气动盾形闸门在水利工程中的应用与研究（姚宏超,陈霞,杨光）

［摘 要］ 城市水利工程中闸门和启闭机械的设计必须构思巧妙、设计新颖，满足景观要求 。通过对气动盾形闸门的深入研究和改进应用，改变了以往大跨度闸门制造工艺复杂、安装 困难、投资大这一传统观念，为金属结构设计提供了新的思路。

［关键词］ 气动盾形闸门 研究与应用 新凤河

1 研究的意义

近年来，随着国家对生态环境保护的重视，中小河流治理和城市生态水系工程发展迅速，它要求整个工程的总体布置和设备的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。

此类工程中闸门的主要特点是跨度大、水头低，要求设计新颖、布置紧凑，在满足常规功能基础上与城市环境相协调，符合生态化、景观化的要求，成为人文景观。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，随着城市水利的迅速发展，新型闸门的研究与设计也已成为金属结构专业的一个主要发展方向。为此，我们结合城市水利工程的实际需要，按照立足自我，引进吸收再创新的原则，对新型闸门和启闭设备开展了多方面的探讨、研究和创新。

根据城市水利工程的特点，选择了橡胶坝、多扇液压式翻板闸门、气动盾型闸门3种闸型进行比较。它们的共同特点是：闸门在完全开启时，门体都能倒卧在水下,与河底齐平,不影响通航,也不影响整体景观，但在满足城市生态化、

景观化方面存在很大差异。气动盾形闸门具有安装和运行维护方便、土建工程量少、无污染、启闭灵活等优点，更适用于城市水利工程，因此将气动盾形闸门方案作为优选方案。

2 气动闸门的研究

气动盾形闸门系统是综合传统钢闸门及橡胶坝优点的一种新型闸门。闸门由门体结构、埋件、气囊和气动系统组成。门体挡水面是一排强化钢板，气囊支撑在钢板下游面，利用气囊的充气或排气控制门体起伏和支承闸门的挡水，并可精确控制闸门开度。闸门全开时，门体全部倒卧在河底，不影响景观和通航。闸门全关时，门顶可形成人工设计的各种溢流景观。

气动盾形闸门是一种理想的适应生态景观化的闸门，但由于其核心P件的材料为美国专利技术，造价较高，在大陆尚无应用实例。我们通过对气动盾形闸门的原理、结构、性能进行了全面深入的分析和研究，对产品做了优化，并在国产化方面做了尝试。

2.1 门体结构

气动盾形闸门的门体结构由面板、加劲板、抑制带组成。面板材质选用高强度结构钢，上游侧设有加劲板。闸门全升起时与水平面有一定的夹角，保证门体结构依靠自重可以倒伏。为了在倒伏情况下更好的保护气囊，闸门面板设计有一定弧度。

在正常运用时，气动盾形闸门允许顶部溢流，形成局部水体景观，为了满足闸下通气要求，门体上部增设了破波板见上图。

为防止在下游侧水位较高时或风力作用下闸门向上游侧倾倒，门体下游侧设有可折叠安全抑制带，抑制带材质选用高强度的合成橡胶。

气动闸门的门体结构简单，制造加工难度小，国内制造水平完全能满足使用要求，因此门体结构的钢构件均可在国内生产采购。

门体结构原设计为热浸镀锌防腐，工艺复杂，对防腐场地要求很高，且颜色单一、造价较高。结合工程运用要求和国内实际情况，最终采用了陶瓷漆防腐，虽然防腐年限较原设计短，但完全能够满足工程要求。具有工艺简单、易修补、造价低的优点，尤其是闸门颜色可根据要求灵活选择，景观效果好。

2.2 止水型式

由于门体分节较多，因此对止水要求很高。气动盾形闸门分区控制，门体分区处采用P型橡皮止水，靠水压形成密封；不分区处采用条形橡皮，依靠压板压紧在面板上。两端侧向止水为P型止水，与闸墩板形成密封。

关于止水材料，在橡塑水封和聚酯强化橡胶之间进行了比较，目前国内水工钢闸门上常用的橡塑水封价格便宜，但耐磨性差，寿命短，后期维护成本高，而且摩擦力比聚酯强化橡胶大，门体必须有较大的重量才能保证门体倒伏，如果运行中橡塑薄膜脱落，有可能影响闸门正常启闭。聚酯强化橡胶为进口产品，价格较高，但具有摩擦力小、耐磨性强的优点，工作寿命大大增加，不需定期检修更换，更适合在城市水利工程中使用。经比较，水封材质选用聚酯强化橡胶。这也是国内首例。

2.3 埋件型式

充气气囊与支撑结构的连接是气动闸门的核心技术之一。首先将跟部角钢、主锚定螺栓、楔部角钢固定在河床上，调整到位后浇筑混凝土。铸造夹具与主锚定螺栓连接，支撑在跟部角钢上，气囊支撑在楔部角钢上，端部翻转至面板上游侧，依靠铸造夹具压紧固定，并通过铰链盖板、压板与门体固定。

气动闸门的埋件简单，制造难度小，钢结构件全部可在国内采购。

目前国内水工钢闸门封水座面常采用不锈钢板，但由于气动闸门的启闭曲线为扇形，如采用不锈钢，则加工量大，表面光洁度不易保证，从而影响封水效果，而且重量大，安装复杂。

研究后选用了高分子聚乙烯材质的闸墩板作为止水座面，这种材质光洁度高、无需加工、摩擦系数小、重量轻，安装简便，而且止水效果理想。

2.4 气囊

气动盾形闸门与橡胶坝均采用气囊动作，由于材料和性能等完全不同，所以它们的使用寿命也相差较大。

气盾闸门的气囊由内、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，外层为抗臭氧及紫外线的混合物橡胶。

通过研究对比，两者无论是材料组成还是物理机械性能均存在较大差异，因此橡胶坝的坝袋无法替代气盾闸门的气囊。从操作灵活、运行可靠、使用寿命等方面考虑，仍选用了气盾闸的原气囊。

2.5 气动系统

气动系统包括空气压缩机、干燥机、前后滤清器、储气罐、控制阀件、控制传感器、管道、附件等。我们对这些设备国产化的可行性进行了深入研究。

经比较，空压机、干燥机、前、后滤清器、储气罐均可采用国内生产英格索兰公司的产品，不但能保证质量，而且还能大幅度降低投资。控制阀件、控制传感器等，目前国内同类产品质量还无法满足工程要求，因此采用进口产品。随着国内产品质量的提高，国产化率会进一步提高。

3 工程应用

经过深入研究论证，我们在郑东新区内环控制闸和北京新凤河水环境处理工程设计中大胆采用了气动闸门这种新型闸门型式，并且在新凤河水环境治理工程中顺利实施，这也是气动闸门在大陆工程中第一次运用。

新凤河位于北京市大兴区，全长约31.4km，作为一条贯穿大兴的城市河道，承担了丰台区西南部地区、大兴区北部地区、黄村新城大部分地区及亦庄经济技术开发区部分地区的防洪、排水及灌溉任务。

新凤河水环境治理工程的主要目的是解决河流的生态健康和亲水安全问题，使整治后的新凤河成为“水清、林秀、境美”的城市滨河景观。河道上原有孙村闸过流能力不足，且年久失修，要求拆除重建，要求重建闸设计与河道整体环境协调。采用气动盾形闸门新建的孙村闸河道宽度30m。最大挡水水头2.5m。该闸门挡水面由12块强化钢板结合而成，单块宽度2.5m，钢板上游面设有强化加劲板以增加整体刚度。6个气囊通过预埋的地脚螺栓固定在河床上，支撑在钢板下游面，单个气囊长度5m，运用气囊充气或排气，控制钢板起伏，从而精确控制水位。为防止下游水位较高时闸门向上游倾倒，门体上设有强化的可折叠安全抑制带。河床下设有管沟，沟内设有6个空气输送管和气囊连接。钢板倒伏后将气囊和安全抑制带盖住，不影响过流和整体景观。

强化钢板两侧设有螺栓孔，两侧闸墩内预埋有止水座板，相临钢板间通过安装橡皮板实现止水，两侧止水通过预压实现。

在新凤河工程实施过程中，为进一步改善设备性能，降低工程投资，我们对气动闸门的设计进行了优化，气动系统、控制阀件、门体和埋件等均在国内采购，并根据国内实际情况更改了防腐要求，提高了气动闸门的实用性和性价比，取得了明显的经济效益和社会效益。

新凤河工程气动盾形闸门于2006年8月投入运行，近一年来气动闸门运行良好。

4 推广前景

目前国内水利工程中的大跨度闸门实例较少，气动盾形闸门的应用将改变以往大跨度闸门制造工艺复杂、安装困难、投资大这一传统观念，为大跨度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，目前已有多家设计单位前来咨询考察，并将在北京市另一城市水利工程中采用，具有较高的应用价值，推广前景广阔。