侯放鳴 郭云峰 劉雪松

近年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)越來(lái)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(gè)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(mén)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(mén)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已成為金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的一個(gè)主要發(fā)展方向。這些閘門(mén)不僅要求設(shè)計(jì)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(lèi)新型閘門(mén)在國(guó)內(nèi)工程中運(yùn)用較少。氣動(dòng)盾型閘就是在引進(jìn)美國(guó)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，部分實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的新型閘門(mén)之一。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與原理

氣動(dòng)盾形閘系統(tǒng)主要由鋼閘門(mén)、可充氣強(qiáng)化橡膠氣袋、埋件、氣動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它是利用空氣壓縮的原理，通過(guò)對(duì)氣袋的充氣與排氣，驅(qū)動(dòng)鋼閘門(mén)升起與倒伏，以維持特定的水位高度，可在設(shè)計(jì)水位內(nèi)實(shí)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(mén)

氣動(dòng)盾形閘的鋼閘門(mén)由面板、加強(qiáng)筋板、底軸組成。面板材料系高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，迎水側(cè)設(shè)有加強(qiáng)筋板，以增強(qiáng)面板的強(qiáng)度。底軸是鋼閘門(mén)起伏時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)支撐件，與鋼閘門(mén)固定連接。閘門(mén)全升起時(shí)與水平面保持60°～75°夾角，閘門(mén)上端設(shè)有破波板，減少水流下方的負(fù)壓，避免產(chǎn)生振動(dòng)，閘門(mén)面板設(shè)計(jì)有一定弧度，在完全倒伏時(shí)可以覆蓋氣袋，起到保護(hù)氣袋的作用。起升至設(shè)定高度時(shí)，可以通過(guò)溢流形成瀑布景觀。

鋼閘門(mén)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(shí)鋼閘門(mén)向上游傾倒，安裝加強(qiáng)抑制帶時(shí)還可實(shí)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(qiáng)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(wú)縫，一邊開(kāi)口，開(kāi)口處呈楔形，需承受較高的耐壓。氣袋底部設(shè)進(jìn)排氣嘴，可通過(guò)壓縮機(jī)充氣。充氣后鼓起，驅(qū)動(dòng)鋼閘門(mén)起升。放氣后鋼閘門(mén)因自重而倒伏，完全覆蓋氣袋。擋水超過(guò)一定高度時(shí)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(shí)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(guò)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(kāi)口一邊，使氣袋固定并密封，壓緊的鉸鏈蓋板與鋼閘門(mén)底軸連接，使鋼閘門(mén)可以沿底軸作扇形運(yùn)動(dòng)。

4.氣動(dòng)系統(tǒng)

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

5.控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)閘起升和倒伏的自動(dòng)控制，通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)鋼閘門(mén)位置角度，調(diào)節(jié)氣袋進(jìn)氣量，保證鋼閘門(mén)單元之間同步起升和倒伏，還可預(yù)設(shè)閘門(mén)位置高度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高度數(shù)據(jù)，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溢流流速和流量以作參考。另外還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻監(jiān)視等功能。

二、主要性能和特點(diǎn)

①根據(jù)目前氣袋制造工藝能力，氣動(dòng)閘最高擋水高度可達(dá)10m，寬度可達(dá)數(shù)百米，可以說(shuō)在高水頭大跨度可起伏的擋水設(shè)備方面，氣動(dòng)閘填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。近期安裝完成的貴陽(yáng)南明河氣動(dòng)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(zhǎng)的同類(lèi)閘壩。

②氣動(dòng)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(shí)形成寬闊的人工設(shè)計(jì)瀑布，為城市增添景觀。

③氣袋和鋼閘門(mén)都是組合單元式設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了安裝過(guò)程，使維修過(guò)程簡(jiǎn)便易行。

④閘門(mén)倒伏時(shí)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(dòng)，且水中漂浮物、冰塊和礫石容易流過(guò)，不會(huì)堵塞河道。

⑤整個(gè)閘門(mén)由多組強(qiáng)化鋼閘門(mén)和氣袋單元連接而成，長(zhǎng)度不受限制，也不需要中間墩座，可最大程度地提高過(guò)水面，即使在失電的情況下也可以手動(dòng)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(dòng)，橡膠氣袋可達(dá)到食品級(jí)，沒(méi)有任何油污，沒(méi)有排放物，不會(huì)造成河水和環(huán)境的污染。

⑦支撐氣袋的鋼閘門(mén)作為氣袋的護(hù)盾，保護(hù)氣袋，避免被浮木、礫石、冰塊等雜物破壞，使用壽命長(zhǎng)，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(mén)時(shí)，氣袋可通過(guò)壓力傳感器自動(dòng)釋放壓力，保護(hù)鋼閘門(mén)不致于損壞。

⑨在生態(tài)方面，氣動(dòng)閘在運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生振動(dòng)，可作為魚(yú)道使水生物上下游動(dòng)，也可作為船閘。

⑩氣動(dòng)閘可通過(guò)閘門(mén)下游側(cè)的抑制帶對(duì)鋼閘門(mén)的限制作用實(shí)現(xiàn)雙向擋水，這也是其他類(lèi)型閘門(mén)不能實(shí)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(dòng)閘

該項(xiàng)目是2008年北京奧運(yùn)會(huì)的配套工程，位于北京市北五環(huán)外的清河上，閘門(mén)寬45m，擋水高度2.5m。由9個(gè)單元組合而成，相鄰單元之間用止水封進(jìn)行連接。控制房?jī)?nèi)設(shè)置了兩臺(tái)功率為15kW的空壓機(jī)，閘門(mén)上設(shè)置傾斜儀，可以對(duì)閘門(mén)升起高度進(jìn)行控制。該工程被北京市水利局評(píng)為優(yōu)質(zhì)工程。

2.貴州德江玉龍湖氣動(dòng)閘項(xiàng)目

該項(xiàng)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(xiàng)目之一。該項(xiàng)目基礎(chǔ)壩基高4m，壩基之上氣動(dòng)閘擋水高度3m，跨度50m。水位高度可任意調(diào)節(jié)。溢流時(shí)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(xiàng)目的實(shí)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€(gè)休閑娛樂(lè)的好場(chǎng)所。

3.貴陽(yáng)南明河綜合治理工程氣動(dòng)閘項(xiàng)目

該項(xiàng)目是貴州省貴陽(yáng)市城市水環(huán)境整治工程的一部分，項(xiàng)目由4座擋水高度8m、寬60m的氣動(dòng)閘組成，采用雙氣袋，每座氣動(dòng)閘分6個(gè)單元，每個(gè)單元10m。氣袋長(zhǎng)10m，重近10t，閘門(mén)采用不銹鋼，每扇門(mén)由4片2.5m的單元門(mén)組成，單元門(mén)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(dòng)閘。該項(xiàng)目2013年3月開(kāi)始施工，9月全部投入運(yùn)行。目前，該項(xiàng)目以其獨(dú)特的水域風(fēng)景成為貴陽(yáng)的新城市名片。

四、應(yīng)用前景

目前國(guó)內(nèi)水利工程中尚沒(méi)有適合大跨度高水頭可隨意起伏的閘門(mén)產(chǎn)品的應(yīng)用，氣動(dòng)盾形閘門(mén)將填補(bǔ)這一空白，為大跨度高水頭水工閘門(mén)提供了新的設(shè)計(jì)思路，其環(huán)保、簡(jiǎn)便、安全、美觀的特性得到各界高度評(píng)價(jià)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(shí)的增強(qiáng)，具有減少污染物排放、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)防洪、供水、灌溉等多功能的水利設(shè)施的需求將會(huì)越來(lái)越大。氣動(dòng)盾形閘門(mén)這項(xiàng)先進(jìn)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(yuǎn)的意義，相信它將在我國(guó)水利事業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重大的作用。