清河氣動盾形 溢流不均 的分析處理

王惠萍 周志華 李玉臣

（1. 北京市水利規劃設計研究院 北京 100048 2. 北京市水利建設管理中心 北京 100036）

1 引言

氣動盾形閘門是綜合傳統鋼閘門及橡膠壩優點的一種新型閘門，主要由門體系統與氣動控制系統組成。

門體系統是由一排聚酯纖維強化橡膠氣袋與熱浸鍍鋅高強度鋼板組合而成。橡膠氣袋位于鋼板下游，氣袋與鋼板底部均通過鉸鏈壓條、嵌夾鑄件、不銹鋼錨定螺栓等專用配件安裝并固定在閘底板基礎混凝土上，閘門板后設置有安全抑制帶用以限制其向上游倒伏。

氣動控制系統擬通過橡膠氣袋的充氣與排氣操作，精確掌握閘門的起伏與靈活運行，藉以準確控制所需水位的高度，實現無限段的連續調節水位。閘門全開時，門體全部倒臥在河底，不影響景觀和通航；閘門全關時，門頂溢流。

該閘型最大優點是可以在設計范圍內任意角度、任意閘段起伏、溢流，無需設置中間閘墩，視覺通透性良好。在滿足傳統閘型防洪排水、擋水蓄水功能的前提下，還能形成門頂溢流的瀑布景觀，實現現代化水利工程與城市景觀相結合的要求。

氣動盾形閘門系統自第一座建成投入運行至今已超過18年，最大擋水高度達8m。目前在世界各地已興建累計達200座以上，運行良好。近幾年，國內工程也對該閘型進行了嘗試，但截至目前，此閘型核心技術及材料仍為國外專利，在國內尚無設計規范可循。清河外環閘是國內應用的第二例，筆者通過對該閘在試運行中出現閘頂溢流不均問題進行分析及后期處理，試圖為今后此閘型的推廣應用積累經驗。

2 外環 概況及試 行中存在的 1614

清河外環閘位于北京城區北部，上游距離立水橋約800m、城鐵13號線約200m，下游毗鄰亞洲最大居民區——天通苑。為考慮景觀蓄水要求，設計閘型選用氣動盾形閘，為中國大陸建設的第二座氣動盾形閘。項目采用成套設備引進的方式，由設備承包商提供盾形閘門的整體結構與系統設計、制造、防腐蝕處理，并進行現場指導安裝，完成運行調試。

設計閘門為單孔，結構尺寸為45m（寬）×2.5m（高），由 9塊閘板拼接而成，相鄰閘板之間用止水封進行連接。閘板下方設置9個充氣氣袋，分三組，每三個氣袋為一組，分別連接1根充泄氣管路，與控制室空壓機穩壓罐連接。通過對氣袋進行充氣達到提升閘門的目的。管理房內設置了兩臺功率為15KW的空壓機，閘門上設置了傾斜儀，可以對閘門升起及降落高度進行精密控制。

水閘建成調試蓄水時，發現門頂溢流不均勻，右岸（距控制室較遠側）溢流量大，左岸不溢流，通過手動充泄氣調整，也不能達到預期效果。并且溢流位置不固定，時常變化，時而左岸、時而右岸，時而兩邊。

圖1 建成調試時 溢流照片

3 溢流不均原因分析及處理方案

3.1 原因分析

針對上述問題，分析可能原因如下：

（1）閘門面板、錨固夾鑄具制造、加工誤差累計，造成底樞部位有附加約束力，致使在同等壓力下，閘門開啟角度不等，導致門頂高度不同。

（2）氣袋之間相互串氣，當門體受力不均時，導致門頂高度不同。閘室距離上游彎道 240m，閘門蓄水時，河道流速 0.04~0.05m/s。彎道水流因離心力作用形成偏流，使得作用在閘門上的壓力不均勻，當出現局部溢流時，溢流部位的門體將受到靜態和動態的雙重壓力。

從氣動閘氣袋布置看，每個管路供應3個氣袋，相互貫通。當門體受壓不均勻時，受壓較大的門體的氣袋中的氣體會被擠壓到壓力較小的氣袋中，導致氣體減少的氣袋所支撐的門體角度減小，從而高度降低，而增加氣體的氣袋則門體升高，造成門頂不在同一高度。

3.2 處理方案

根據門頂溢流不均可能產生的原因，確定相應的處理方案為：

（1）門體系統金屬構件改造

針對閘門、夾鑄具等金屬結構構件加工誤差問題，將閘門地面以上的部件全部拆除，對閘室前后徹底清淤檢查，重新細致地檢測每個結構件，將存在變形與誤差較大的構件全部進行校正、更新、拼裝，對嚴重不符合要求的構件進行更換。

（2）氣動控制系統管路改造

針對原產品每三個氣袋由一條管路供、排氣，可能導致氣袋之間相互串氣，致使門頂偏流的原因，改造氣動控制箱至氣袋之間的管路，使每個氣袋單獨控制內壓。

保留現狀三條供氣管路不動，分別為每組三個氣袋中的中間氣袋供排氣。新增6條DN50鍍鋅鋼管管路，分別為其余6個氣袋供、排氣。管路進入控制室后，在每條管路布置DN50球閥和逆止閥，與現狀主供氣和排氣管路連通。

制造、安裝誤差和氣袋串氣的原因可能同時存在，但無法辨識主要原因。因金屬構件全部拆除、更新投資較大，本次僅對閘門擋水狀態下，門頂相對順直度進行了量測，設計最大門高時（2.5m），門頂順直反向相對偏差10~50mm。經現場水火校正后，偏差有所改善。本次改造主要對氣動控制系統進行處理并試驗驗證，為更進一步的處理與否提供依據。

4 試 分析及 證

4.1 試 方法及成果

工程改造施工前后，模擬不同的運行工況，對應閘門不同開度，采用經緯儀、水準儀對閘門門頂高程及水平誤差進行測量記錄。

荷載試驗采用加沙袋的方法，沙袋總重量1噸，均勻布置在單塊閘板5m范圍內。將閘板從左岸至右岸依次編號，分別為1號、2號、…、9號；每塊閘板設定兩個測點，分別距閘板端頭0.3m，并依次編號為 1、2、3、…、17、18。對氣動系統管路改造前、后，空載運行或閘板左 1、左4、左7分別加載運行，門高分別為 1.5m、2.0m、2.5m時，記錄各測點門頂高程。

圖2 1.5m改 前 程記錄表（設計 程29.95m）

圖3 1.5m改 后 程記錄表（設計 程29.95m）

圖4 2.0m改 前 程記錄表（設計 程30.45m）

表5 1.5m改 后 程記錄表（設計 程30.45m）

表6 2.5m改 前 程記錄表（設計 程30.95m）

表7 2.5m改 后 程記錄表（設計 程30.95m）

4.2 試 結果分析

通過以上試驗數據可以得出如下結論：

（1）氣動控制系統管路改造前，氣袋之間確實存在串氣現象，且設計門高越低，即氣袋內氣壓越小時，串氣現象越嚴重，門頂高程偏差越大，當接近設計最大門高時，串氣現象不明顯。

（2）氣動控制系統管路改造前，門頂空載工況下，充氣到設定門高時，充氣效果與管路長短有關，遠離控制室一側（右岸）門頂高程達不到預期高度，門頂自左岸向右岸傾斜，門高越低（氣壓越低）越明顯，接近設計最大門高時，傾斜現象不明顯，門頂基本齊平。

（3）氣動控制系統管路改造后，避免了串氣現象，僅門頂施加荷載的部分，門頂沉降。九個氣袋可分別控制，通過調整進氣閥門開度，可實現遠端優先充氣，致使遠端門頂高程高于近端（控制室一側）。

氣路系統改造完成后，現場溢流過水，對試驗數據進一步驗證，門頂溢流情況較好，基本達到預期效果。

圖8 改 完成后的 溢流照片

5 結語

氣動盾形閘門以其布置緊湊、構造簡潔、新穎美觀得到各界認可，在大跨度水工閘門選擇中，適應不同景觀蓄水要求的城市水利工程閘壩建筑物選擇中占有絕對優勢，市場運用前景廣闊。

目前，此閘型生產沒有國內化，閘門設計、施工整體引進的同時，應根據具體工程情況進一步改良。氣動控制系統最好采用單管單袋，為后期運行調節提供便利。

設備配件出廠后，現場也需加強對構件的檢查驗收，防止運輸過程中金屬構件的變形對后期運行的影響。對誤差超過設計允許范圍的，需在安裝之前對其進行校正。同時，門體組合結構對金屬構件安裝要求較高，需重視拼裝的各個環節。