高水頭環(huán)境下氣動盾形閘門安全性研究

常 富，冀振亞，耿長興，胡 博

(水利部長春機械研究所，長春 130012)

我國臺灣地區(qū)于2000年左右開始取得氣動盾形閘門在亞洲的代理權(quán)，2006年前后，國內(nèi)通過臺灣地區(qū)的代理方引進該技術(shù)，先后在北京的清河和新鳳河進行示范應(yīng)用，效果良好。但初期在國內(nèi)水利工程中的推廣應(yīng)用極不順利，一是作為新生事物，大家對其可靠性和技術(shù)成熟度有所懷疑，這需要一個逐步適應(yīng)的過程；二是作為核心部件的氣袋及橡膠附件、控制系統(tǒng)等需要進口，整體造價高昂，后期維護不便；三是國內(nèi)企業(yè)沒有掌握相關(guān)核心技術(shù)，也成為其在國內(nèi)大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用的瓶頸。

經(jīng)過十幾年的快速發(fā)展，國內(nèi)氣動盾形閘門技術(shù)逐漸完善成熟，并已先后在北京、山東、陜西、甘肅、新疆、河南、貴州等二十余省市做了上百座工程，其優(yōu)異的性能、良好的生態(tài)景觀效果、較高的使用壽命等特性，贏得了市場的廣泛贊譽。從最初的低水頭閘門(擋水高度0～4 m含4 m)，已發(fā)展出高水頭閘門(擋水高度4～8 m含8 m)，擋水高度的顯著變化，顯然對氣動盾形閘門的系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)及運行安全等方面提出了更高的要求。筆者將在本文中著重探討此問題，以期為廣大氣動盾形閘門設(shè)計人員及工程應(yīng)用單位提供參考。

1 低、高水頭劃分依據(jù)

隨著氣動盾形閘門擋水高度的增加，一個是閘門及氣袋的結(jié)構(gòu)尺寸變大，另一個水對閘門的壓力也成指數(shù)性增長，這樣帶來的結(jié)果是氣袋圓弧半徑及其內(nèi)壓力不斷增加。氣袋充氣后線張力的簡化公式為T=PR，P為氣袋內(nèi)充氣壓力，R為氣袋圓弧半徑。當氣袋充氣壓力P和氣袋圓弧半徑R增加到一定程度后，T值會顯著增加，最終超出現(xiàn)有氣袋所能承受的極限拉力，從表1中可直觀地看出這種變化規(guī)律。

表1 不同擋水高度下水對閘門壓力及氣袋相關(guān)參數(shù)對比

氣動盾形閘門設(shè)計中氣袋的安全系數(shù)為8倍，從表1中可知，在8倍安全系數(shù)下，擋水高度4 m時氣袋線張力為13 868 N/cm，如使用國內(nèi)某橡膠公司生產(chǎn)的氣袋，其單層骨架的抗拉強度為3 000 N/cm，氣袋中骨架層采用5層，可滿足設(shè)計要求，但當擋水高度4.5 m時，8倍氣袋線張力達18 934 N/cm，顯然已超出了單氣袋所能承受的極限拉力，需要采用雙氣袋的形式解決此問題。

因此，我們根據(jù)現(xiàn)有市場氣袋材料所能承受的拉力情況，以單氣袋所能支撐的最大擋水高度4 m為分界點，擋水高度4 m以下(含4 m)，采用單氣袋形式稱為低擋水頭氣動盾形閘門，擋水高度4～8 m(含8 m)，采用雙氣袋的形式稱為高擋水頭氣動盾形閘門。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 氣袋結(jié)構(gòu)形式研究

氣袋是氣動盾形閘門中最為關(guān)鍵的核心部件之一，氣袋安全與否，直接關(guān)系到整個閘門工程的可靠性與安全性，所以要研究高水頭氣動盾形閘門的安全性，最核心的問題就是氣袋的結(jié)構(gòu)安全問題。支撐閘門的氣袋最大工作壓力為：

式中：P為氣袋最大工作壓力，MPa；F為氣袋對閘門的支持力，N；A為氣袋支撐閘門面積。又由氣袋線張力公式T=PR得：

(1)

從式(1)中我們可以看出，氣袋線張力T與氣袋對閘門的支持力F及氣袋圓弧半徑R成正比，與氣袋對閘門的支撐面積A成反比。氣袋對閘門的支持力與水對閘門的壓力和閘門有關(guān)，擋水高度增加，閘門對氣袋的壓力必然增大，氣袋線張力也會隨之增大，所以想要減小氣袋線張力，只能減小氣袋圓弧半徑R，同時增大氣袋對閘門的支撐面積A。

經(jīng)研究，減小氣袋圓弧半徑、增大氣袋支撐閘門面積最有效的方法，就是將單氣袋的形式設(shè)計為雙氣袋結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

以圖1中結(jié)構(gòu)對比為例，閘門擋水高度均為4.5 m。由表1中可知，采用單氣袋結(jié)構(gòu)形式氣袋圓弧半斤R1=1.104 m，氣袋壓力P1=0.214 MPa，線張力T1=2 366.8 N/cm；采用雙氣袋結(jié)構(gòu)形式氣袋圓弧半徑R2=0.669 m，氣袋支撐閘門面積A2=9.66 m2，氣袋對閘門的支持力F2=9.94×105N，雙氣袋內(nèi)壓力為：

雙氣袋線張力：

T2=P2·R2=0.103×106×0.669=68 797 N/m=687.97 N/cm。

由此可見，高水頭環(huán)境下，采用雙氣袋結(jié)構(gòu)形式的氣動盾形閘門明顯比采用單氣袋結(jié)構(gòu)形式的氣動盾形閘門氣袋壓力及線張力要小，從而顯著降低閘門系統(tǒng)的設(shè)計難度與風險，提高了閘門系統(tǒng)的可靠性與安全性。

(a)單氣袋形式

(b)雙氣袋形式圖1 擋水高度相同條件下采用單、雙氣袋不同形式氣動盾形閘門結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 閘門門體

氣動盾形閘門的門體結(jié)構(gòu)主要由面板和加筋板組成，門體材質(zhì)應(yīng)選用高強度結(jié)構(gòu)鋼，在上游側(cè)設(shè)置加筋板，并適當增加面板及加筋板的板厚，提高門體結(jié)構(gòu)強度。閘門面板被設(shè)計成弧形，這樣在閘門升起時即可以增加閘門與氣袋的接觸面積，改善受力狀況，也可更好地保護氣袋不受傷害?？偟膩碚f，氣動盾形閘門的門體結(jié)構(gòu)比較簡單，受力狀況也不復(fù)雜，不容易出現(xiàn)問題。

2.3 夾具

夾具是連接氣袋、橡膠鉸鏈與閘門的關(guān)鍵部件，通過主錨栓，就可以將上述各零部件牢牢地固定在混凝土基礎(chǔ)上。夾具一般通過精鑄而成，材質(zhì)選擇性能較好的球墨鑄鐵或鑄鋼，以提高夾具強度。夾具螺栓孔中心線由原來與夾具橫向中心線重合改為離連接閘門一側(cè)距離較近、離另一側(cè)距離較遠的不對稱布置形式，并且將離閘門較遠一側(cè)予混凝土基礎(chǔ)相接觸，從而將由閘門一側(cè)傳予夾具的水平力傳導(dǎo)與地基上，可降低夾具螺栓受力，提高螺栓可靠性。

2.4 安全限位裝置

安全限位裝置主要由安全限位帶、壓板、螺栓組成，是防止氣動盾形閘門在充氣過程中閘門超出預(yù)定位置的安全保護裝置。一旦閘門超出預(yù)定高度位置，安全限位帶將受力繃緊，限制閘門進一步起升，防止閘門翻轉(zhuǎn)。為保證足夠的安全系數(shù)，安全限位帶的數(shù)量可由低水頭時的2條設(shè)計增為3條或更多條。

在安全限位裝置的安裝形式上，可以將壓板由水平安裝改為與安全限位帶拉力方向垂直安裝，并將錨栓位置向靠近受力方向一側(cè)偏移，如圖2所示，從而使錨栓由水平+豎直的復(fù)合受力變?yōu)閱我徽Γ纳棋^栓受力環(huán)境。

(a)低水頭安全限位帶固定形式

(a)高水頭安全限位帶固定形式圖2 低、高水頭安全限位帶固定形式對比

3 控制系統(tǒng)研究

3.1 閘門監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由閘門角度監(jiān)控、氣動系統(tǒng)壓力監(jiān)控、水位監(jiān)測、視頻監(jiān)控系統(tǒng)4個單元組成，各單元將采集到的數(shù)據(jù)實時傳送至現(xiàn)地和遠程控制中心，完成對氣動盾形閘門在運行過程中的有效監(jiān)控。

閘門角度監(jiān)控：每扇閘門下都配備有一個角度傳感器，時時監(jiān)測閘門起伏角度，以更準確地控制閘門在運行過程中所處位置，防止過操作。

系統(tǒng)壓力監(jiān)控：供氣系統(tǒng)對3個位置的壓力進行監(jiān)控，一是起源供氣壓力，二是經(jīng)減壓后的管道壓力，三是氣袋內(nèi)工作壓力。可以時時全面掌握充氣階段、工作階段、放氣階段氣動系統(tǒng)工作狀況，及時反饋出現(xiàn)的問題，將隱患消除在萌芽階段。

水位監(jiān)測：水位監(jiān)測選用浮子式液位計，在閘門上游側(cè)護坡處開設(shè)進水孔，將浮子式液位計放置于專門的管道井內(nèi)，可以時時準確地反映當前水位，當水位未達到預(yù)定高度，可以反饋給控制系統(tǒng)，停止供氣或排氣，達到精確控制水位。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)：視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由攝像、傳輸、顯示、記錄4部分組成，攝像頭分別布置在閘門河岸兩側(cè)及現(xiàn)地控制房內(nèi)，在河岸兩側(cè)的上下游各布置一組攝像頭。監(jiān)控到的視頻畫面可同步顯示于現(xiàn)地與遠程監(jiān)控中心，以便全面、準確地掌握閘門的實際運行情況。

3.2 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元主要由PLC來完成，各監(jiān)控單元將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)時時傳送至控制器內(nèi)，通過PLC進行分析判斷，下達充氣、排氣控制指令，操作閘門起升蓄水或是倒伏排水。在PLC控制箱內(nèi)設(shè)置手動控制和自動控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，自動控制在觸摸屏或遠程計算機上實現(xiàn)。自動和手動控制可自由切換，防止因某個電磁閥或傳感器損壞無法正常供氣或排氣的情況發(fā)生，而且在控制房完全斷電的情況下，也可手動排氣使閘門立即倒伏放水，保證閘門系統(tǒng)的絕對安全。

3.3 遠程監(jiān)控

基于當下先進的移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，氣動盾形閘門遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用GPRS無線通訊系統(tǒng)。

GPRS(General Packet Radio Service)即通用無線分組業(yè)務(wù)，這是一種分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS具有實時在線、按量計費、快速登錄、高速傳輸、自如切換的優(yōu)點。現(xiàn)場終端采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)空中接口功能模塊，可以對數(shù)據(jù)進行編解碼處理，轉(zhuǎn)換成Internet網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送格式，通過中國移動通信公司的GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，最終傳送到監(jiān)控中心。各終端使用GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連，監(jiān)控中心同時對各點進行登記，保存相關(guān)資料以便于管理，如圖3所示。

圖3 氣動盾形閘門無線通信系統(tǒng)示意圖

這樣就可以在遠程服務(wù)器或者智能手機上安裝監(jiān)控APP軟件，實現(xiàn)隨時隨地的監(jiān)控，極大地提高了氣動盾形閘門監(jiān)控的實時性和先進性。

4 結(jié)語

氣動盾形閘門是一種新型、環(huán)保的水利設(shè)施，其技術(shù)先進成熟、美觀環(huán)保、安全可靠、施工期短、使用壽命長，可廣泛應(yīng)用于河道治理、水庫排污排漂、壩頂加高、海口防潮、引水灌溉、防洪排澇、城市景觀等工程。當閘門全部倒臥在河底時，可高效泄水，不影響景觀和通航，且魚類等水生物還可回游，保護生態(tài)。當閘門起升全關(guān)閉時，可以蓄水，超過設(shè)定水位時，可形成溢流瀑布景觀。隨著國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，高水頭氣動盾形閘門也必將得到廣大用戶的一致認可和應(yīng)用。