陳東清

（江河機(jī)電裝備工程有限公司 北京 100070)

1 前言

隨著我國(guó)大規(guī)模的水利工程建設(shè)，閘門(mén)得到廣泛的運(yùn)用。閘門(mén)是水工建筑物的重要組成部分之一，用來(lái)控制水位，調(diào)節(jié)流量，是蓄水及引水建筑物中必不可少的組成部分。在水利工程中鋼制閘門(mén)的種類(lèi)比較多，其主要適用于高水頭的水利工程，低水頭的水利工程則不夠經(jīng)濟(jì)。其共性通常表現(xiàn)為門(mén)體厚重，跨度不宜太大，在河道上需要建造閘墩、工作橋，配置啟閉機(jī)，壩基建設(shè)結(jié)構(gòu)相應(yīng)復(fù)雜,造價(jià)較高，使用年限較長(zhǎng)。鋼閘門(mén)的連接方式大多均采用剛性連接。如遇洪水泥沙淤積或地震變形將影響閘門(mén)的啟閉功能,無(wú)法實(shí)現(xiàn)安全泄洪。低水頭的水利工程的閘門(mén)型式有多種，傳統(tǒng)常見(jiàn)的有橡膠壩和水力自控翻板閘。隨著當(dāng)代新材料，新工藝在水利工程上的推廣應(yīng)用，正確的閘門(mén)選型對(duì)水利工程效益的發(fā)揮也更重要。氣動(dòng)盾形閘門(mén)是一種新型先進(jìn)的低水頭的擋水建筑物，與橡膠壩、水力自控翻板閘應(yīng)用方案相比其優(yōu)勢(shì)明顯。本文從橡膠壩、水力自控翻板閘和氣動(dòng)盾形閘各自的組成、原理和性能特點(diǎn)等方面，闡述氣動(dòng)盾形閘在現(xiàn)代水利工程應(yīng)用中的優(yōu)越性。

2 橡膠壩

2.1 橡膠壩組成和原理

橡膠壩是20世紀(jì)50年代末，隨著高分子合成材料工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種水工建筑物。其主要由壩袋、錨固結(jié)構(gòu)、充排設(shè)備、安全及觀測(cè)裝置等組成。橡膠壩是用高強(qiáng)力合成纖維織物做受力骨架，內(nèi)外涂敷合成橡膠作粘結(jié)保護(hù)層，加工成膠布，按要求的尺寸，錨固在混凝土基礎(chǔ)底板上，成封閉袋形，用水、氣或者水氣混合介質(zhì)的壓力充脹起來(lái)，形成擋水壩。不需要擋水時(shí)，泄空壩內(nèi)的水或氣，恢復(fù)原有河渠的過(guò)流斷面。

2.2 橡膠壩的優(yōu)點(diǎn)

橡膠壩有充水式、充氣式和氣水混合三種形式，目前我國(guó)的橡膠壩工程主要以充水橡膠壩為主。與常規(guī)鋼閘門(mén)相比，橡膠壩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以合成纖維織物和橡膠制成的薄壁柔性結(jié)構(gòu)，代替鋼、木材及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于不需要修建工作橋和安裝啟閉機(jī)等鋼和鋼筋混凝土水上結(jié)構(gòu)，節(jié)約了三材，造價(jià)低，施工期短，橡膠壩的壩袋是先在工廠加工制造，然后運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)安裝，施工工藝簡(jiǎn)單，因此施工速度快，工期一般為3-6個(gè)月?？拐鹦阅茌^好，橡膠壩的壩體為柔性薄殼結(jié)構(gòu)，富有彈性，能抵抗一定的波浪沖擊。主要適用于低水頭、大跨度的閘壩工程，如用于水庫(kù)溢洪道上作為閘門(mén)或活動(dòng)溢流堰，以增加水庫(kù)庫(kù)容及發(fā)電水頭；用于河道上作為低水頭、大跨度的滾水壩或溢流堰，可以不用常規(guī)閘的啟閉機(jī)、工作橋等；用于渠系上作為進(jìn)水閘、分水閘、節(jié)制閘，能夠起到蓄水和調(diào)節(jié)水位的功能。

2.3 橡膠壩的缺點(diǎn)

橡膠壩在水利工程中應(yīng)用的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的。首先橡膠壩容易被樹(shù)枝、礫石等尖銳物體劃破，故橡膠壩前期選址比較苛刻,要選擇過(guò)壩水流平順的、河床岸坡穩(wěn)定的河段, 建造前大部分都要預(yù)先整治河道，以延長(zhǎng)其使用壽命。橡膠壩因單元長(zhǎng)度制造限制不宜過(guò)長(zhǎng)，通常橡膠壩單跨長(zhǎng)度為50-100m，對(duì)于漂浮物等較多的河段單跨長(zhǎng)度以 20-30m為宜。當(dāng)河道跨度較大時(shí)，河道中間需要建造混凝土壩墩，所以會(huì)增加土建費(fèi)用。橡膠壩壁薄性柔，溢流時(shí)由于水流的不穩(wěn)定性，易誘發(fā)壩袋振動(dòng)，它比一般結(jié)構(gòu)的振動(dòng)更為復(fù)雜。壩袋振動(dòng)易導(dǎo)致其磨損，甚至發(fā)生脫層、撕裂，嚴(yán)重的會(huì)破壞整個(gè)壩體。橡膠壩適應(yīng)山區(qū)洪水特性差，由于山區(qū)洪水含沙量較大，垃圾、樹(shù)枝等鋒利的雜物較多，壩袋易被損壞。在汛期來(lái)臨之前，需將壩袋坍平，以便保護(hù)壩袋。即便如此，洪水過(guò)后很多壩袋受損，需要維修，甚至整體更換。一般情況下，如果橡膠壩袋破損較輕，破洞直徑較小尚可修補(bǔ)；如果橡膠壩受損面積過(guò)大或是多處破損，則需更換整座橡膠壩。在修補(bǔ)時(shí)必須空庫(kù)或做圍堰維修，維修成本很高。影響泄洪斷面，橡膠壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求壩的底坎高20cm，另塌壩時(shí)橡膠壩內(nèi)的水不能完全放盡，形成不低于 20cm的高度，兩者相加塌壩時(shí)在河流斷面形成不低于 40cm的阻水?dāng)嗝?，影響泄洪流量。橡膠壩在啟動(dòng)時(shí)速度較慢，一般充壩的時(shí)間需要2-3小時(shí)，坍壩也要1-2小時(shí)。在遇到突發(fā)洪水時(shí)，常因不能及時(shí)坍壩，造成洪水漫灘或漫壩的嚴(yán)重后果。壩頂溢流不能超過(guò)50cm，橡膠壩設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)此明確規(guī)定，否則也易出現(xiàn)跨壩事件。橡膠壩自動(dòng)化程度不高，一般難實(shí)現(xiàn)集中網(wǎng)絡(luò)控制。橡膠壩作為河道景觀時(shí)，每次升壩或塌壩后各種殘骸遺留在壩袋上給景觀帶來(lái)極大影響，運(yùn)行單位每次都派人進(jìn)行擦洗，工作量較大。在寒冷地區(qū)橡膠壩需要注意防凍害，在冰凍期，不需擋水的橡膠壩，需要保持自然坍落狀態(tài)，入冬前放空壩袋內(nèi)及管道內(nèi)的積水。冬季運(yùn)行的擋水橡膠壩，需要采取壩前破冰的辦法，否則將對(duì)橡膠壩造成致命的損壞，一旦結(jié)冰就必須做好刨冰工作，在壩前開(kāi)鑿一條小槽，防止冰凍壓力對(duì)壩體的作用，而刨冰工作完全依靠人工完成，既耗時(shí)又耗力，且給管理帶來(lái)極大的不便。在此期間不可調(diào)節(jié)壩高，需待壩袋內(nèi)的冰凌融化后，方可沖脹或坍壩。同時(shí)不能讓冰凌在橡膠壩上溢流，結(jié)實(shí)而鋒利的冰塊很可能把橡膠壩劃破。橡膠壩一般10-15年需要更換壩袋，使用壽命低。

橡膠壩需要根據(jù)天氣預(yù)報(bào)情況預(yù)先塌壩，給實(shí)際調(diào)度運(yùn)行帶來(lái)一定的難度。所以橡膠壩的運(yùn)行管理維護(hù)工作非常重要，為了能夠使橡膠壩安全穩(wěn)定的運(yùn)行，需要建立一個(gè)管理機(jī)構(gòu)，制定一整套檢查與維修方案，以延長(zhǎng)橡膠壩的使用壽命，其管理運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高。

3 傳統(tǒng)水力自控翻板閘

3.1 水力自控翻板閘的組成和原理

傳統(tǒng)水力自控翻板閘由閘門(mén)門(mén)體、支鉸或者連桿裝置、閘前防護(hù)墩、閘后支墩和檢修便橋等組成，其運(yùn)行機(jī)理為利用閘前閘后水壓差及門(mén)體自重，合理設(shè)置支承運(yùn)行限位機(jī)構(gòu)，自動(dòng)控制閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。

3.2 水力自控翻板閘的優(yōu)點(diǎn)

水力自控翻板閘門(mén)無(wú)需人為控制，能夠在洪水位與正常擋水位相差較大時(shí)自動(dòng)將閘門(mén)迅速打開(kāi)，節(jié)省閘門(mén)的啟閉設(shè)備。在正常情況下保持關(guān)閉狀態(tài)，能夠保證上游景觀水位；降低水面線，保證了行洪安全。在自動(dòng)翻板泄水時(shí)能夠?qū)⑸嫌斡俜e帶走。傳統(tǒng)水力自動(dòng)控制翻板閘同時(shí)具有造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工期短等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 水力自控翻板閘的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)水力自控翻板閘在多年的應(yīng)用實(shí)踐中，缺點(diǎn)明顯。由于其運(yùn)行工況的特殊性，開(kāi)門(mén)泄洪時(shí)翻板門(mén)體斜臥于水中，受復(fù)雜的門(mén)頂和門(mén)底高速水流的影響而產(chǎn)生“拍打”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)使閘門(mén)產(chǎn)生越來(lái)越大幅度的擺動(dòng)，以致不能控制，從而使閘門(mén)失衡?！芭拇颉爆F(xiàn)象時(shí)，易導(dǎo)致閘門(mén)門(mén)坎結(jié)構(gòu)毀壞，甚至使閘門(mén)、基礎(chǔ)全部破壞。水力自控翻板閘易受淤沙或者漂浮物的影響而開(kāi)啟失靈，由于翻板門(mén)采用中間支鉸結(jié)構(gòu)，門(mén)前泥沙力矩為啟門(mén)阻力矩，有時(shí)致使水力不能正常開(kāi)啟閘門(mén)。當(dāng)翻板門(mén)打開(kāi)一段時(shí)間，上游水位下降后，需要自動(dòng)關(guān)門(mén)時(shí)，如果泥沙、石頭在閘門(mén)底部或樹(shù)枝等硬物卡在轉(zhuǎn)動(dòng)支鉸部位時(shí)，閘門(mén)將無(wú)法自動(dòng)關(guān)閉。一般情況因?yàn)榭紤]自重翻門(mén)，門(mén)體會(huì)比較厚，當(dāng)翻倒泄洪時(shí)，中間形成一道很厚的阻水面，嚴(yán)重影響泄洪斷面，而且翻板門(mén)中間需要閘墩，更進(jìn)一步影響泄洪斷面。洪水期間翻板閘突然翻倒，下泄流量很大，易造成閘門(mén)后沖刷，因此對(duì)閘室基礎(chǔ)、消力池和海漫要求較高，增加了工程投資。翻板閘安全性較差，經(jīng)不住特大洪水的沖擊，其被沖毀的案例時(shí)有發(fā)生。翻板門(mén)工作原理靠水壓與自重平衡的作用使門(mén)體自動(dòng)打開(kāi)，不能人為的控制水位，管理不便。在水位驟升時(shí)，其開(kāi)閉具有突然性，形成一次“非自然”的洪峰，對(duì)下游的生命、財(cái)產(chǎn)造成一定的危險(xiǎn)性；在洪水到來(lái)時(shí)，泥沙淤積或其它漂浮物卡阻造成閘門(mén)不能打開(kāi)，可能引起重大事故。生態(tài)功能差，閘門(mén)突然翻轉(zhuǎn)會(huì)淹沒(méi)兩岸的水鳥(niǎo)巢，破壞大自然生態(tài)。本身無(wú)魚(yú)道，破壞水生態(tài)的平衡。

水力自控翻板閘門(mén)的運(yùn)行情況較差。閘門(mén)易受水上漂浮物的影響而開(kāi)啟失靈，特別是在汛期，如果洪水到來(lái)時(shí)閘門(mén)不能自動(dòng)開(kāi)啟，會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難，所以在汛期，特別是臺(tái)風(fēng)暴雨來(lái)臨之前，加強(qiáng)對(duì)翻板閘的日常巡視維護(hù)管理，及時(shí)清理閘門(mén)前后的有礙閘門(mén)開(kāi)啟的漂浮物，增加了運(yùn)行管理工作量，其管理運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高。

4 氣動(dòng)盾形閘

4.1 氣動(dòng)盾形閘的組成和原理

氣動(dòng)盾形閘是綜合傳統(tǒng)翻板閘及橡膠壩的優(yōu)點(diǎn)成功研制的一種新型先進(jìn)的擋水建筑物。氣動(dòng)盾形閘由門(mén)體鋼結(jié)構(gòu)、埋件、氣袋、空壓系統(tǒng)和閘門(mén)控制系統(tǒng)等組成，是利用空氣壓縮的原理，通過(guò)對(duì)氣袋的充氣或排氣，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)升起或倒伏，可維持特定的水位高度，并在設(shè)計(jì)水位內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意水位高度的調(diào)節(jié)，允許閘門(mén)頂部溢流。

4.2 氣動(dòng)盾形閘的優(yōu)點(diǎn)

氣動(dòng)盾形閘不僅能夠滿(mǎn)足常規(guī)功能的要求，而且能夠有效維護(hù)生態(tài)環(huán)境，與周?chē)h(huán)境相協(xié)調(diào)，滿(mǎn)足水利工程生態(tài)化、景觀化的要求。氣動(dòng)盾形閘的應(yīng)用改變了以往大跨度閘門(mén)制造工藝復(fù)雜、安裝困難、投資大這一傳統(tǒng)觀念，為大跨度水工閘門(mén)提供了新的設(shè)計(jì)思路，具有投資效益高，故障率低，易于維護(hù)，使用安全、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種先進(jìn)、高效、節(jié)能、環(huán)保的水利設(shè)施。

4.3 橡膠壩、水力自控翻板閘與氣動(dòng)盾形閘的應(yīng)用方案比較

與橡膠壩和傳統(tǒng)水力自控翻板閘在水利工程中的應(yīng)用相比較，氣動(dòng)盾形閘是一種新型環(huán)保的水利設(shè)施，在保留了傳統(tǒng)自控翻板閘和橡膠壩的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，有效的彌補(bǔ)了它們不足。

氣動(dòng)盾形閘很好地克服了橡膠壩嚴(yán)格選擇壩址及河川整治的問(wèn)題。建造時(shí)基本不需要前期的河川整治，因?yàn)殚l門(mén)上游面采用鋼盾擋水保護(hù)壩袋，壩袋不會(huì)因上游的各類(lèi)漂浮物而損壞，從而節(jié)省了工程前期的投資。其采用先進(jìn)的組合式設(shè)計(jì)，在布置上不受河道寬度限制，即使在較寬的河道上，也無(wú)須設(shè)置中間閘墩、工作橋、維修廊道和啟閉機(jī)設(shè)備，地基也相對(duì)簡(jiǎn)單，進(jìn)一步降低了造價(jià)。

氣動(dòng)盾形閘泄洪能力強(qiáng)，克服了傳統(tǒng)水力自控翻板閘卡阻、阻水?dāng)嗝娲蠹啊芭拇颉爆F(xiàn)象的缺點(diǎn)，很好解決了橡膠壩壩袋易被各種漂浮物劃破損壞、底檻及泄水時(shí)壩袋阻水的問(wèn)題。氣動(dòng)盾形閘由若干模塊化的盾形鋼閘門(mén)及氣袋組合而成，組合式的結(jié)構(gòu)可任意延長(zhǎng)，可適用于不同跨度的河道。其在整個(gè)河道寬度范圍內(nèi)可完全倒伏于河床底部，泄水面幾乎與河道寬度一致，可實(shí)現(xiàn)大面積高效率泄水。氣動(dòng)盾形閘翼型結(jié)構(gòu)和閘底鉸鏈的設(shè)計(jì)亦使得泥沙、樹(shù)枝、冰塊、浮木及其它雜物容易流過(guò)，不易造成阻塞。閘的門(mén)體加筋板兼導(dǎo)流功能，可平順?biāo)鞑p少?zèng)_刷。該種閘采用破波等特殊設(shè)計(jì)，能夠有效的防止震動(dòng)，避免了震動(dòng)對(duì)閘門(mén)造成的損壞。

氣動(dòng)盾形閘安全性能高，解決了橡膠壩及水力自控翻板閘易被洪水沖垮、漫灘、漫壩、不能集中遠(yuǎn)程控制等問(wèn)題。閘門(mén)可完全倒伏于河床底部，不影響河道泄洪。氣動(dòng)閘啟動(dòng)速度快，當(dāng)洪水來(lái)臨時(shí)可迅速使閘門(mén)倒伏。氣動(dòng)閘設(shè)置有水位儀和開(kāi)度儀等傳感器，既可以采用自動(dòng)方式控制水位也可以采用手動(dòng)方式控制水位，特別是對(duì)因洪水泛濫時(shí)引發(fā)的斷電，仍可通過(guò)手動(dòng)控制方式緊急排放氣袋內(nèi)的空氣實(shí)現(xiàn)安全泄洪，避免損失，安全可靠。泄洪后，即使閘門(mén)上沉積污泥等雜物，仍不影響其正常運(yùn)行。

氣動(dòng)盾形閘克服了橡膠壩及水力自控翻板閘生態(tài)環(huán)保性能差的弱點(diǎn)。閘氣袋采用食品級(jí)材料制作，以壓縮干凈空氣作為驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有任何機(jī)械用油，不會(huì)造成水和周?chē)h(huán)境的污染，環(huán)保性能好。氣動(dòng)盾形閘可方便設(shè)置魚(yú)道，完全倒伏在河底，無(wú)水位落差，不影響水生物的上下通過(guò)，可保持河道的生態(tài)連續(xù)性，有效維護(hù)生態(tài)環(huán)境。

氣動(dòng)盾形閘與橡膠壩及水力自控翻板閘相比，其性?xún)r(jià)比好，使用壽命長(zhǎng)，整體使用壽命可達(dá)到 30年以上。不需要啟閉機(jī)械等設(shè)備，對(duì)土建基礎(chǔ)要求不高，只需簡(jiǎn)單地基，不需設(shè)置中間閘墩和工作橋，無(wú)機(jī)械驅(qū)動(dòng)，采用壓縮空氣作為動(dòng)力，運(yùn)行維護(hù)成本較低。氣袋支撐的盾形鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)可以安全保護(hù)氣袋本身，避免被浮木、泥沙、冰塊等雜物的損傷，其整體效率和使用壽命要比橡膠壩及水力自控翻板閘高出許多。

氣動(dòng)盾形閘自動(dòng)化程度高，故障率極低，操作簡(jiǎn)單，管理維護(hù)簡(jiǎn)便，克服了橡膠壩不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制水位的弱點(diǎn)，解決了水力自控翻板閘管理維護(hù)的強(qiáng)度和閘門(mén)突然開(kāi)啟或者需泄洪時(shí)卡阻的安全隱患。氣動(dòng)盾形閘在管理上，可實(shí)現(xiàn)了“少人值守”，可節(jié)省大量的人力和財(cái)力，其維護(hù)成本低。

氣動(dòng)閘采用組合式的設(shè)計(jì)，形成各自獨(dú)立的模塊單元，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗震性能好。單元模塊重量輕，一般都不需要大中型起重設(shè)備，安裝較為省時(shí)省力，大大縮短氣動(dòng)閘建設(shè)周期。

從應(yīng)用范圍方面來(lái)對(duì)比，氣動(dòng)閘應(yīng)用的范圍也更加廣泛。氣動(dòng)閘可在寒冷地區(qū)使用，在低溫的情況下依然可以正常工作，可起到破除冰封、防凌汛的作用，其工作溫度為-30C°至55C°之間。氣動(dòng)盾形閘的應(yīng)用，為低水頭、大跨度水工閘門(mén)提供了新的設(shè)計(jì)思路，可以廣泛運(yùn)用到水力發(fā)電、引水河道、農(nóng)田灌溉、防旱排澇、海堤建設(shè)、大壩加高、河道改造及城市景觀等工程。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，氣動(dòng)盾形閘在水利工程應(yīng)用中，其構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工期短、環(huán)保性強(qiáng)、易于維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠，與傳統(tǒng)水力自控翻板閘和橡膠壩相比，各方面的優(yōu)勢(shì)明顯，為我國(guó)水利工程建設(shè)提供了新的設(shè)計(jì)理念,它的推廣應(yīng)用也將在我國(guó)水利工程建設(shè)中發(fā)揮出巨大的作用，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益顯著。建議在現(xiàn)代水利工程建設(shè)中優(yōu)先考慮采用氣動(dòng)盾形閘。