气动盾形闸系统在城市中小河流治理中的应用

侯放鸣 郭云峰 刘雪松

近年，随着我国经济社会的快速发展，国家对生态环境保护越来越重视。建设水生态文明城市的主要内容之一就是城市中小河流治理，要求整个工程的总体布置和设备选型不但具有常规水利工程所要求的使用功能， 而且更要具备与生态环境相适应的多种功能。

在城市河流治理中，闸门是必不可少的挡水设备。随着水生态文明城市建设的迅速发展，新型闸门的开发与应用已成为金属结构专业的一个主要发展方向。这些闸门不仅要求设计新颖、布置紧凑，而且在满足常规功能基础上还应与城市环境相协调，符合生态化、景观化的要求，许多工程还要求具备通航条件。目前这类新型闸门在国内工程中运用较少。气动盾型闸就是在引进美国先进技术的基础上，部分实现国产化的新型闸门之一。

一、系统结构组成与原理

气动盾形闸系统主要由钢闸门、可充气强化橡胶气袋、埋件、气动系统和控制系统组成。它是利用空气压缩的原理，通过对气袋的充气与排气，驱动钢闸门升起与倒伏，以维持特定的水位高度，可在设计水位内实现任意水位高度的调节。其原理示意图如图1。

1.钢闸门

气动盾形闸的钢闸门由面板、加强筋板、底轴组成。面板材料系高强度结构钢，迎水侧设有加强筋板，以增强面板的强度。底轴是钢闸门起伏时转动支撑件，与钢闸门固定连接。闸门全升起时与水平面保持60°～75°夹角，闸门上端设有破波板，减少水流下方的负压，避免产生振动，闸门面板设计有一定弧度，在完全倒伏时可以覆盖气袋，起到保护气袋的作用。起升至设定高度时，可以通过溢流形成瀑布景观。

钢闸门下游侧设有安全抑制带，以防止下游水位高或遇大风时钢闸门向上游倾倒，安装加强抑制带时还可实现反向挡水。

2.气袋

气袋由内、中、外三层组合而成，内层为聚酯纤维强化的合成橡胶，中层橡胶为单体合成橡胶，外层为耐氧化、抗臭氧和抗侵蚀的三元乙丙橡胶（EPDM），其厚度根据不同挡水高度所需耐压而不同。气袋三边无缝，一边开口，开口处呈楔形，需承受较高的耐压。气袋底部设进排气嘴，可通过压缩机充气。充气后鼓起，驱动钢闸门起升。放气后钢闸门因自重而倒伏，完全覆盖气袋。挡水超过一定高度时需要双气袋。

3.埋件

埋件由角形件、槽钢件、主锚栓和抑制带锚栓构成，基础施工时将槽钢件、角形件及主锚螺栓固定在河床上，调整到位后浇筑混凝土。夹铸具通过主锚栓将气袋和铰链盖板压在角形埋件上，压紧气袋楔形开口一边，使气袋固定并密封，压紧的铰链盖板与钢闸门底轴连接，使钢闸门可以沿底轴作扇形运动。

4.气动系统

气动系统由空气压缩机、干燥机、储气罐、控制阀件、管道等组成。空气压缩机的容量根据气动闸挡水高度、宽度及起升时间要求确定。气动系统设有手动控制阀，以备失电情况下可手动排气使闸门倒伏。

5.控制系统

控制系统实现对气动闸起升和倒伏的自动控制，通过传感器监测钢闸门位置角度，调节气袋进气量，保证钢闸门单元之间同步起升和倒伏，还可预设闸门位置高度，实时监测高度数据，并可实时监测溢流流速和流量以作参考。另外还可实现远程监控、视频监视等功能。

二、主要性能和特点

①根据目前气袋制造工艺能力，气动闸最高挡水高度可达10m，宽度可达数百米，可以说在高水头大跨度可起伏的挡水设备方面，气动闸填补了国内空白。近期安装完成的贵阳南明河气动闸，挡水高度8m，跨度60m，是目前世界上挡水高度最高、跨度最长的同类闸坝。

②气动闸可根据用户的要求起升至任意高度位置，精确地控制水位并形成溢流，溢流时形成宽阔的人工设计瀑布，为城市增添景观。

③气袋和钢闸门都是组合单元式设计，简化了安装过程，使维修过程简便易行。

④闸门倒伏时完全倾伏于河床，不影响景观，不影响水上交通，不影响水生物的上下游动，且水中漂浮物、冰块和砾石容易流过，不会堵塞河道。

⑤整个闸门由多组强化钢闸门和气袋单元连接而成，长度不受限制，也不需要中间墩座，可最大程度地提高过水面，即使在失电的情况下也可以手动排气倒伏，不影响泄洪。

⑥系统以压缩干净空气作为起升驱动，橡胶气袋可达到食品级，没有任何油污，没有排放物，不会造成河水和环境的污染。

⑦支撑气袋的钢闸门作为气袋的护盾，保护气袋，避免被浮木、砾石、冰块等杂物破坏，使用寿命长，通常的使用寿命都在30年以上。

⑧在极寒冷地区，冬天结冰膨胀挤压挡水闸门时，气袋可通过压力传感器自动释放压力，保护钢闸门不致于损坏。

⑨在生态方面，气动闸在运行时不产生振动，可作为鱼道使水生物上下游动，也可作为船闸。

⑩气动闸可通过闸门下游侧的抑制带对钢闸门的限制作用实现双向挡水，这也是其他类型闸门不能实现的。

三、典型应用

1.北京清河水环境治理工程外环跌水气动闸

该项目是2008年北京奥运会的配套工程，位于北京市北五环外的清河上，闸门宽45m，挡水高度2.5m。由9个单元组合而成，相邻单元之间用止水封进行连接。控制房内设置了两台功率为15kW的空压机，闸门上设置倾斜仪，可以对闸门升起高度进行控制。该工程被北京市水利局评为优质工程。

2.贵州德江玉龙湖气动闸项目

该项目位于贵州省德江县城玉龙湖畔，是水生态文明城市建设工程的主要项目之一。该项目基础坝基高4m，坝基之上气动闸挡水高度3m，跨度50m。水位高度可任意调节。溢流时幅宽50m的水流从7m高处倾泻而下，形成了350m2的水帘，其瀑布景观蔚为壮观。该项目的实施既能满足德江县水务局提出的防洪防涝的要求，又改善了生态环境，为德江县水生态文明城镇建设打造出美丽的风景线，为当地人民群众提供了一个休闲娱乐的好场所。

3.贵阳南明河综合治理工程气动闸项目

该项目是贵州省贵阳市城市水环境整治工程的一部分，项目由4座挡水高度8m、宽60m的气动闸组成，采用双气袋，每座气动闸分6个单元，每个单元10m。气袋长10m，重近10t，闸门采用不锈钢，每扇门由4片2.5m的单元门组成，单元门上下两截焊接在一起，下端为40mm厚的不锈钢板，上端为20mm厚的不锈钢板，总高度为9.6m，是目前世界上挡水高度最高的气动闸。该项目2013年3月开始施工，9月全部投入运行。目前，该项目以其独特的水域风景成为贵阳的新城市名片。

四、应用前景

目前国内水利工程中尚没有适合大跨度高水头可随意起伏的闸门产品的应用，气动盾形闸门将填补这一空白，为大跨度高水头水工闸门提供了新的设计思路，其环保、简便、安全、美观的特性得到各界高度评价。随着我国经济高速稳定的发展，水生态文明城市建设和水环境治理要求的提高以及环保意识的增强，具有减少污染物排放、保护生态环境等特点，可实现防洪、供水、灌溉等多功能的水利设施的需求将会越来越大。气动盾形闸门这项先进技术有着广阔的应用前景，其应用和推广有着非常深远的意义，相信它将在我国水利事业发展中发挥重大的作用。