浅析城市景观翻板闸门的设计选型

陶 光 慧

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

1 概 述

近年来，随着社会经济的发展和城市现代化进程的加快，对城市水利工程建设提出了新要求和内容，其除应符合防洪安全要求外，还需满足改善和美化环境的要求，从而要求水利工程逐步实现从传统工程水利向资源水利、生态水利的转变，注重水利工程的景观和美学要求，寻求城市景观水利规划设计的新思路。由于传统闸门布置需 较厚的闸墩及突起的启闭机排架，影响防洪能力及景观效果，为顺应景观水利的要求，各类新型闸门大量涌现，如橡胶坝、翻板闸、一字门、人字门、三角门等。从我国目前的工程实例看，翻板闸门在城市景观水闸中的应用最为普遍，因此，研究此类闸门的设计选型具有较为重要的现实意义。

2 城市景观河道中常用的翻板闸门

2.1 水力自动翻板闸门

水力自动翻板闸门是目前国内最常见的一类自控闸门，是我国研发出来并拥有完全自主知识产权的一种节能、环保型闸门，先后经历了横轴双支铰型、多支铰型、滚轮连杆式和滑块式水力自控型四个发展阶段。由于水力自动翻板闸门具有过流能力强、水位壅高少、结构简单、制造使用方便、造价低廉、维护简单等诸多优点而得到了广泛的应用。

水力自动翻板闸门的工作原理是杠杆平衡与转动。具体来说，水力自动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，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，根据水位的变化，依靠水力作用自动控制闸门的开启和关闭。当上游来流量加大，闸门上游水位抬高，动水压力对支点的力矩大于门重与各种阻尼对支点的力矩时，闸门自动开启到一定倾角，直到在该倾角下动水压力对支点的力矩等于门重支点的力矩，达到该流量下新的平衡；流量不变时，开启角度也不变。而当上游来流量减少到一定程度且门重对支点的力矩大于动水压力与各种阻尼对支点的力矩时，水力自动翻板闸门可自行回关到一定倾角，从而又达到该流量下新的平衡。

水力自动翻板闸门由于其工作原理是由水压与自重平衡的作用使门体自动打开而不受人为控制，加上各种运行时的阻卡不一样，门什么时候开很难把握，而下游一旦有人畜或其他临时建筑时，在没有征兆或通知的情况下，上游就翻坝泄洪,存在很多安全隐患；再加上其对河流泥沙的适应能力较弱，因此，这些缺点制约了水力自动翻板闸门的推广作用。水力自动翻板闸门的结构如图1所示。

2.2 液压控制翻板闸门

针对水力自动翻板闸门存在的问题，结合工程实践，在原有的水力自动翻板闸的基础上增设了液压控制系统。闸门的开启、关闭，既能由水力自动控制开关，也可由液压人工随意控制开关，且翻板闸可控制在任何一个开度。在水力自动控制时，液压控制系统起阻尼减震的作用。

液压控制翻板闸门由液压动力控制机构和闸门两部分组成。液压动力控制机构包括电机、泵、马达、控制阀、管路、油箱和减速器；闸门部分包括闸门、连接轴和支承墩。每扇闸门设两个油缸(也可以设一个油缸)，油缸设在支墩内(主要目的是防盗，也可设在支墩外)，油缸的一端通过铰固定于闸板转动铰的下部，油缸的另一端通过另一铰固定于支墩上。油缸通过导油管连接至液压控制台，液压控制台可以设在河岸上实现远程控制。当人工操纵开闸放水时，开动液压传动系统使油缸的活塞杆向前移动，推动闸门板转动，即闸门开启，操作液压传动系统的控制元件，闸门板可停留在任意开度。当闸门需要关闭时，开动液压传动系统，使油缸的活塞杆向后移动，拉动闸门转动，即可关闭闸门。闸门既可部分开启，也可全部开启，同时，也可以通过调节闸门的开度以控制流量的大小，开关速度可任意调节。为了保证整个工程的安全，液压控制系统还设有无人值守或断电状态，控制系统可自动转入水力自控状态。

图1 水力自动翻板闸门示意图

设置了液压启闭机控制的翻板闸门，在一定程度上解决了混凝土材料在翻转、拍打、受到水流中杂物撞击时容易损坏的问题，液压启闭机也解决了闸门自动运行机构容易受到水草、树枝等杂物卡阻而无法正常运行的问题。该方案由于其结构形式的需要，仍需要在闸门后设置数量较多的支承墩结构，闸门开启泄洪时门体横卧于水中，门顶与门底处于同时过水状态，门体等结构仍然会受到复杂的门顶和门底同时通过高速水流的影响，对河道泄洪、河道景观也会产生一定程度的影响和破坏，并会阻碍河流的通航。液压控制翻板闸门结构如图2所示。

图2 液压控制翻板闸门示意图

2.3 底横轴翻板闸门

底横轴翻板闸门是一种较新改进型的翻板式闸门，由门叶、固定在门叶底部的底横轴、多个底铰座、自润滑轴承、底水封、侧水封、液压驱动装置以及液压锁定装置等组成。底横轴的两端穿过闸墙外伸，其外伸端与电液一体式启闭机连接，启闭机库位于闸墩内，底轴与闸墙之间设有水封装置，河道内的水不会渗入启闭机库。通过控制闸墩两侧的电液一体式启闭机的正反转可实现底横轴翻转门的启闭及开度控制，从而实现蓄水、泄洪、溢流、行船等功能。

源动力为液压启闭机的驱动装置，两台驱动装置布置于闸坝两侧的驱动室内，通过拐臂驱动支承在转轴座上的底转轴转动，带动固定联结在底转轴上的底轴驱动翻板闸门门叶按要求适时平稳、可靠地做启坝、闭坝等动作。支承结构为设置在闸门底部的旋转转轴，液压启闭机油缸控制底轴的旋转从而带动闸门门体的翻转开启和关闭，闸门在关闭时向上游或下游几乎完全平卧于河道底面。由于这种闸门形式的支承旋转结构为闸门的底部转轴，因此，闸门门体宽度方向尺寸可适当地加大，门叶的下端固定连接底横轴。底横轴转动连接若干支铰座，两端分别固定连接启动臂，每个启动臂的上端分别与对应的液压启闭机的伸缩杆铰连接，每个液压启闭机铰连接在支座上，每个支座内分别设置锁定装置，每个锁定装置的一端分别与启动臂铰连接。液压启闭机通过启动臂驱动底横轴转动，从而带动闸门作弧形运动，并由锁定装置控制闸门的开启角度。

由于底横轴翻板门是一种新型景观液压驱动式闸门，其操作方便，启闭灵活，闸门开度无级可调，方便调度、工作较隐蔽、不妨碍防汛和通航，不会对原有河道的景观造成影响且启闭闸门的时间较短；不需要设置较多的闸墩结构，对河道泄水影响较小，对河道景观效果较好，不影响河道的通航。对于大规格底轴驱动翻板闸门及启闭机，其底轴基础的处理要求相对较高，底轴受基础不均匀沉降的影响较大，因此，该种闸门形式的检修条件不是太好，很难应用于高水头。底横轴翻板闸门如图3所示。

图3 底横轴翻板闸门示意图

2.4 气动盾形翻板闸门

气动盾形翻板闸门为目前较为新颖美观的景观水闸形式之一，由钢闸门(钢结构的盾形门板和框架结构等)、高分子材料的气袋、埋件、空压系统和闸门控制系统等组成，其利用空气压缩原理，通过气袋的充气与排气使闸门升起和倒伏，维持特定的水位高度，并可在设计水位内实现任意水位高度的调节(图4)。

图4 气动盾形翻板闸门示意图

此种闸门形式融合了底轴驱动翻板闸门与橡胶坝的一些优、特点，当闸门需要升起挡水时，利用压缩空气向气袋充气，使闸门面板处于挡水状态；当闸门需要倒伏泄水时，打开排气阀及排气泵等将气袋内的空气排放，使得闸门门体向下游倒伏几乎完全平卧于河道底面。该种闸门形式挡水时的支承结构主要为高分子材料的气袋，整套气动闸系统可由若干模块化的钢闸门及气袋组合而成，拦河宽度不受限制且中间不需要设置闸墩及支墩结构，泄水面几乎与河道宽度一致，对河道泄水几乎不产生影响，可实现大面积、高效率的泄水，河道景观效果较好，不影响河道的通航。气动闸盾形门体和闸底铰链的设计亦使得泥沙、树枝、冰块、浮木及其它杂物容易流过，不易造成阻塞。气动闸的门体加筋板兼具导流功能，可平顺水流并减少冲刷。若使用的气袋材料较好并以压缩干净的空气作为驱动，无任何机械用油，不会造成水和周围环境的污染，环保性能较好；气动闸完全倒伏时不影响泄洪，可采用手动控制和电动自动控制两种方式进行操作控制，特别对因洪水泛滥时引发的断电，可通过手动紧急排放气袋内的空气实现安全泄洪。泄洪后，既使闸门上沉积污泥等杂物，仍不影响其正常运行。气动盾形闸门不需要启闭机械等设备，对土建基础要求不高，只需简单地基且不需设置中间闸墩和维修廊道。

3 结 语

从以上各种闸门的特点及情况看，水力自动翻板闸门应用较早，但因其对污物的适应能力较差，且自动泄水时容易使下游发生安全事故，故影响了其的应用推广；液压控制翻板闸门虽然解决了部分问题，但仍无法解决闸墩阻水及门顶和底部同时过流的水力学问题，因此其应用依然受限；底轴驱动翻板闸门较为新型，行洪能力及景观效果不错，然而，对于高水头大型工程，其结构特点决定了其难以胜任，仍需加以改善。综合来看，气动盾形翻板闸门应具有较好的行洪能力及景观要求，在整个河边流道内无需设立支墩，且泄洪操控更为安全可靠，因此，从未来发展方向看，应用前景广阔。

参考文献：

[1] 李宗健，等.水力自动闸门[M]. 北京：水利水电出版社，1987.

[2] 吴望一.流体力学[M].北京：北京大学出版社，2004.

[3] 姜佩东.液压与气动技术[M].北京：高等教育出版社，2000.

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