam#Ramspol_balgstuw，2012.[4]SteelheadEmigrationinaSeasonalImpoundmentCreatedbyanInflatableRubberDam[J],FishesManagement,2005,(25):1239–1255.[5]/features/featurethe-rubber-revolution/,1998.[6]湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院主編.擋水建筑物分冊：橡膠壩與翻板壩[M].北京：中國水利水電出版社，2007.[7]陳業(yè)銀,任華春,朱水生.液壓升降壩工作原理及結(jié)構(gòu)性態(tài)分析