贵州水利实业有限公司
摘要：整体式合页活动坝成套技术具备闸型结构新颖，在北方地区有较为成熟的应用，市场应用研究具有广阔的发展前景，但是针对南方地区，特别是西南地区特有的多漂浮物、多卵、砾石堆积、泥沙沉积河道以及洪水涨落快速的山区河道特点，未有实际工程应用，通过该技术在贵州地区河流实施，掌握该坝型在南方的是否适用，形成适用于当地河流的运行调度模式，增加了该技术在南方河流中的应用提供了工程实例。
1工程简况
贵州省松桃县松江河流域综合治理工程（平举水电站防洪改造应急工程）坝址位于松桃县城上游、松桃河干流上，松桃河属于长江流域㵲水水系，为沅江一级支流，是松桃河梯级开发的第二级电站，坝址以上集雨面积593km²。
由于原坝顶设置自动翻板闸门，洪水过流初期无法下泄，库水位上升，当到达一定高度时闸门自动打开，洪水下泄无法控制，闸门打开一定时段内下泄流量大于入库流量，使得下游县城泄洪压力加大。鉴于此，该原自动翻板坝需要拆除，采用安全运行较高的坝型来替代。
2设计方案比选及确定
2.1设计方案比选
低水头拦水坝在国内外很多水利工程中均有广泛的研究及应用，例如橡胶坝、钢坝闸、水力自控翻板闸等。
不同的坝型有不同的特点，同时在工程使用中也存在一定的局限性。比如：橡胶坝自上世纪六十年代引入中国，工程应用主要问题是坝袋易被穿刺；高紫外线区如青海地区，坝袋寿命短；淤积严重地区如陕西存在汛后需要人工清淤的问题。钢坝闸是水利工程中的一种翻板式闸门，它由门叶、固定在门叶底部的底横轴、底铰座、水封、液压驱动装置等组成。优点：坝面采用单跨连体结构，闸门开度无极可调，可形成较好的瀑布景观效果，可配备远程控制。缺点：钢坝闸通过转动底轴实现坝面升降，坝高与底轴直径成正比，坝越高，坝越长，底轴越粗；由于闸门为整体式结构，闸门庞大，安装时需用大型启闭设备，当跨度超过40-50m时，还需闸墩扩建成启闭机房，有行洪安全隐患；底轴存在大扭矩，受力不尽合理；启闭设备较为笨重，需要修建多个启闭机室，增加土建工程量；启闭机房位于河道中间，增加了检修难度；对安装精度要求高，对沉降问题敏感；底轴漏水问题严重；造价高，一般在6-15万/延米。水力自控翻板闸门：其工作原理是杠杆平衡与转动，具体来说，水力自控翻板闸门是利用水力和闸门重量相互制衡，通过增设阻尼反馈系统来达到调控水位的目的。当上游水位升高则闸门绕“横轴”逐渐开启泄流；反之，上游水位下降则闸门逐渐回关蓄水，使上游水位始终保持在设计要求的范围内。优点：结构简单、制造使用方便、造价低廉、维护简单等。缺点：闸门在某些水力条件下容易发生小开度振动拍打现象，虽然短期内不至影响到整个闸坝的安全，但长期的小开度振动拍打会导致翻板闸门底部和固定坝的疲劳破损，以致闸坝漏水严重，直至造成整个翻板闸坝工程的破坏；另外，起初启动水位较高，而回关水位偏低，难以满足用户的使用要求；同时，此坝型易被漂浮物卡塞或上游淤积不能自动翻板。洪水过后，翻板门再关上时易被异物卡住，造成大量漏水。
针对现有活动闸型在投资、行洪安全、排漂、冲淤、冬季运行、阻水闸墩、基础适应性、景观化等方面存在或多或少的问题。整体式合页活动坝是一项水利科技创新成果，该坝是将“三铰点变幅运动机构原理”与传统水闸的优化结合，针对各种水利、地质条件下研发的新型活动坝。优点：合页坝的坝面钢结构面板和驱动机构可抵御洪水、砂石及大型漂浮物的冲撞，受力条件好，坚固稳定；完美解决抗冻问题，抵御局部冰压力，较混凝土结构在冰冻地区的冻涨问题有更好的解决；此外，在冰面的冻胀压力下，合页坝坚固的坝体随着冻胀移动，机械安全阀组系统装置将迅速调整液压缸内油压，做出相应的退让反应，削弱冻胀引起的破坏力，从而保护合页坝不损坏，适用于寒冷冰冻地区。该技术在敦化牡丹江上已经过严冬考验，目前运行状况良好。液压管路布置于下游便于检修的位置；液压系统采用了优化设计，有效减少漏油故障点，故障率低，其他零部件均为标准配置，易于更换；液压油采用低温抗磨型，可保证在低温下良好运行。在无电、无动力源的情况下，达到自动降坝操作。合页坝为坝体平衡式设计，不挡水时，空坝也能实现自由降落，只需人工打开唯一油路系统位于控制房的手动阀门（无电情况下），将液压缸内油液压力泄放回油箱中。此功能使得部分有特殊行洪要求的河道在面临大暴雨等极端恶劣气候条件下的安全行洪意义重大，特别适用于偏远山区无人管理的地区。安全可控度高。当洪水位超过坝顶一定高度（事先设定），将会引起液压系统内油压升高，超过设定压力时，机械溢流装置将开启泄压（开度可控），使得合页坝坝面下降，保持水位高度不超限；当大流量洪水通过时，水流对坝面连续冲击下，液压系统压力会陡然上升，此时安全溢流阀（机械）连续开启，坝面会有序的迅速降落。合页坝采用暗藏式支撑，低重心，坝面上下游基础落差小，几乎紧贴河床，对于旧基础改造开凿量极小，非常适合各类活动坝的改造项目，节省土建工程量。合页坝的自控系统控制方式灵活多样。上位机远程、异地、网络化集中管理，全自动控制及现场手动控制，三种方式之间存在互锁关系，客户根据自己需要，可随机选择一种方式控制。通过远程视频网络，传输实时现场画面，可以融入各地方水务局水情测报和防洪调度系统，同时控制系统对液压泵站进行监视保护，主要包括液压系统压力（包括压力传感器和压力继电器）、油位、油温、油过滤器堵塞等。合页坝可根据河道蓄水能力，实现任意高度挡水，坝面可在任意设定角度范围内停留支撑，同时还可实现单扇或多个坝扇任意组合或同步调节，减少水流对下游的冲刷。所有坝面数百米可迅速调节成一条水平直线，便于集成化、模块化控制，形成城市河道中一道亮丽的风景线。合页坝景观效果好，可根据客户要求设置挑水板，形成多种造型的美丽水帘或瀑布，同时挑水板还起到保护液压缸的作用，避免水流长期对液压缸的冲击，延长液压缸寿命。缺点：加工工艺复杂。
2.2设计方案确定
通过以上设计坝型对比后，采用整体式合页活动坝坝型，控制洪水的下泄调度。合页坝设计挡水高5.0m，净宽89.4m，采用15扇5.96m宽合页坝，两侧各留30cm做侧墙止水。合页坝面板采用全钢材料，单扇坝面规格选用5.0m×5.96m，共15扇。每个面板均采用2支液压缸控制其升降，采用PLC电控操作系统控制液压缸伸缩。
3坝体施工
该坝体主要由买件系统、面板系统、支撑系统、泵站系统和控制系统组成。工序主要有工厂门体制作，工厂运输至现场，现场检测检验，拼装焊接，安装油缸，调平焊接油缸底支座，坝面的油管路焊接，油缸的软管连接，打磨喷涂油漆，电控系统安装，系统单机调试及打压试验。
具体实施期为：
（1）2017年9月1日至2017年11月7日，工厂门体制作。
（2）2017年11月26日至2017年12月6日，现场拼装焊接。
（3）2017年12月24日至2018年1月7日，液压站至每扇坝面的油管路焊接。
（4）2017年12月5日至2018年1月20日，电控系统安装。
（5）2018年1月21日至2018年2月20日，系统单机调试及联机调试。
4工程运行效果
4.1面板渗水效果检测
自工程联机调试后开始蓄水，在2018年3月27日蓄水至366m高程（至合页坝堰顶缺口处），检测各面板初期蓄水渗漏情况，发现在3-4#面板、9-10#面板存在缝间止水有渗流情况，其余面板间无渗水。现场分析为：面板间止水位置在无水状况下安装，缝间距过大所致，需要降低水位后，调整两处渗水位置处的止水宽度即可。后经调整，在2018年4月10日再次蓄水至366m高程（至合页坝堰顶缺口处），检测各面板二次蓄水渗漏情况，发现所有面板间均无渗水。
4.2奇、偶数面板启放效果检测
本次奇数面板启放效果从坝面15#面板开始，先行启动15#面板，待该面板开始溢流后，再行启动13#面板，直至1#面板。进行连续到不连续状态下（坝体两端关闭，启放中间7#、9#、11#闸门）。偶数面板启放效果从坝面14#面板开始，现行启动14#面板，待该面板开始溢流后，再行启动12#面板，直至2#面板。进行连续到不连续状态下（坝体两端关闭，启放中间6#、8#、10#闸门），检测坝体闸门的不同部位及下泄流量的启放效果，经观察，门体在上述工况下，启放过程平稳、溢流正常。
4.3连续面板启放效果检测
本次连续面板（其它面板关闭，启放河床中部5块连续面板）启放效果从坝面7#面板开始，先行启动7#面板，待该面板开始溢流后，再行启动8#、9#、10#、直至11#面板。进行连续状态下面面板启放效果，经观察，门体在上述工况下，启放过程平稳、溢流正常。
4.4任意角度、极限角度启放效果检测
坝体面板在蓄水过程中，面板水位历经底部到顶部逐渐上升，直至到顶部溢流槽开始溢流。蓄水后，面板可进行任意角度启放，所开启的角度不同，下泄的流量则不同。在检测中，将面板从完全关闭的蓄水状态到完全放开的下泄状态进行效果检测，经观察，门体在上述工况下启放过程平稳，溢流正常，满足任意高度挡水的要求。
4.5人工启动、电动启放效果检测
在无电、无动力源的情况下，达到自动降坝操作。该坝体为平衡式设计，利用人工打开控制房的手动阀门的油路系统，将液压缸内油液压力泄放回油箱中，此功能使得有特殊行洪要求的河道在面临大暴雨等极端恶劣气候条件下的安全行洪意义重大。检测中，先进行无电状态下人工启动模式，再进行电动操作，经观察，两种启动模式操作简便、实用，门体启放平稳，溢流正常，满足无动力启放的功能要求。
4.6排漂浮物、排砂、石效果检测
河道中漂浮物在门体启动泄水时，能够随水体的下泄排向下游，排出的时间由蓄水时所积留的漂浮物量（所占水面面积）多少而定。检测中，该漂浮物水留的水面面积约2400m2，基本处于河道的右侧，故启放右侧的13#、11#、9#门体，水体下泄同时，漂浮物随同下泄排出。排出时间为48分钟。排砂、石效果检测中采用奇、偶数单扇门体反复启闭2次，经观察，在门体下游溢流堰面上发现细颗粒小石，由此判断水中悬移质物、砂质物及小石均会随同水体的下泄排出，满足了排漂浮物、砂及小石的要求。
5结论与建议
通过对工程实体上述6个方面的效果观测，坝体符合设计要求，满足设计功能使用需要，实现了工程预期目标。采用整体式合页活动坝设计方案，初步检测达到预期设计目标，对于后续该技术在南方地区河流推广应用提供了工程实例，对市场推广产生影响。
本工程的河道宽度为90m，门体高度为5m，所采用的液压缸体采用直立式支撑结构，能够满足设计要求，如门体高度增加，建议采用斜撑结构，受力结构将进一步趋于合理。
参考文献：
[1]合页坝技术特点与生态水利
[2]松桃平举水电站防洪改造应急工程初设报告
[3]整体式合页活动坝编制大纲
[4]敦化市水生态文明建设规划报告。
作者简介
卢文华：男，1977年，贵州遵义县，贵州水利实业有限公司，高级工程师，总工办主任，大学本科，水利水电工程。