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［摘 要］ 液壓升降壩力學結構科學、不畏泥沙淤積，不懼漂浮物影響；部分面板微降即可快速沖掉上游漂浮物，恢復清澈水面；降壩迅速，確保汛期行洪安全；結構堅固，抗洪水沖擊能力強，克服了傳統活動壩型的主要缺陷，兼備傳統壩型的主要優點；立壩時，美觀如鋼壩閘，可實現瀑布景觀；塌壩時，緊貼壩基如橡膠壩，行洪暢通無阻；自動放壩時像翻板閘，實現任意高度擋水；堅固耐用似普通水閘，此技術在 2011 年水利部、財政部召開的中小河流治理工作會上進行了推介。
［關鍵詞］ 閘門啟動水位；翻板壩；撐桿聯動液壓壩；解鎖油缸
1 區域概況
兩當縣位于甘肅省東南部、隴南東北部，地處陜甘川交界的秦嶺山區，北靠天水，西鄰徽縣，東南二面與陜西省寶雞、漢中相連。轄 6 鎮 6 鄉，118 個行政村，兩當縣總戶數 17238 戶，總人口 4.95 萬人，其中農業人口 3.2746 萬人，非農業人口1.6754 萬人（截止 2020 年）。全縣總面積 1408 km2，其中山區面積占 95.27%，川壩面積占 4.73%。耕地面積 17.65 萬畝，農民人均 4.77 畝。南北為深山林區，中部為淺山丘陵區，呈馬鞍狀。海拔最高 2738 m，最低 773 m，是典型的山區農業縣。兩當河屬于嘉陵江一級支流，發源于天水市北道區利橋鄉西南部的九道拐南麓，源地最高海拔高程 1960m，河流自北向南流經寬潭溝入境，至兩當縣河口匯入嘉陵江，流域南北長75km，東西寬 4.62 km，流域面積 347km2，干流縱坡平均坡降8.3‰，河槽為單式斷面，河寬 45 m~105 m，河床均為砂卵石覆蓋層，主河槽縱坡大、水流急，彎道較多。
2 翻板壩改造原因
兩當縣縣城兩當河上目前建有 6 座翻板壩，均為攔蓄來水，抬高水面用景觀壩。6 座翻板壩于 2008 年~2013 年修建，運行時間在 10 年左右。目前部分翻板壩擋水面板整齊度較差，無法有效攔截上游來水形成景觀水面，大量水流通過面板錯縫流入下游，景觀效果差。由于水流長期沖刷，結構老化，部分結構失穩，無法依靠水流完成自我啟閉。目前，翻板壩后面設置有手拉葫蘆配合拉索控制閘門啟閉，操作難度大，啟閉時間慢，且閘門容易被上游大型物體卡塞而無法啟閉，防洪隱患突出。翻版壩下游消能設施經過長期運行，局部出現了破損，原設計消力池下游籠石護坦被沖毀，消力池尾坎基礎外露，運行安全受到威脅。翻板閘門是根據杠桿原理設計的，當上游水位超過閘門頂部 20 cm 時，閘門開始啟動，就是閘門板繞支墩上的支點向背水面翻轉，啟動翻轉的前提是閘門板上部水位壓力超過閘門板下部壓力，才開始啟動翻轉，而且是隨著上游來水量越來越大的時候閘門傾斜（開啟）的角度越來越大，直至全開。這是由水力自控翻板閘門的特性決定的。如果上游沒有來水，或者來水很小，達不到閘門啟動水位的要求，閘門就無法打開，需要開啟閘門必須使用手拉葫蘆才可開啟。這種閘門管理起來極不方便。1）閘門啟動或打開后容易卡垃圾，卡阻垃圾后閘門無法關嚴，行洪安全存在巨大隱患。2）閘門開啟后整體阻水，實際行洪能力相較于寬口堰來比只有一半的行洪能力，無法快速對城區河道庫區進行有效調節或行洪。3）需要放空庫區時，必須采用人工的方法用手拉葫蘆才可以打開閘門，非常麻煩，而且極不安全。4）經過一次汛期后，閘門整體漏水量較大。側面橡膠水封較容易損壞。5）建于城區，背部支墩較突兀，和城市景觀不盡協調。鑒于以上問題，需對現狀翻板壩進行維修改造處理，采用挖機直接拆除原翻板閘門的支墩、交通橋、支腿、門板、金屬構件等所有構件至堰頂高程，采用車輛運至可以傾倒的地方。再采用水鉆機（鉆孔取樣機）按照設計圖紙對基礎面進行放樣鉆孔，修建啟閉可靠、管理方便、美觀的新型液壓壩。
3 改造壩型選擇
液壓升降壩力學結構科學、不畏泥沙淤積，不懼漂浮物影響；部分面板微降即可快速沖掉上游漂浮物，恢復清澈水面；降壩迅速，確保汛期行洪安全；結構堅固，抗洪水沖擊能力強，克服了傳統活動壩型的主要缺陷，兼備傳統壩型的主要優點；立壩時，美觀如鋼壩閘，可實現瀑布景觀；塌壩時，緊貼壩基如橡膠壩，行洪暢通無阻；自動放壩時像翻板閘，實現任意高度擋水；堅固耐用似普通水閘，此技術在 2011 年水利部、財政部召開的中小河流治理工作會上進行了推介。根據項目區對景觀的需求，結合現場地形、地質條件等條件，在不影響河道行洪安全前提下初步擬定采用常規液壓桿升降壩、底軸鋼壩和撐桿聯動液壓閘門三種壩型進行方案比較，三種液壓升降壩對比見表 1。① 常規液壓壩采用液壓油缸加液壓鎖后直接支撐，這種閘門油缸疲勞支撐，壽命不太長久，最短的就是蓄水后幾天就撐不住，長的也有 6 年左右的，但普遍反映就是撐不住，閘門容易下滑。② 底軸鋼壩是依靠底軸的扭曲力來工作的。油缸驅動安裝在岸墻兩邊控制房內的拐臂，拐臂與底軸連接，依靠底軸的扭曲力實現閘門板的上翻擋水，下翻行洪。底軸鋼壩景觀漂亮，行洪能力強。已經在國內的水利工程中得到廣泛應用。但在使用多年后，底軸鋼壩也出現了嚴重的質量問題：穿墻孔的位置極易滲漏、無法可靠鎖定、解鎖困難、閘門板往一邊傾斜變形、油缸不同步造成閘門扭曲損壞、基礎的沉降造成底軸卡死、在咸水環境下使用容易銹蝕卡死等。而且底軸鋼壩需要較大的基礎，成本造價高，工程區翻板壩基礎良好，但仍無法作為底軸鋼壩使用，需拆除重建。③ 撐桿聯動液壓壩是依靠閘門的啟閉油缸即可實現閘門的升降、鎖定、解鎖功能的液壓壩。撐桿聯動液壓壩的出現解決了早期液壓壩所存在的問題。撐桿聯動液壓壩的工作原理是利用支撐桿的上部和液壓油缸的活塞桿頭部連接在一起，并形成一個聯動機構，擋水閘門板靠在聯動機構上，閘門板上設有不同高度的卡點。當聯動機構的油缸開始伸出時，活塞桿推動支撐桿往迎水面方向驅動，最終支撐桿頭部卡入門板上的卡點時，閘門實現鎖定，閘門所受到的水推力全部作用在支撐桿上，油缸泄壓不工作。當需要打開閘門時，只要把油缸的活塞桿縮回即可實現，支撐桿頭部設有滾動軸承，非常容易脫離閘門板上的卡點。開門和關門變得非常容易。綜上所述，從翻板壩基礎再利用、結構運行可靠、經濟合理和美觀等角度考慮，本次選用撐桿聯動液壓壩對現狀翻板壩進行改造。
4 翻板壩改造施工
1）閘門基礎面施工方法原翻板閘更換為撐桿聯動液壓閘門，設計對原底板進行開挖。采用挖機直接拆除原翻板閘門的支墩、交通橋、支腿、門板、金屬構件等所有構件至堰頂高程，采用車輛運至可以傾倒的地方。再采用水鉆機（鉆孔取樣機）按照設計圖紙對基礎面進行放樣鉆孔，達到需要的安裝尺寸。一扇閘門需要 2 個鉸座預留孔和一個聯動機構預留孔。直至符合新型閘門安裝的要求。水鉆機取出來的混凝土廢料采用運輸車輛運出河道并傾倒。單扇閘門開挖鉸座 2 處，聯動機構孔一處。2.88m 高的閘門鉸座預留孔一般長寬高均為 70 cm，聯動機構預留孔一般深 120 cm、寬 160cm、長度 180cm。單扇閘門開挖量約 3.8m3。原翻板閘門支墩安裝面下游側（跌水處）設有 0.2 m×0.4 m 油管鋪設位置，油管焊接試壓后二期砼振搗回填。對溢流堰堰面外觀存在混凝土砂漿剝落、石子裸露碳化等現象，對破損的混凝土及已碳化部分的混凝土鑿除表面碳化層，用丙乳水泥砂漿進行修補，如混凝土碳化深度超過保護層厚度改成丙乳混凝土修補。液壓油管鋪設置各液壓閘孔堰面尾部，至控制房一側側墻時，沿側墻鑿開的凹槽向上鋪設，油管至路面再到管理房，連于管理房內的液壓站，將油管試壓合格后，堰面油管槽由二期 C30 砼澆筑平順，要求隱蔽美觀。
2）側墻的施工方法本工程為老壩改造項目，為盡量減少開挖成本利用原有老壩基礎進行改造，原有側墻已經施工完成，河道行洪斷面已經固定，拆除原來側墻不現實，但原來側墻不符合新型液壓閘門的要求，需要對原有側墻進行改造。將原側墻采用人工鑿毛，拆除翻板閘門側面止水突兀部分，保證新型閘門活動區間側墻整體平整。再進行二次粉刷，粉刷完成后確保平整、垂直，確保新型閘門翻轉活動范圍內距離一致，不擱碰。再采用 2mm 的不銹鋼板涂刷結構膠后張貼即可。為保證不銹鋼板不脫落，需要在一張不銹鋼板上打孔不少于 4 個 Φ12 的孔，不銹鋼板張貼到側墻上后用沖擊鉆在不銹鋼板開孔位打入鉚釘，再用不銹鋼焊條焊死，打磨平整即可。
3）控制房① 離閘門越近越好，室內面積不少于 15m2，室內高度高于 2.3m。門寬不少于 1.5 m，室內要放置泵站（長×寬×高：1.5 m×1.2 m×1.2 m）、控制系統（長×寬×高：0.9m×0.4m×1.7m）、監控設備、閘門維修工具、備品備件等。如果需要備用發電機組，建議控制房再做大一點，發電機組單獨設計一間與其他設備隔離開相互間有透明玻璃窗戶、有門、要求隔音、對外通風。②控制房需具備防風、防雨、防雷、防盜的功能。位置宜高，不被洪水淹到。控制房朝閘門方向有透明窗戶，在控制房內能觀察到閘門。③接入電源 380 V 動力電源不少于 50 k W，實際用電 15 k W~22 k W，墻面上預留一個空氣開關，設備進場后接入開關即可。④汛期如果需要專業管理人員值班，可以設計管理間。6 條壩建議至少設計一間是有管理人員休息室、洗漱室的生活功能較完善的較大的房子。⑤ 考慮和整個環境協調性，由設計人員選擇適合的建筑風格及裝修。由于工程區翻板壩兩側已經進行了綠化改造處理，控制房修建需破壞拆除部分綠化和硬化設施，每座壩側需拆除約 20 m2的已成設施。
4）閘門安裝閘門安裝簡述：所有金屬構件在工廠內完成。根據現場的實際，按照設計安裝圖紙進行實地放樣，統一鉸座的預埋深度高程，將鉸座埋件逐一放入預埋孔內，找正位置校準并進行初步固定，然后復查位置尺寸的準確性，澆注二期混凝土將鉸座完全固定；同樣的方法將聯動機構座調整固定并澆筑，焊接油管試壓后連接油缸，使聯動機構的支撐桿可以在油缸的作用下上下自如。再將閘門板按照安裝的順序堆放在合適位置；逐一將閘門板吊到相應位置，并安裝門板軸，校正門板的位置，初步安裝完成，等待調試；安裝止水橡膠；初步調試；蓄水試驗；再次調試；運行后最終調試。測量：單扇閘門為 5.2 m（含橡膠止水件），側墻止水帶與第一鉸座的間距為 1 m，每扇閘門鉸座與鉸座之間的間距為 1.5 m，依次測量放樣。鉸座的埋深為 0.7 m，鉸座與聯動機構的距離為 1 m，以上尺寸誤差不得超過 0.2cm。在鉸座預留孔上安裝鉸座。根據測量數據調整鉸座尺寸位置，用鋼筋焊接加以固定等待二期砼的澆筑。經復核鉸座位置尺寸正確，再進行二期砼的澆筑、振搗、保養。吊裝聯動機構座。根據測量數據調整聯動機構座尺寸位置，用鋼筋焊接加以固定等待二期砼的澆筑。經復核聯動機構鉸座位置尺寸正確，再進行二期砼的澆筑、振搗、保養。焊接油管路并試壓，連接油缸。在場用 16 t 或以上噸位起重機把門板等金屬構件吊到汽車上，并且用鋼絲繩進行固定，汽運的方式把預制構件運至大壩，再用吊車把門板放置在鉸座上，并進行穿軸固定。橡膠安裝，在橡膠件上劃出要進行鑿眼的部位，然后進行鑿眼，把橡膠件和底止水門板用鍍鋅螺桿進行連接，每扇閘門的底止水門板有 25 個連接眼，進行調試緊固。側止水橡膠和門板用熱鍍鋅螺桿進行連接，每扇閘門的側止水門板單邊有 16 個連接眼，進行調試緊固。調試并蓄水試運行。
5 結語
兩當河是貫穿兩當縣的唯一河流，在縣域經濟發展中起著舉足輕重的作用。由于現有河道翻板壩工程行洪威脅大，運行年代久遠，無法確保正常穩定運行，一旦發生大洪水時，將會影響整個縣城的的防洪安全。實施本次翻板壩改造液壓壩工程，不僅可以保證縣城防洪安全問題得到解決，同時可以美化縣城環境，為居民提供生態宜居的生活、生產環境。同時對項目所在地生態系統的恢復也有重要意義，保全了生物的多樣性，為水陸棲息生物提供了生長空間和棲息地。
作者：孟沖沖 單位：西安景天水利水電勘測設計咨詢有限公司
