氣動盾形閘系統(tǒng)在城市中小河流治理中的應(yīng)用

侯放鳴 郭云峰 劉雪松

近年，隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，國家對生態(tài)環(huán)境保護越來越重視。建設(shè)水生態(tài)文明城市的主要內(nèi)容之一就是城市中小河流治理，要求整個工程的總體布置和設(shè)備選型不但具有常規(guī)水利工程所要求的使用功能， 而且更要具備與生態(tài)環(huán)境相適應(yīng)的多種功能。

在城市河流治理中，閘門是必不可少的擋水設(shè)備。隨著水生態(tài)文明城市建設(shè)的迅速發(fā)展，新型閘門的開發(fā)與應(yīng)用已成為金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的一個主要發(fā)展方向。這些閘門不僅要求設(shè)計新穎、布置緊湊，而且在滿足常規(guī)功能基礎(chǔ)上還應(yīng)與城市環(huán)境相協(xié)調(diào)，符合生態(tài)化、景觀化的要求，許多工程還要求具備通航條件。目前這類新型閘門在國內(nèi)工程中運用較少。氣動盾型閘就是在引進美國先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，部分實現(xiàn)國產(chǎn)化的新型閘門之一。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與原理

氣動盾形閘系統(tǒng)主要由鋼閘門、可充氣強化橡膠氣袋、埋件、氣動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它是利用空氣壓縮的原理，通過對氣袋的充氣與排氣，驅(qū)動鋼閘門升起與倒伏，以維持特定的水位高度，可在設(shè)計水位內(nèi)實現(xiàn)任意水位高度的調(diào)節(jié)。其原理示意圖如圖1。

1.鋼閘門

氣動盾形閘的鋼閘門由面板、加強筋板、底軸組成。面板材料系高強度結(jié)構(gòu)鋼，迎水側(cè)設(shè)有加強筋板，以增強面板的強度。底軸是鋼閘門起伏時轉(zhuǎn)動支撐件，與鋼閘門固定連接。閘門全升起時與水平面保持60°～75°夾角，閘門上端設(shè)有破波板，減少水流下方的負壓，避免產(chǎn)生振動，閘門面板設(shè)計有一定弧度，在完全倒伏時可以覆蓋氣袋，起到保護氣袋的作用。起升至設(shè)定高度時，可以通過溢流形成瀑布景觀。

鋼閘門下游側(cè)設(shè)有安全抑制帶，以防止下游水位高或遇大風(fēng)時鋼閘門向上游傾倒，安裝加強抑制帶時還可實現(xiàn)反向擋水。

2.氣袋

氣袋由內(nèi)、中、外三層組合而成，內(nèi)層為聚酯纖維強化的合成橡膠，中層橡膠為單體合成橡膠，外層為耐氧化、抗臭氧和抗侵蝕的三元乙丙橡膠（EPDM），其厚度根據(jù)不同擋水高度所需耐壓而不同。氣袋三邊無縫，一邊開口，開口處呈楔形，需承受較高的耐壓。氣袋底部設(shè)進排氣嘴，可通過壓縮機充氣。充氣后鼓起，驅(qū)動鋼閘門起升。放氣后鋼閘門因自重而倒伏，完全覆蓋氣袋。擋水超過一定高度時需要雙氣袋。

3.埋件

埋件由角形件、槽鋼件、主錨栓和抑制帶錨栓構(gòu)成，基礎(chǔ)施工時將槽鋼件、角形件及主錨螺栓固定在河床上，調(diào)整到位后澆筑混凝土。夾鑄具通過主錨栓將氣袋和鉸鏈蓋板壓在角形埋件上，壓緊氣袋楔形開口一邊，使氣袋固定并密封，壓緊的鉸鏈蓋板與鋼閘門底軸連接，使鋼閘門可以沿底軸作扇形運動。

4.氣動系統(tǒng)

氣動系統(tǒng)由空氣壓縮機、干燥機、儲氣罐、控制閥件、管道等組成。空氣壓縮機的容量根據(jù)氣動閘擋水高度、寬度及起升時間要求確定。氣動系統(tǒng)設(shè)有手動控制閥，以備失電情況下可手動排氣使閘門倒伏。

5.控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)實現(xiàn)對氣動閘起升和倒伏的自動控制，通過傳感器監(jiān)測鋼閘門位置角度，調(diào)節(jié)氣袋進氣量，保證鋼閘門單元之間同步起升和倒伏，還可預(yù)設(shè)閘門位置高度，實時監(jiān)測高度數(shù)據(jù)，并可實時監(jiān)測溢流流速和流量以作參考。另外還可實現(xiàn)遠程監(jiān)控、視頻監(jiān)視等功能。

二、主要性能和特點

①根據(jù)目前氣袋制造工藝能力，氣動閘最高擋水高度可達10m，寬度可達數(shù)百米，可以說在高水頭大跨度可起伏的擋水設(shè)備方面，氣動閘填補了國內(nèi)空白。近期安裝完成的貴陽南明河氣動閘，擋水高度8m，跨度60m，是目前世界上擋水高度最高、跨度最長的同類閘壩。

②氣動閘可根據(jù)用戶的要求起升至任意高度位置，精確地控制水位并形成溢流，溢流時形成寬闊的人工設(shè)計瀑布，為城市增添景觀。

③氣袋和鋼閘門都是組合單元式設(shè)計，簡化了安裝過程，使維修過程簡便易行。

④閘門倒伏時完全傾伏于河床，不影響景觀，不影響水上交通，不影響水生物的上下游動，且水中漂浮物、冰塊和礫石容易流過，不會堵塞河道。

⑤整個閘門由多組強化鋼閘門和氣袋單元連接而成，長度不受限制，也不需要中間墩座，可最大程度地提高過水面，即使在失電的情況下也可以手動排氣倒伏，不影響泄洪。

⑥系統(tǒng)以壓縮干凈空氣作為起升驅(qū)動，橡膠氣袋可達到食品級，沒有任何油污，沒有排放物，不會造成河水和環(huán)境的污染。

⑦支撐氣袋的鋼閘門作為氣袋的護盾，保護氣袋，避免被浮木、礫石、冰塊等雜物破壞，使用壽命長，通常的使用壽命都在30年以上。

⑧在極寒冷地區(qū)，冬天結(jié)冰膨脹擠壓擋水閘門時，氣袋可通過壓力傳感器自動釋放壓力，保護鋼閘門不致于損壞。

⑨在生態(tài)方面，氣動閘在運行時不產(chǎn)生振動，可作為魚道使水生物上下游動，也可作為船閘。

⑩氣動閘可通過閘門下游側(cè)的抑制帶對鋼閘門的限制作用實現(xiàn)雙向擋水，這也是其他類型閘門不能實現(xiàn)的。

三、典型應(yīng)用

1.北京清河水環(huán)境治理工程外環(huán)跌水氣動閘

該項目是2008年北京奧運會的配套工程，位于北京市北五環(huán)外的清河上，閘門寬45m，擋水高度2.5m。由9個單元組合而成，相鄰單元之間用止水封進行連接?？刂品績?nèi)設(shè)置了兩臺功率為15kW的空壓機，閘門上設(shè)置傾斜儀，可以對閘門升起高度進行控制。該工程被北京市水利局評為優(yōu)質(zhì)工程。

2.貴州德江玉龍湖氣動閘項目

該項目位于貴州省德江縣城玉龍湖畔，是水生態(tài)文明城市建設(shè)工程的主要項目之一。該項目基礎(chǔ)壩基高4m，壩基之上氣動閘擋水高度3m，跨度50m。水位高度可任意調(diào)節(jié)。溢流時幅寬50m的水流從7m高處傾瀉而下，形成了350m2的水簾，其瀑布景觀蔚為壯觀。該項目的實施既能滿足德江縣水務(wù)局提出的防洪防澇的要求，又改善了生態(tài)環(huán)境，為德江縣水生態(tài)文明城鎮(zhèn)建設(shè)打造出美麗的風(fēng)景線，為當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娞峁┝艘粋€休閑娛樂的好場所。

3.貴陽南明河綜合治理工程氣動閘項目

該項目是貴州省貴陽市城市水環(huán)境整治工程的一部分，項目由4座擋水高度8m、寬60m的氣動閘組成，采用雙氣袋，每座氣動閘分6個單元，每個單元10m。氣袋長10m，重近10t，閘門采用不銹鋼，每扇門由4片2.5m的單元門組成，單元門上下兩截焊接在一起，下端為40mm厚的不銹鋼板，上端為20mm厚的不銹鋼板，總高度為9.6m，是目前世界上擋水高度最高的氣動閘。該項目2013年3月開始施工，9月全部投入運行。目前，該項目以其獨特的水域風(fēng)景成為貴陽的新城市名片。

四、應(yīng)用前景

目前國內(nèi)水利工程中尚沒有適合大跨度高水頭可隨意起伏的閘門產(chǎn)品的應(yīng)用，氣動盾形閘門將填補這一空白，為大跨度高水頭水工閘門提供了新的設(shè)計思路，其環(huán)保、簡便、安全、美觀的特性得到各界高度評價。隨著我國經(jīng)濟高速穩(wěn)定的發(fā)展，水生態(tài)文明城市建設(shè)和水環(huán)境治理要求的提高以及環(huán)保意識的增強，具有減少污染物排放、保護生態(tài)環(huán)境等特點，可實現(xiàn)防洪、供水、灌溉等多功能的水利設(shè)施的需求將會越來越大。氣動盾形閘門這項先進技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用和推廣有著非常深遠的意義，相信它將在我國水利事業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重大的作用。