大跨度高水头气盾坝在郑集河输水扩大工程中的应用

张丽萍 董 雷 邹福建 王晓婧

（1.徐州市水利建筑设计研究院 徐州 221100 2.徐州市铜山区水务局 徐州 221116）

1 概述

郑集河输水扩大工程是江苏省南水北调一期配套工程的重要组成部分，该工程的建设是落实江苏省南水北调一期配套工程建设目标的具体体现。郑集河输水扩大工程补水灌溉范围181万亩，工程等别为Ⅰ等。郑集河口坝位于郑集河桩号Z30+070处，具有引水、蓄水、通航和排涝等功能。当微山湖水位较高时，塌坝引水；当微山湖水位较低时，升坝蓄水，由顺堤河引水至郑集河。郑集河口坝20年一遇行洪流量为540m3/s，属于1级水工建筑物。郑集河口坝处河底高程27.50m，河道底宽45m，最高挡水水位31.57m，最高挡水高度4.07m。

2 可选坝型

郑集河口坝坝型可采用橡胶坝+通航孔、钢坝及气盾坝等多种方案。橡胶坝具有结构简单、施工方便、造价较低、技术较成熟等特点，在国内有较广泛应用。但橡胶坝坝袋材料生产比较复杂，运行时充水（充气）升坝或放水（放气）塌坝时间较长，影响快速截流或泄洪，同时橡胶易受河道中的尖锐物体划破，耐久性一般[1-3]。因此在郑集河口坝坝型比选中首选型式新颖、技术先进、安全可靠的钢坝和气盾坝。郑集河口坝坝长45m，最高挡水水头为4.07m，对于钢坝和气盾坝，皆属于大跨度高水头建筑物。

2.1 钢坝

钢坝是一种可调控溢流坝，学术名为底轴驱动翻板闸门，是一种通过驱动底轴来操控闸门启闭的一种闸门结构，由液压启闭机驱动闸门绕底轴轴心线旋转。这种建筑物适合于闸孔较宽（10～100m）而水位差比较小的工况（1～7m）[4-6]，由于钢坝可以设计的比较宽，可省去数孔闸墩，所以不仅结构简单，节省不少土建投资，而且可立门蓄水，卧门排水，还可利用闸门门顶过水，形成人造瀑布景观。

钢坝由门叶、底轴、底铰座、自润滑轴承、底水封、侧水封、液压启闭机以及液压锁定装置等组成，其结构形式如图1所示。闸门启闭运行时，液压启闭机通过拐臂驱动底轴转动，同时使门叶以底轴中心为圆心作扇形转动实现闸门的开启和关闭。闸门开度（或转角）取决于锁定装置的锁定位置或液压启闭机活塞杆持住位置，闸门的开度范围为垂直与水平之间（0～90°）的任意位置或角度。

2.2 气盾坝

气盾坝又名气动遁形闸门，是综合传统钢闸门及橡胶坝优点的一种新型挡、泄水建筑物。气盾坝由美国OHI公司研制，该公司于1988年在美国成功完成了世界上第一道气盾坝的建设。气盾坝引入国内后，至今在国内已建成并投入使用100多座，目前已被水利部认定为水利先进实用技术，并列入《2017年度水利先进实用技术重点推广指导目录》。该坝型不受地理条件限制，适用于景观、蓄水、通航等工程，特别适用于洪水暴涨暴落，漂浮物和滚石、泥沙夹杂较多的河道。

气盾坝结构主要由盾式门板、气囊、锚固预埋件、空压系统和控制系统五大部分组成，其结构形式如图2所示。门体挡水面是一排强化钢板，气袋支撑在钢板下游面，利用气袋的充气或排气控制门体起伏和支承闸门挡水，并可精确控制闸门开度。

在挡水运行时，支撑气囊隐藏在面板之后，水流和漂浮物越面板而过，支撑气囊和附属系统不受冲刷，不再惧怕漂浮物穿刺、划伤；盾板塌落时，面板将气囊完全覆盖，气囊与流水、沙石、冰凌完全隔开，气囊也不因流水的拍打、震动产生磨损，气囊处于更安全的保护环境。盾板塌落后门体全部倒卧在河底，不影响景观、通航和水生动物的回游。

气盾坝的气囊与钢盾板之间为一体式软连接、无需润滑油或其他连接件，因此其坝体本身无需像其他坝型一样定期修补坝袋、更换连接耗损零部件或上润滑油等日常维护措施。

3 坝体型式比选

3.1 不均匀沉降对坝体影响

钢坝：坝体中底轴作为门叶竖向悬臂梁的固端和闸门启闭驱动轴，对基础的不均匀沉降要求高。

气盾坝：坝体对不均匀沉降要求较低；气盾坝为模块化设计，跨间采用聚酯纤维强化的合成橡胶连接，适应变形能力较强。

3.2 坝体结构

钢坝：钢坝在国内应用高门体大跨度案例较少，需专门针对当地实际情况进行专题研究[7]；根据液压启闭机内设定的锁定功能实现角度调节；由于郑集河口坝门体高度较高，跨度较大，所需直径为1.5m的底轴，按照航道部门要求门体下卧时需低于河底，钢坝的控制系统需要较大和较深的空间。

气盾坝：气盾坝设计坝高0.5～8m，单跨长5～160m，且在北京、贵州、山东等地已有多处建成100m以上的大跨度气盾坝[8-10]；目前国内高门体气盾坝的核心部件气囊基本均采用进口设备；对施工期的技术和安装要求较高。

3.3 运行管理

钢坝：钢坝面板坚固，不易损坏；通过底轴驱动闸门，不受杂物淤积影响，运行可靠；油压系统在地面下，管理不便。

气盾坝：气囊处于盾板下方，免受河道泥沙冲刷及日光直射，使用安全；充气系统可位于地面上，管理方便，气盾坝为模块化设计，可简化安装过程及后期维护。

3.4 对环境影响

图1 钢坝结构示意图

图2 气盾坝结构示意图

钢坝：通过液压启闭机调节闸门开度，可形成人工瀑布景观；存在液压油泄露造成水体污染的隐患。

气盾坝：通过气囊充排气调节闸门开度，可形成人工瀑布景观；气袋采用食品级材料制成[11]，以压缩空气作为驱动闸门开度，无漏油及机械杂质的问题，不会造成污染。

3.5 坝体安装维修

钢坝：对安装要求较高，底轴橡胶止水更换困难；郑集河口坝底轴直径1.5m，长度约50m，需现场焊接拼装并二次防腐，加工工艺高，安装难度大。

气盾坝：组合式的模块单元，重量轻，安装时不需要大型起重设备，省时省力；对安装技术要求较高，需专业人员现场指导。

4 结语

根据钢坝和气盾坝的工作原理及适用情况，这两种坝型均适合郑集河口坝，结合郑集河口坝引水、排涝、通航等功能需要，综合考虑气盾坝和钢坝的特点，该工程最终选用具有结构型式简单、适应变形能力强、运行管理方便、环保性能好等优点的气盾坝方案。气盾坝具有多项优点，相信在不久的将来，气盾坝将会有更广阔的应用前景。气盾坝在该工程中的成功应用，可为大中型工程的建设提供参考■