清河氣動盾形 溢流不均 的分析處理

王惠萍 周志華 李玉臣

（1. 北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院 北京 100048 2. 北京市水利建設(shè)管理中心 北京 100036）

1 引言

氣動盾形閘門是綜合傳統(tǒng)鋼閘門及橡膠壩優(yōu)點的一種新型閘門，主要由門體系統(tǒng)與氣動控制系統(tǒng)組成。

門體系統(tǒng)是由一排聚酯纖維強化橡膠氣袋與熱浸鍍鋅高強度鋼板組合而成。橡膠氣袋位于鋼板下游，氣袋與鋼板底部均通過鉸鏈壓條、嵌夾鑄件、不銹鋼錨定螺栓等專用配件安裝并固定在閘底板基礎(chǔ)混凝土上，閘門板后設(shè)置有安全抑制帶用以限制其向上游倒伏。

氣動控制系統(tǒng)擬通過橡膠氣袋的充氣與排氣操作，精確掌握閘門的起伏與靈活運行，藉以準(zhǔn)確控制所需水位的高度，實現(xiàn)無限段的連續(xù)調(diào)節(jié)水位。閘門全開時，門體全部倒臥在河底，不影響景觀和通航；閘門全關(guān)時，門頂溢流。

該閘型最大優(yōu)點是可以在設(shè)計范圍內(nèi)任意角度、任意閘段起伏、溢流，無需設(shè)置中間閘墩，視覺通透性良好。在滿足傳統(tǒng)閘型防洪排水、擋水蓄水功能的前提下，還能形成門頂溢流的瀑布景觀，實現(xiàn)現(xiàn)代化水利工程與城市景觀相結(jié)合的要求。

氣動盾形閘門系統(tǒng)自第一座建成投入運行至今已超過18年，最大擋水高度達8m。目前在世界各地已興建累計達200座以上，運行良好。近幾年，國內(nèi)工程也對該閘型進行了嘗試，但截至目前，此閘型核心技術(shù)及材料仍為國外專利，在國內(nèi)尚無設(shè)計規(guī)范可循。清河外環(huán)閘是國內(nèi)應(yīng)用的第二例，筆者通過對該閘在試運行中出現(xiàn)閘頂溢流不均問題進行分析及后期處理，試圖為今后此閘型的推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗。

2 外環(huán) 概況及試 行中存在的 1614

清河外環(huán)閘位于北京城區(qū)北部，上游距離立水橋約800m、城鐵13號線約200m，下游毗鄰亞洲最大居民區(qū)——天通苑。為考慮景觀蓄水要求，設(shè)計閘型選用氣動盾形閘，為中國大陸建設(shè)的第二座氣動盾形閘。項目采用成套設(shè)備引進的方式，由設(shè)備承包商提供盾形閘門的整體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計、制造、防腐蝕處理，并進行現(xiàn)場指導(dǎo)安裝，完成運行調(diào)試。

設(shè)計閘門為單孔，結(jié)構(gòu)尺寸為45m（寬）×2.5m（高），由 9塊閘板拼接而成，相鄰閘板之間用止水封進行連接。閘板下方設(shè)置9個充氣氣袋，分三組，每三個氣袋為一組，分別連接1根充泄氣管路，與控制室空壓機穩(wěn)壓罐連接。通過對氣袋進行充氣達到提升閘門的目的。管理房內(nèi)設(shè)置了兩臺功率為15KW的空壓機，閘門上設(shè)置了傾斜儀，可以對閘門升起及降落高度進行精密控制。

水閘建成調(diào)試蓄水時，發(fā)現(xiàn)門頂溢流不均勻，右岸（距控制室較遠側(cè)）溢流量大，左岸不溢流，通過手動充泄氣調(diào)整，也不能達到預(yù)期效果。并且溢流位置不固定，時常變化，時而左岸、時而右岸，時而兩邊。

圖1 建成調(diào)試時 溢流照片

3 溢流不均原因分析及處理方案

3.1 原因分析

針對上述問題，分析可能原因如下：

（1）閘門面板、錨固夾鑄具制造、加工誤差累計，造成底樞部位有附加約束力，致使在同等壓力下，閘門開啟角度不等，導(dǎo)致門頂高度不同。

（2）氣袋之間相互串氣，當(dāng)門體受力不均時，導(dǎo)致門頂高度不同。閘室距離上游彎道 240m，閘門蓄水時，河道流速 0.04~0.05m/s。彎道水流因離心力作用形成偏流，使得作用在閘門上的壓力不均勻，當(dāng)出現(xiàn)局部溢流時，溢流部位的門體將受到靜態(tài)和動態(tài)的雙重壓力。

從氣動閘氣袋布置看，每個管路供應(yīng)3個氣袋，相互貫通。當(dāng)門體受壓不均勻時，受壓較大的門體的氣袋中的氣體會被擠壓到壓力較小的氣袋中，導(dǎo)致氣體減少的氣袋所支撐的門體角度減小，從而高度降低，而增加氣體的氣袋則門體升高，造成門頂不在同一高度。

3.2 處理方案

根據(jù)門頂溢流不均可能產(chǎn)生的原因，確定相應(yīng)的處理方案為：

（1）門體系統(tǒng)金屬構(gòu)件改造

針對閘門、夾鑄具等金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工誤差問題，將閘門地面以上的部件全部拆除，對閘室前后徹底清淤檢查，重新細致地檢測每個結(jié)構(gòu)件，將存在變形與誤差較大的構(gòu)件全部進行校正、更新、拼裝，對嚴(yán)重不符合要求的構(gòu)件進行更換。

（2）氣動控制系統(tǒng)管路改造

針對原產(chǎn)品每三個氣袋由一條管路供、排氣，可能導(dǎo)致氣袋之間相互串氣，致使門頂偏流的原因，改造氣動控制箱至氣袋之間的管路，使每個氣袋單獨控制內(nèi)壓。

保留現(xiàn)狀三條供氣管路不動，分別為每組三個氣袋中的中間氣袋供排氣。新增6條DN50鍍鋅鋼管管路，分別為其余6個氣袋供、排氣。管路進入控制室后，在每條管路布置DN50球閥和逆止閥，與現(xiàn)狀主供氣和排氣管路連通。

制造、安裝誤差和氣袋串氣的原因可能同時存在，但無法辨識主要原因。因金屬構(gòu)件全部拆除、更新投資較大，本次僅對閘門擋水狀態(tài)下，門頂相對順直度進行了量測，設(shè)計最大門高時（2.5m），門頂順直反向相對偏差10~50mm。經(jīng)現(xiàn)場水火校正后，偏差有所改善。本次改造主要對氣動控制系統(tǒng)進行處理并試驗驗證，為更進一步的處理與否提供依據(jù)。

4 試 分析及 證

4.1 試 方法及成果

工程改造施工前后，模擬不同的運行工況，對應(yīng)閘門不同開度，采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀對閘門門頂高程及水平誤差進行測量記錄。

荷載試驗采用加沙袋的方法，沙袋總重量1噸，均勻布置在單塊閘板5m范圍內(nèi)。將閘板從左岸至右岸依次編號，分別為1號、2號、…、9號；每塊閘板設(shè)定兩個測點，分別距閘板端頭0.3m，并依次編號為 1、2、3、…、17、18。對氣動系統(tǒng)管路改造前、后，空載運行或閘板左 1、左4、左7分別加載運行，門高分別為 1.5m、2.0m、2.5m時，記錄各測點門頂高程。

圖2 1.5m改 前 程記錄表（設(shè)計 程29.95m）

圖3 1.5m改 后 程記錄表（設(shè)計 程29.95m）

圖4 2.0m改 前 程記錄表（設(shè)計 程30.45m）

表5 1.5m改 后 程記錄表（設(shè)計 程30.45m）

表6 2.5m改 前 程記錄表（設(shè)計 程30.95m）

表7 2.5m改 后 程記錄表（設(shè)計 程30.95m）

4.2 試 結(jié)果分析

通過以上試驗數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

（1）氣動控制系統(tǒng)管路改造前，氣袋之間確實存在串氣現(xiàn)象，且設(shè)計門高越低，即氣袋內(nèi)氣壓越小時，串氣現(xiàn)象越嚴(yán)重，門頂高程偏差越大，當(dāng)接近設(shè)計最大門高時，串氣現(xiàn)象不明顯。

（2）氣動控制系統(tǒng)管路改造前，門頂空載工況下，充氣到設(shè)定門高時，充氣效果與管路長短有關(guān)，遠離控制室一側(cè)（右岸）門頂高程達不到預(yù)期高度，門頂自左岸向右岸傾斜，門高越低（氣壓越低）越明顯，接近設(shè)計最大門高時，傾斜現(xiàn)象不明顯，門頂基本齊平。

（3）氣動控制系統(tǒng)管路改造后，避免了串氣現(xiàn)象，僅門頂施加荷載的部分，門頂沉降。九個氣袋可分別控制，通過調(diào)整進氣閥門開度，可實現(xiàn)遠端優(yōu)先充氣，致使遠端門頂高程高于近端（控制室一側(cè)）。

氣路系統(tǒng)改造完成后，現(xiàn)場溢流過水，對試驗數(shù)據(jù)進一步驗證，門頂溢流情況較好，基本達到預(yù)期效果。

圖8 改 完成后的 溢流照片

5 結(jié)語

氣動盾形閘門以其布置緊湊、構(gòu)造簡潔、新穎美觀得到各界認可，在大跨度水工閘門選擇中，適應(yīng)不同景觀蓄水要求的城市水利工程閘壩建筑物選擇中占有絕對優(yōu)勢，市場運用前景廣闊。

目前，此閘型生產(chǎn)沒有國內(nèi)化，閘門設(shè)計、施工整體引進的同時，應(yīng)根據(jù)具體工程情況進一步改良。氣動控制系統(tǒng)最好采用單管單袋，為后期運行調(diào)節(jié)提供便利。

設(shè)備配件出廠后，現(xiàn)場也需加強對構(gòu)件的檢查驗收，防止運輸過程中金屬構(gòu)件的變形對后期運行的影響。對誤差超過設(shè)計允許范圍的，需在安裝之前對其進行校正。同時，門體組合結(jié)構(gòu)對金屬構(gòu)件安裝要求較高，需重視拼裝的各個環(huán)節(jié)。