氣動(dòng)盾形閘門在寒區(qū)人工濕地中的應(yīng)用

鞏憲春，范寶山，程 煒，張志崇，李廣一

（1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130061；2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130061；3.江河機(jī)電裝備工程有限公司，北京 100070）

氣動(dòng)盾形閘門在寒區(qū)人工濕地中的應(yīng)用

鞏憲春1，2，范寶山1，2，程 煒3，張志崇1，2，李廣一1，2

（1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130061；2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130061；3.江河機(jī)電裝備工程有限公司，北京 100070）

以松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地工程為實(shí)例，系統(tǒng)介紹了氣動(dòng)盾形閘門在寒區(qū)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，給出了閘門、擴(kuò)散式消力池和海漫等相關(guān)結(jié)構(gòu)生態(tài)化的設(shè)計(jì)方法；提出在鋼門板的頂邊緣加設(shè)橫梁來提高閘門抗冰（水）推力的性能，防止頂邊緣變形而導(dǎo)致頂邊緣失去整齊的美觀效果。

氣動(dòng)盾形閘門；寒區(qū)；人工濕地；水源地保護(hù)；松花湖

1 前言

氣動(dòng)盾形閘門是近年來興起的一種新型閘門，兼具橡膠壩和鋼壩閘的優(yōu)點(diǎn)，得到了市場的肯定和認(rèn)可，在水利樞紐溢洪道、河道治理工程中的閘壩等領(lǐng)域均有應(yīng)用，并有逐年增加的趨勢。松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地建設(shè)項(xiàng)目的生態(tài)塘泄水閘選型，需要滿足冬季運(yùn)行、雙向擋水、操作靈活、經(jīng)久耐用和維修簡單等多方面的要求。通過多方面的技術(shù)論證分析，表明氣動(dòng)盾形閘門具有明顯的優(yōu)勢。下面以松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)塘泄水閘為例，具體說明氣動(dòng)盾形閘門在寒區(qū)人工濕地中的應(yīng)用。

2 松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地項(xiàng)目簡介

松花湖（即豐滿水庫）旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地建設(shè)項(xiàng)目是松花湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)試點(diǎn)總體項(xiàng)目的重要組成部分，試點(diǎn)總體方案項(xiàng)目計(jì)劃總投資為8.656億元，申請國家投資4.121億元（財(cái)建[2011]464號(hào)），地方配套4.535億元。項(xiàng)目所在的旺起鎮(zhèn)湖濱區(qū)域位于地表水飲用水源準(zhǔn)保護(hù)區(qū)、“三湖”國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的實(shí)驗(yàn)區(qū)，項(xiàng)目主要針對松花湖入湖河流受城鎮(zhèn)生活污水直接排放、農(nóng)村村落分散污染、水土流失、面源污染等影響的特點(diǎn)，通過在入湖河流河口附近實(shí)施人工濕地工程，從而達(dá)到有效削減入湖污染負(fù)荷，改善松花湖水環(huán)境質(zhì)量的目的。

在寒冷地區(qū)建設(shè)生態(tài)濕地，需要解決冬季的運(yùn)行問題。松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地建設(shè)項(xiàng)目是通過濕地的水生物和植物的吸收和降解，去除進(jìn)入濕地的污染物。但冬季水生物和植物的吸收和降解能力非常弱，對進(jìn)入濕地水體的污染物處理量很少?？紤]到冬季河流封凍，幾乎沒有徑流進(jìn)入濕地，進(jìn)入濕地的水體僅僅是污水處理廠的一級(jí)A排放水體，所以工程采取了建設(shè)生態(tài)塘的措施，納蓄污水處理廠的排放水體，在水生物和植物活躍季節(jié)對水體進(jìn)行充分吸收和降解、水質(zhì)達(dá)到地表水三類標(biāo)準(zhǔn)后，再排放入松花湖。生態(tài)塘濕地與松花湖之間由堤壩和泄水閘將二者隔離開。泄水閘冬季擋水，夏季開閘泄水。另外，當(dāng)豐滿水庫（松花湖）水位超過濕地水位時(shí)，泄水閘關(guān)閉，阻擋松花湖水進(jìn)入濕地。所以，生態(tài)塘泄水閘有兩方面的特定要求，整個(gè)冬季運(yùn)行期間，必須承受冰厚1.2m左右的凍脹推力；夏季運(yùn)行期間，正面擋水防止?jié)竦氐乃w未達(dá)標(biāo)前進(jìn)入松花湖，反向擋水限制松花湖高水位時(shí)水體進(jìn)入濕地，即閘門需要雙向擋水。

松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地建設(shè)項(xiàng)目位于吉林市豐滿區(qū)旺起鎮(zhèn)境內(nèi)漂爾河及楊家溝河口附近的松花湖湖濱區(qū)域，工程區(qū)由植被緩沖帶區(qū)、人工濕地污水處理區(qū)、湖濱濕地生態(tài)區(qū)及生態(tài)塘區(qū)組成。人工濕地水質(zhì)改善處理流程見圖1，多年平均年處理水量約0.25×108m3。旺起鎮(zhèn)污水處理設(shè)施出水水量較?。?00m3/d，即0.00146億m3/a），污染物濃度相對較高（CODcr：50mg/L，NH3-N：5mg/L）；漂爾河、楊家溝河水水量較大（多年平均處理水量0.247億m3）、污染物濃度相對較低（CODcr：30mg/L，NH3-N：0.5mg/L）。污水處理設(shè)施出水與楊家溝、漂爾河河水混合進(jìn)入回轉(zhuǎn)式溝渠濕地、生態(tài)塘處理后排入松花湖。工程實(shí)施后，區(qū)域入湖水質(zhì)達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；工程實(shí)施改善了湖濱生態(tài)環(huán)境，提高了區(qū)域生物多樣性保護(hù)功能，同時(shí)美化了湖濱景觀，為促進(jìn)當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展創(chuàng)造條件。

圖1 水質(zhì)改善處理工藝流程圖

3 寒區(qū)水源地保護(hù)人工濕地中氣動(dòng)盾形閘門的設(shè)計(jì)

松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)塘泄水閘的設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)“融合自然”的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)工程與周邊環(huán)境的良好銜接?？紤]到工程位于寒冷地區(qū)，冬季水面結(jié)冰，冰厚達(dá)0.8～1.2m，為了維持濕地冬季能夠正常運(yùn)行，選用氣動(dòng)盾形閘門作為生態(tài)塘泄水閘?；谝韵驴紤]：①閘前的冰體只能與氣動(dòng)盾形閘門的鋼閘板接觸，鋼閘板后面的橡膠氣袋在鋼閘板的保護(hù)下，不會(huì)受到冰體的破壞；②氣動(dòng)盾形閘門屬于具有一定的彈性空間非剛性閘門，兼有橡膠壩和鋼閘門的兩方面優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)鋼閘板受到冰推力時(shí)，氣袋會(huì)發(fā)生變形，從而釋放鋼閘板前的冰推力。

3.1 生態(tài)塘泄水閘調(diào)度方式

生態(tài)塘是納蓄污水進(jìn)行生物、植物降解的場所。在植物的生長季節(jié)，吸收水體中的有機(jī)物，在冬季對干枯的植物秸稈焚燒處理，避免植物在生態(tài)塘內(nèi)腐爛造成二次污染。生態(tài)塘閘門分為正常運(yùn)行工況和松花湖高水位運(yùn)行工況。本次生態(tài)濕地氣動(dòng)盾形閘門的功能設(shè)計(jì)，不僅是洪水期間的行洪通道，同時(shí)兼有非洪水期間水體進(jìn)行有氧、厭氧凈化的功能。生態(tài)塘水體經(jīng)氣動(dòng)盾形閘門時(shí)，以瀑布的形式跌落到消力池中，水體得了充分曝氣，使水體得到了進(jìn)一步的有氧凈化。

正常工況是指松花湖水位較低（低于260.0m）時(shí)濕地系統(tǒng)運(yùn)行狀況。該工況下，漂爾河不發(fā)生洪水時(shí)，河道流量在3m3/s左右，全部進(jìn)入人工濕地進(jìn)行處理，水體在濕地系統(tǒng)內(nèi)緩慢的流動(dòng)；當(dāng)漂爾河發(fā)生洪水時(shí)，進(jìn)入人工濕地進(jìn)行處理的最大流量5m3/s，其余部分進(jìn)入生態(tài)塘。生態(tài)塘雙向溢流泄水閘（6.0×20m）擋水高度260.0~262.0m，根據(jù)植物生長和水質(zhì)凈化的綜合需要進(jìn)行階段性調(diào)整，生態(tài)塘雙向溢流泄水閘控制生態(tài)塘達(dá)標(biāo)水體流入松花湖。

松花湖高水位工況是指松花湖水位高于260.0m時(shí)濕地系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。該工況下，抬升生態(tài)塘雙向溢流泄水閘擋水高度，避免松花湖水位上升對濕地造成沖擊。當(dāng)生態(tài)塘壩上雙向溢流閘門擋水高度調(diào)整至261.1m時(shí)，濕地系統(tǒng)容積為408.04×104m3，大于漂爾河、楊家溝2年一遇設(shè)計(jì)洪水的1d洪量之和392.4×104m3。

3.2 生態(tài)塘氣動(dòng)盾形閘門設(shè)計(jì)

雙向溢流閘氣動(dòng)盾形閘門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，泄流量為305.25m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，下泄流量為401.68m3/s。閘門具體參數(shù)見表1。

表1 雙向溢流閘門設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2.1 縱向布置

氣動(dòng)盾形閘門順?biāo)鞣较虿贾糜校荷嫌武伾w、閘室、下游消力池、海漫、防沖槽共5部分。

上游鋪蓋為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，標(biāo)號(hào)為C25W6F200。鋪蓋順?biāo)鞣较蜷L度為15.00m，鋪蓋厚為1.0m，鋪蓋上、下游設(shè)有深度為1.00m、底寬0.50m的齒墻，鋪蓋底部設(shè)有10cm厚素混凝土。

閘室底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，標(biāo)號(hào)為C25W6F200，順?biāo)鞣较蜷L度為16.00m，閘室中心線上游底板厚為2.70m，下游底板厚度2.38m。閘室上、下游設(shè)有深度為1.00m、底寬1.00m的齒槽，底部設(shè)有10cm厚素混凝土墊層。閘室下粘土層用毛石混凝土換基。

消力池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，標(biāo)號(hào)為C25W6F200。消力池由斜坡段和池身段兩部分組成，斜坡段與閘底板相接處設(shè)有底寬1.00m的齒槽，齒槽深度為1.90m；斜坡段坡比為1:4，斜坡段水平投影長度為12.92m，池身段長度為21.20m，消力池底板厚為1.20m，消力池尾部設(shè)有高2.40m、頂寬1.00m的消力坎。底部設(shè)10cm厚素混凝土墊層，30cm碎石墊層及無紡布。

海漫段為格柵石籠結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)一步消除水流經(jīng)消力池的剩余能量，且結(jié)構(gòu)又具有一定的柔性。海漫長30.00m，厚度為50cm。通常海漫段下鋪30cm卵石或碎石反濾層和400g/m2無紡布，為了提高海漫下墊層的透水量，厚度可以增加到50cm。海漫末段設(shè)有深2.00m的防沖槽，下游坡比為1:1，槽內(nèi)拋填大塊石。

海漫表層為格柵石籠，下層為塊徑2~5cm的卵石或碎石墊層，使海漫具有極強(qiáng)的透水性能，當(dāng)流出濕地的水體經(jīng)過氣動(dòng)盾形閘門板獲得曝氣得到有氧凈化后，在流出消力池進(jìn)入海漫時(shí)，水體迅速滲入海漫之下，在距離海漫下游末端3~5m的范圍，海漫表面完全沒有水體，流出濕地的水體完全在海漫下塊徑為2~5cm的卵石或碎石墊層中流動(dòng)，水體得到了厭氧凈化。

3.2.2 橫向布置

雙向溢流閘上游鋪蓋底板與擋墻為一體，為“U”型槽結(jié)構(gòu)；閘室段閘底板亦采用“U”型槽與左、右兩岸擋墻相接；消力池段進(jìn)行兩次擴(kuò)散，斜坡段與閘底板中心線成7°擴(kuò)散；池身段與閘底板中心線成42°擴(kuò)散；擴(kuò)散型消力池下游海漫的面積成倍增加，有利于流出濕地的水體下滲，使水體得到厭氧凈化。

3.2.3 閘門布置

閘門由門體結(jié)構(gòu)、埋件、氣袋和氣動(dòng)系統(tǒng)組成。門體擋水面是一排強(qiáng)化鋼板，氣袋支撐在鋼板下游面，利用氣袋的充氣或排氣控制門體起伏和支承閘門的擋水，并可精確控制閘門開度。閘門防腐按照《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》（SL105-95），采用噴鋼砂除銹及噴鋅處理，最后再涂刷防銹面漆。閘門全開時(shí)，門體全部倒臥在河底，不影響景觀、通航和水生動(dòng)物的洄游。閘門全關(guān)時(shí)，門頂可形成人工設(shè)計(jì)的各種溢流景觀。為了提高閘門冬季的抗冰推力性能，在鋼門板的頂邊緣加設(shè)橫梁，防止頂緣變形而導(dǎo)致頂緣失去整齊的美觀效果。

氣動(dòng)盾形閘門左、右岸邊墩采用U型槽鋼筋混凝土擋土墻型式，標(biāo)號(hào)為C25W6F200，邊墩頂寬均為1.00m，邊墩頂高程均與生態(tài)塘壩高程相同，擋墻、閘底為一整體結(jié)構(gòu)。

閘門高度確定：雙向溢流閘建成后，既要滿足松花湖低水位時(shí)，漂爾河、楊家溝洪水能正常宣泄；又要保證松花湖高水位時(shí)，上游濕地不受洪水破壞。根據(jù)人工濕地總體布局，綜合考慮上、下游水位關(guān)系，在保證閘門能夠安全可靠地運(yùn)行的前提下，確定氣動(dòng)盾形閘門設(shè)計(jì)擋水高度為6.00m，門頂可溢流，最大溢流高度為30cm。

閘門凈寬確定：氣動(dòng)盾形閘門的總寬度應(yīng)滿足調(diào)洪演算后宣泄洪水的要求，確定氣動(dòng)盾形閘門凈寬為20.00m，1孔。

3.3 消能防沖計(jì)算

氣動(dòng)盾形閘門完全開啟泄流后，與河床齊平，泄流能力按寬頂堰計(jì)算。閘孔凈寬20m時(shí)，20年一遇、50年一遇設(shè)計(jì)洪水下，氣動(dòng)盾形閘門完全倒臥泄洪，計(jì)算閘前設(shè)計(jì)水位見表2。

消能防沖計(jì)算考慮最不利工況，即消力池上游設(shè)計(jì)洪水位，下游無水。依據(jù)雙向溢流氣動(dòng)盾形閘門消力池池深、池長、消力池底板厚度、海漫長度、海漫末端沖刷深度等計(jì)算結(jié)果，參照《水工設(shè)計(jì)手冊》第6冊《泄水與過壩建筑物》中的經(jīng)驗(yàn)值，最終確定消能防沖設(shè)施為：消力池池深2.40m；池長21.20m；消力池底板厚度1.20m；海漫長度30.00m；下游防沖槽深度2.00m。

3.4 滲透穩(wěn)定計(jì)算

氣動(dòng)盾形閘門在底板上游設(shè)置了混凝土鋪蓋，閘基水平段從上游鋪蓋前沿到消力池排水孔處采用直線比例法計(jì)算滲徑長度L水平，閘基出口段用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算。閘基滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果列于表3，可見，水平段、出口段滲透坡降小于相應(yīng)允許坡降，閘基滿足滲透穩(wěn)定要求。

3.5 閘室穩(wěn)定計(jì)算

閘室段地基換填毛石混凝土，底板底面與地基摩擦系數(shù)f=0.65，分不同工況，取單寬底板驗(yàn)算基礎(chǔ)穩(wěn)定。最大、最小地基應(yīng)力比的允許值按中等密實(shí)考慮，基本組合為2.0，特殊組合為2.5。地勘報(bào)告給出此段砂礫石的承載力fak=400kPa，由表4可知，地基承載力及應(yīng)力比滿足要求；沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc的最小值為1.27，說明雙向溢流氣動(dòng)盾形閘門滿足抗滑穩(wěn)定要求。

3.6 氣動(dòng)盾形閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)盾形閘門控制系統(tǒng)由充、排氣系統(tǒng)和控制裝置兩部分組成。充、排氣系統(tǒng)具有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式。當(dāng)充氣達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的壓力后，停止供氣。停車時(shí)，必須先停止冷干機(jī)，后停止空壓機(jī)。壓力低于設(shè)計(jì)壓力范圍時(shí)，根據(jù)電氣自動(dòng)控制部分所設(shè)定的程序，系統(tǒng)自動(dòng)充氣?？刂葡到y(tǒng)采用PLC作為主控制器，由數(shù)字量IO模塊、模擬量IO模塊、通信模塊、電源、傳感器以及觸摸屏等組成。系統(tǒng)可以通過預(yù)先設(shè)定閘門擋水高度，在無人參與情況下，自動(dòng)控制閘門高度?；诳蓴U(kuò)展的PLC機(jī)型，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)語

旺起濕地氣動(dòng)盾形閘門的泄水、防護(hù)構(gòu)筑物設(shè)計(jì)，除了具有傳統(tǒng)的泄洪防沖的功能外，還具有對非洪水期間的過閘水體進(jìn)行有氧、厭氧水質(zhì)凈化功能。氣動(dòng)盾形閘門的這種設(shè)計(jì)方式，使泄水建筑物不僅是洪水期間的行洪通道，也是非洪水期間水體進(jìn)行有氧、厭氧凈化的場所。同時(shí)，在鋼閘板的頂邊緣加設(shè)橫梁，提高了寒冷地區(qū)閘門冬季的抗冰推力性能，可有效防止頂緣變形。

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TV663

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1672-5387（2017）05-0093-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.024

2017-03-17

鞏憲春（1964-），男，高級(jí)工程師，從事水工水力學(xué)模型試驗(yàn)、冰水力學(xué)問題研究工作。