一、引言
底轴钢坝作为钢坝家族中的重要成员，凭借其独特的结构形式与运行优势，在水利工程领域逐渐崭露头角。相较于传统钢坝，底轴钢坝通过创新性的底轴驱动方式，实现了更高效的挡水与泄洪功能转换，在城市防洪、生态景观营造、河道生态修复等工程中展现出强大的适应性和应用潜力。本文将深入探讨底轴钢坝的结构组成、工作原理、设计要点、施工技术、运行维护等内容，为相关工程的建设与管理提供全面的技术参考。
二、底轴钢坝的概念与特点
（一）概念界定
底轴钢坝是以钢材为主要结构材料，通过位于坝体底部的水平转动轴（底轴）驱动坝体绕轴旋转，实现挡水和泄水功能的一种水利工程设施 。坝体通常由钢结构面板、加劲肋、次梁、主梁等部件组成，底轴贯穿整个坝体底部，与坝体通过可靠的连接方式固定。在液压或机械驱动系统的作用下，底轴带动坝体绕其轴线转动，从而改变坝体的开度，调节水流流量和水位高度 。
（二）主要特点
- 结构紧凑，空间利用率高：底轴钢坝的驱动装置位于坝体底部，相较于传统的顶部或侧面驱动的钢坝，无需在坝体上方或侧面设置大型的启闭设备和工作桥，大大减少了工程的空间占用。这种紧凑的结构形式特别适用于城市河道、景观水系等对空间要求较高的区域，能够更好地与周边环境相融合，减少对河道两岸土地资源的占用 。
- 启闭灵活，控制精准：底轴钢坝采用液压或机械驱动系统，能够实现坝体的快速启闭和 调节。通过先进的控制系统，可根据实时水位、流量数据以及工程运行需求，精准控制坝体的开度，实现对水流的精细化管理。在防洪抢险时，可迅速开启坝体，加大泄洪流量；在生态补水或景观营造时，可 控制水位，满足不同工况下的需求 。
- 水力学性能优良：底轴钢坝在开启过程中，坝体绕底轴旋转，水流从坝顶平滑溢流，水流流态良好，能够有效减少水流对坝体和下游河道的冲刷。同时，坝体在不同开度下均能保持稳定的水流状态，避免产生涡流、气蚀等不良水力学现象，提高了工程的安全性和耐久性 。
- 抗震性能好：由于底轴钢坝的结构重心较低，且坝体与底轴之间的连接具有良好的整体性和柔韧性，在地震等自然灾害发生时，能够有效吸收和缓冲地震能量，减少地震对坝体结构的破坏。与传统的高重心水利设施相比，底轴钢坝具有更强的抗震能力，适用于地震多发地区的水利工程建设 。
- 维护方便，使用寿命长：底轴钢坝的主要部件如底轴、驱动装置等位于坝体底部，便于进行日常检查和维护。钢结构部分采用 钢材，并经过先进的防腐处理工艺，能够有效抵抗水流、大气等环境因素的侵蚀，延长坝体的使用寿命。此外，模块化的设计理念使得坝体部件的更换和维修更加便捷，降低了工程的后期维护成本 。
三、底轴钢坝的结构组成与工作原理
（一）结构组成
- 坝体结构
- 面板：底轴钢坝的面板直接承受水压力，是挡水的关键部件。面板一般采用钢板制作，钢板厚度根据坝体的挡水高度、跨度以及水压力大小确定，通常在 10 - 25 毫米之间。为增强面板的刚度和稳定性，防止在水压力作用下发生变形，面板上设置有加劲肋，加劲肋的布置形式和尺寸需通过结构计算优化确定 。
- 梁系：梁系由次梁和主梁组成，是面板的主要支撑结构。次梁将面板承受的水压力传递给主梁，主梁再将荷载传递到底轴。梁系的设计需考虑坝体的结构形式、跨度、荷载分布等因素，确保其具有足够的强度和刚度。主梁一般采用箱型截面或工字型截面，材质多为高强度钢材，如 Q345qD、Q390qE 等，以满足受力要求 。
- 连接结构：连接结构用于将面板、梁系与底轴牢固连接，确保坝体在转动过程中力的有效传递。连接结构通常采用焊接或螺栓连接方式，在设计和施工过程中，需严格控制连接部位的质量，保证连接的可靠性和稳定性 。
- 底轴系统
- 底轴：底轴是底轴钢坝的核心部件，是坝体转动的轴心。底轴一般采用高强度合金钢制造，其直径和长度根据坝体的尺寸、重量以及启闭力要求确定。底轴需具有足够的强度和刚度，以承受坝体传来的巨大荷载，并保证在长期运行过程中不发生变形和断裂 。
- 轴承座：轴承座用于支撑底轴，使底轴能够灵活转动。轴承座通常采用铸钢或锻钢制作，并安装有高性能的滑动轴承或滚动轴承。轴承座的设计需考虑底轴的受力情况、转动角度以及工作环境等因素，确保轴承座具有良好的承载能力和耐磨性，同时便于安装、维护和更换轴承 。
- 止水装置：底轴与坝体基础之间设置有止水装置，以防止水流从底轴与基础的缝隙中渗漏。常见的止水装置有橡胶止水带、止水橡皮等，止水装置的安装需保证与底轴和基础紧密贴合，连接牢固，无破损和老化现象，确保止水效果 。
- 驱动系统
- 液压驱动系统（常用）：液压驱动系统是底轴钢坝最常用的驱动方式，主要由液压缸、液压泵、控制阀、油箱、管路等组成。液压缸是实现坝体转动的执行元件，其规格和数量根据坝体的尺寸、重量以及启闭力要求进行选择。液压泵为系统提供动力，将机械能转化为液压能。控制阀用于控制液压油的流量、压力和流向，实现对液压缸的 控制。油箱用于储存液压油，并起到散热、沉淀杂质的作用。管路负责连接液压系统各部件，传输液压油，要求具有良好的密封性和耐压性 。
- 机械驱动系统：机械驱动系统主要包括电动机、减速器、传动链条或齿轮等部件。电动机通过减速器降低转速并增大扭矩，然后通过传动链条或齿轮将动力传递到底轴，带动坝体转动。机械驱动系统结构相对简单，成本较低，但启闭速度和控制精度相对液压驱动系统较差，适用于一些小型或对启闭速度要求不高的底轴钢坝工程 。
- 控制系统
- 传感器：控制系统配备了多种传感器，用于实时监测底轴钢坝的运行参数，如坝体开度、底轴扭矩、液压系统压力、水位、流量等。常见的传感器有位移传感器、压力传感器、扭矩传感器、水位传感器等。这些传感器将监测到的数据实时传输到控制器，为坝体的运行控制提供准确的依据 。
- 控制器：控制器是底轴钢坝控制系统的核心，通常采用可编程逻辑控制器（PLC）或工业计算机。控制器根据预设的程序和传感器反馈的数据，对驱动系统进行自动控制，实现坝体的启闭、调节和保护功能。同时，控制器还具备人机交互界面，操作人员可通过界面设置运行参数、查看运行状态、进行手动操作等 。
- 通信模块：通信模块用于实现底轴钢坝与远程控制中心之间的数据传输和通信。通过无线网络、光纤等通信方式，远程控制中心可实时获取底轴钢坝的运行信息，并对其进行远程监控和控制。通信模块的设置使得底轴钢坝的管理更加智能化和便捷化，提高了工程的管理效率 。
（二）工作原理
当底轴钢坝需要蓄水时，液压泵启动（以液压驱动系统为例），将液压油输送到液压缸的无杆腔，推动活塞伸出，通过传动机构带动底轴顺时针转动（根据设计方向），底轴进而带动坝体绕其轴线向上旋转，逐渐升起至设计挡水高度，此时坝体拦截水流，抬高上游水位 。在蓄水过程中，传感器实时监测坝体开度和液压系统压力等参数，并将数据反馈给控制器，控制器根据预设的水位目标，自动调节液压系统的压力和流量，确保坝体准确上升到指定位置，并保持稳定的挡水状态 。
当需要泄洪时，液压泵将液压油输送到液压缸的有杆腔，使活塞缩回，底轴在坝体自重和水压力的作用下逆时针转动，坝体绕底轴向下旋转，逐渐开启。随着坝体开度的增大，水流从坝顶溢流而下，流量逐渐增加。在泄洪过程中，传感器持续监测水位、流量和坝体开度等参数，控制器根据实时数据和泄洪调度要求， 控制液压系统，调节坝体开度，使泄洪流量满足实际需求，确保河道行洪安全 。
机械驱动系统的工作原理类似，电动机通过减速器和传动装置带动底轴转动，实现坝体的启闭，但在控制精度和响应速度上相对液压驱动系统有所不足 。
四、底轴钢坝的设计要点
（一）设计参数确定
- 水文参数：依据工程所在流域的水文资料，确定设计洪水流量、校核洪水流量、正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位、枯水期水位、水位变幅等关键水文参数。这些参数是确定底轴钢坝规模、尺寸、泄洪能力以及运行调度方案的基础。例如，设计洪水流量和校核洪水流量决定了钢坝的 泄洪能力和过流断面尺寸；正常蓄水位和水位变幅则影响坝体的高度和底轴的安装高程 。
- 结构参数
- 跨度：底轴钢坝的跨度需综合考虑河道宽度、水流条件、施工难度、经济性等因素。一般来说，底轴钢坝的跨度可在 20 - 100 米之间，合理的跨度设计能够减少闸墩数量，降低工程成本，但过大的跨度会增加坝体结构设计和施工的难度，需要在技术和经济之间进行优化权衡 。
- 高度：坝体高度由设计洪水位、正常蓄水位以及安全超高确定。安全超高一般取值 0.5 - 1.0 米，以确保在 工况下钢坝的安全性。同时，还需考虑水位变幅，保证坝体在各种水位条件下都能正常运行，实现有效的挡水和泄洪功能 。
- 底轴直径和长度：底轴的直径和长度根据坝体的尺寸、重量、启闭力要求以及所受荷载计算确定。底轴需具有足够的强度和刚度，以承受坝体传来的巨大扭矩和弯矩，同时要保证与坝体的连接可靠，确保坝体能够平稳转动 。
- 荷载参数：考虑水压力、波浪力、冰压力、风荷载、地震荷载、坝体自重、启闭设备重量等荷载。其中，水压力是主要荷载，根据水位和坝体形状进行计算；波浪力和冰压力需根据当地的气象和水文条件确定；地震荷载则依据工程所在地区的地震烈度进行计算 。在荷载计算过程中，需考虑各种荷载的组合情况，确定最不利荷载工况，以确保底轴钢坝在各种工况下的结构安全 。
（二）材料选择
- 钢材：底轴钢坝的主体结构多采用高强度、耐腐蚀、焊接性能优良的钢材。常用的钢材有 Q345qD、Q390qE、Q420qE 等桥梁用钢，对于底轴等关键受力部件，可选用更高强度等级的合金钢。钢材的质量需严格把控，确保其力学性能、化学成分等指标符合相关标准要求，同时要注意钢材的厚度方向性能，对于厚度较大的钢板（大于 40 毫米），需选用具有 Z 向性能保证的钢板，防止层状撕裂 。
- 轴承材料：轴承是底轴系统的关键部件，其材料的选择直接影响底轴的转动性能和使用寿命。常用的轴承材料有铜基合金、尼龙、特殊工程塑料以及高性能的滚动轴承合金等。在选择轴承材料时，需考虑底轴的受力情况、转动速度、工作环境等因素，确保轴承具有良好的耐磨性、减摩性和承载能力 。
- 止水材料：止水材料用于底轴与基础之间以及坝体接缝处的止水，应选用耐水、耐老化、弹性好的材料。常见的止水材料有橡胶止水带、止水橡皮、止水铜片等。橡胶止水带和止水橡皮具有良好的弹性和密封性能，适用于各种静态和动态密封场合；止水铜片具有耐腐蚀、强度高的优点，适用于一些重要部位的止水 。止水材料的选择需根据止水部位的工作压力、温度、介质等条件进行合理确定，并确保止水材料与钢材具有良好的相容性 。
- 其他材料：包括混凝土（用于闸墩、底板等基础结构）、密封材料（用于液压系统、设备连接部位等）、防腐材料（如热喷涂锌、环氧富锌底漆、聚氨酯面漆等）、连接材料（螺栓、螺母等），均需符合相关标准和设计要求 。混凝土的强度等级、配合比需根据结构部位的受力情况和耐久性要求确定；防腐材料的选择需考虑钢材的使用环境和防腐年限要求，确保钢结构的长期稳定运行 。
（三）结构设计
- 强度和稳定性设计：运用有限元分析等先进计算方法，对底轴钢坝在各种荷载工况下的应力和变形进行详细计算，确保坝体、底轴、梁系等结构部件的强度和稳定性满足要求。优化坝体的梁系布置、底轴的结构形式以及连接部位的设计，避免应力集中现象。对于闸室等基础结构，需进行抗滑稳定、抗倾稳定和抗浮稳定计算，确保在水压力、扬压力、地震力等荷载作用下不发生滑动、倾覆和上浮 。同时，考虑到坝体频繁启闭可能产生的疲劳问题，在设计过程中需采取措施提高结构的疲劳寿命，如优化结构细节、采用疲劳性能良好的钢材等 。
- 水力学设计：根据底轴钢坝的功能和运行要求，进行水力学计算，确定坝体的过流能力、水流流态等参数。合理设计坝体的形状和尺寸，优化坝顶曲线，减少水流阻力，提高泄洪效率，确保在不同开度下水流能够平稳溢流，避免产生涡流、气蚀等不良水力学现象。同时，通过水力学模型试验或数值模拟等手段，对设计方案进行验证和优化，确保底轴钢坝的水力学性能满足工程需求 。
- 抗震设计：对于位于地震设防地区的底轴钢坝，需按照相关抗震规范进行抗震设计。采用合适的抗震措施，如增加结构的延性、加强关键部位的连接、设置隔震和消能装置等，提高钢坝的抗震能力。在设计过程中，考虑地震作用下坝体的动力响应，通过动力分析计算，评估钢坝在地震工况下的安全性，确保在地震发生时，底轴钢坝能够保持结构的完整性和功能性，减少地震灾害损失 。
五、底轴钢坝的施工技术
（一）施工准备
- 技术准备：组织施工技术人员、管理人员深入研究施工图纸和相关技术规范，包括《水工金属结构制造安装及验收规范》《水利水电工程施工质量检验与评定规程》等，进行图纸会审和技术交底工作。根据工程特点和现场实际情况，编制详细的施工组织设计和专项施工方案，如底轴钢坝制作方案、安装方案、液压系统安装调试方案等，并报监理单位审批 。同时，建立施工测量控制网，利用全站仪、水准仪等测量仪器 测设钢坝安装的轴线、高程控制点，为施工提供准确的测量依据 。
- 材料准备：按照设计要求采购钢材、轴承、止水材料、液压设备、密封材料、防腐材料等施工所需材料。严格检查材料的质量证明文件，按规定进行抽样复验，确保材料质量符合设计要求。对于底轴等关键部件，需选择质量可靠的供应商，并对其制造过程进行质量监控。合理安排材料进场时间和堆放场地，做好材料的保管和防护工作，防止材料受潮、锈蚀等 。
- 施工机械准备：配备数控切割机、剪板机、折弯机、卷板机、电焊机、气割设备、汽车起重机、履带起重机、液压试验设备等施工机械和设备，并进行全面检查和调试，确保其性能良好，能够正常运行。同时，配备必要的维修工具和备用零部件，以便在施工过程中对设备进行及时维修和保养，保证施工进度不受影响 。
- 场地准备：清理施工现场，平整场地，修筑临时施工道路，确保施工车辆和设备的通行。搭建临时生产、生活设施，如钢结构加工棚、材料仓库、办公用房、宿舍、食堂、厕所等，为施工人员提供良好的工作和生活条件。同时，接通施工用水、用电线路，设置必要的排水设施和安全警示标志，确保施工现场的水电供应、排水畅通和施工安全 。
（二）钢结构制作
- 钢材预处理：钢材进场检验合格后，进行表面预处理。采用抛丸或喷砂除锈工艺，去除钢材表面的铁锈、油污等杂质，使钢材表面达到设计要求的除锈等级（一般为 Sa2.5
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