陈东清

（江河机电装备工程有限公司 北京 100070)

1 前言

随着我国大规模的水利工程建设，闸门得到广泛的运用。闸门是水工建筑物的重要组成部分之一，用来控制水位，调节流量，是蓄水及引水建筑物中必不可少的组成部分。在水利工程中钢制闸门的种类比较多，其主要适用于高水头的水利工程，低水头的水利工程则不够经济。其共性通常表现为门体厚重，跨度不宜太大，在河道上需要建造闸墩、工作桥，配置启闭机，坝基建设结构相应复杂,造价较高，使用年限较长。钢闸门的连接方式大多均采用刚性连接。如遇洪水泥沙淤积或地震变形将影响闸门的启闭功能,无法实现安全泄洪。低水头的水利工程的闸门型式有多种，传统常见的有橡胶坝和水力自控翻板闸。随着当代新材料，新工艺在水利工程上的推广应用，正确的闸门选型对水利工程效益的发挥也更重要。气动盾形闸门是一种新型先进的低水头的挡水建筑物，与橡胶坝、水力自控翻板闸应用方案相比其优势明显。本文从橡胶坝、水力自控翻板闸和气动盾形闸各自的组成、原理和性能特点等方面，阐述气动盾形闸在现代水利工程应用中的优越性。

2 橡胶坝

2.1 橡胶坝组成和原理

橡胶坝是20世纪50年代末，随着高分子合成材料工业的发展而出现的一种水工建筑物。其主要由坝袋、锚固结构、充排设备、安全及观测装置等组成。橡胶坝是用高强力合成纤维织物做受力骨架，内外涂敷合成橡胶作粘结保护层，加工成胶布，按要求的尺寸，锚固在混凝土基础底板上，成封闭袋形，用水、气或者水气混合介质的压力充胀起来，形成挡水坝。不需要挡水时，泄空坝内的水或气，恢复原有河渠的过流断面。

2.2 橡胶坝的优点

橡胶坝有充水式、充气式和气水混合三种形式，目前我国的橡胶坝工程主要以充水橡胶坝为主。与常规钢闸门相比，橡胶坝结构简单，以合成纤维织物和橡胶制成的薄壁柔性结构，代替钢、木材及钢筋混凝土结构，由于不需要修建工作桥和安装启闭机等钢和钢筋混凝土水上结构，节约了三材，造价低，施工期短，橡胶坝的坝袋是先在工厂加工制造，然后运到现场安装，施工工艺简单，因此施工速度快，工期一般为3-6个月。抗震性能较好，橡胶坝的坝体为柔性薄壳结构，富有弹性，能抵抗一定的波浪冲击。主要适用于低水头、大跨度的闸坝工程，如用于水库溢洪道上作为闸门或活动溢流堰，以增加水库库容及发电水头；用于河道上作为低水头、大跨度的滚水坝或溢流堰，可以不用常规闸的启闭机、工作桥等；用于渠系上作为进水闸、分水闸、节制闸，能够起到蓄水和调节水位的功能。

2.3 橡胶坝的缺点

橡胶坝在水利工程中应用的缺点也是显而易见的。首先橡胶坝容易被树枝、砾石等尖锐物体划破，故橡胶坝前期选址比较苛刻,要选择过坝水流平顺的、河床岸坡稳定的河段, 建造前大部分都要预先整治河道，以延长其使用寿命。橡胶坝因单元长度制造限制不宜过长，通常橡胶坝单跨长度为50-100m，对于漂浮物等较多的河段单跨长度以 20-30m为宜。当河道跨度较大时，河道中间需要建造混凝土坝墩，所以会增加土建费用。橡胶坝壁薄性柔，溢流时由于水流的不稳定性，易诱发坝袋振动，它比一般结构的振动更为复杂。坝袋振动易导致其磨损，甚至发生脱层、撕裂，严重的会破坏整个坝体。橡胶坝适应山区洪水特性差，由于山区洪水含沙量较大，垃圾、树枝等锋利的杂物较多，坝袋易被损坏。在汛期来临之前，需将坝袋坍平，以便保护坝袋。即便如此，洪水过后很多坝袋受损，需要维修，甚至整体更换。一般情况下，如果橡胶坝袋破损较轻，破洞直径较小尚可修补；如果橡胶坝受损面积过大或是多处破损，则需更换整座橡胶坝。在修补时必须空库或做围堰维修，维修成本很高。影响泄洪断面，橡胶坝设计规范要求坝的底坎高20cm，另塌坝时橡胶坝内的水不能完全放尽，形成不低于 20cm的高度，两者相加塌坝时在河流断面形成不低于 40cm的阻水断面，影响泄洪流量。橡胶坝在启动时速度较慢，一般充坝的时间需要2-3小时，坍坝也要1-2小时。在遇到突发洪水时，常因不能及时坍坝，造成洪水漫滩或漫坝的严重后果。坝顶溢流不能超过50cm，橡胶坝设计规范中对此明确规定，否则也易出现跨坝事件。橡胶坝自动化程度不高，一般难实现集中网络控制。橡胶坝作为河道景观时，每次升坝或塌坝后各种残骸遗留在坝袋上给景观带来极大影响，运行单位每次都派人进行擦洗，工作量较大。在寒冷地区橡胶坝需要注意防冻害，在冰冻期，不需挡水的橡胶坝，需要保持自然坍落状态，入冬前放空坝袋内及管道内的积水。冬季运行的挡水橡胶坝，需要采取坝前破冰的办法，否则将对橡胶坝造成致命的损坏，一旦结冰就必须做好刨冰工作，在坝前开凿一条小槽，防止冰冻压力对坝体的作用，而刨冰工作完全依靠人工完成，既耗时又耗力，且给管理带来极大的不便。在此期间不可调节坝高，需待坝袋内的冰凌融化后，方可冲胀或坍坝。同时不能让冰凌在橡胶坝上溢流，结实而锋利的冰块很可能把橡胶坝划破。橡胶坝一般10-15年需要更换坝袋，使用寿命低。

橡胶坝需要根据天气预报情况预先塌坝，给实际调度运行带来一定的难度。所以橡胶坝的运行管理维护工作非常重要，为了能够使橡胶坝安全稳定的运行，需要建立一个管理机构，制定一整套检查与维修方案，以延长橡胶坝的使用寿命，其管理运行维护费用高。

3 传统水力自控翻板闸

3.1 水力自控翻板闸的组成和原理

传统水力自控翻板闸由闸门门体、支铰或者连杆装置、闸前防护墩、闸后支墩和检修便桥等组成，其运行机理为利用闸前闸后水压差及门体自重，合理设置支承运行限位机构，自动控制闸门的开启和关闭。

3.2 水力自控翻板闸的优点

水力自控翻板闸门无需人为控制，能够在洪水位与正常挡水位相差较大时自动将闸门迅速打开，节省闸门的启闭设备。在正常情况下保持关闭状态，能够保证上游景观水位；降低水面线，保证了行洪安全。在自动翻板泄水时能够将上游淤积带走。传统水力自动控制翻板闸同时具有造价低、结构简单、施工期短等优点。

3.3 水力自控翻板闸的缺点

传统水力自控翻板闸在多年的应用实践中，缺点明显。由于其运行工况的特殊性，开门泄洪时翻板门体斜卧于水中，受复杂的门顶和门底高速水流的影响而产生“拍打”现象，严重时将会使闸门产生越来越大幅度的摆动，以致不能控制，从而使闸门失衡。“拍打”现象时，易导致闸门门坎结构毁坏，甚至使闸门、基础全部破坏。水力自控翻板闸易受淤沙或者漂浮物的影响而开启失灵，由于翻板门采用中间支铰结构，门前泥沙力矩为启门阻力矩，有时致使水力不能正常开启闸门。当翻板门打开一段时间，上游水位下降后，需要自动关门时，如果泥沙、石头在闸门底部或树枝等硬物卡在转动支铰部位时，闸门将无法自动关闭。一般情况因为考虑自重翻门，门体会比较厚，当翻倒泄洪时，中间形成一道很厚的阻水面，严重影响泄洪断面，而且翻板门中间需要闸墩，更进一步影响泄洪断面。洪水期间翻板闸突然翻倒，下泄流量很大，易造成闸门后冲刷，因此对闸室基础、消力池和海漫要求较高，增加了工程投资。翻板闸安全性较差，经不住特大洪水的冲击，其被冲毁的案例时有发生。翻板门工作原理靠水压与自重平衡的作用使门体自动打开，不能人为的控制水位，管理不便。在水位骤升时，其开闭具有突然性，形成一次“非自然”的洪峰，对下游的生命、财产造成一定的危险性；在洪水到来时，泥沙淤积或其它漂浮物卡阻造成闸门不能打开，可能引起重大事故。生态功能差，闸门突然翻转会淹没两岸的水鸟巢，破坏大自然生态。本身无鱼道，破坏水生态的平衡。

水力自控翻板闸门的运行情况较差。闸门易受水上漂浮物的影响而开启失灵，特别是在汛期，如果洪水到来时闸门不能自动开启，会导致灾难，所以在汛期，特别是台风暴雨来临之前，加强对翻板闸的日常巡视维护管理，及时清理闸门前后的有碍闸门开启的漂浮物，增加了运行管理工作量，其管理运行维护费用高。

4 气动盾形闸

4.1 气动盾形闸的组成和原理

气动盾形闸是综合传统翻板闸及橡胶坝的优点成功研制的一种新型先进的挡水建筑物。气动盾形闸由门体钢结构、埋件、气袋、空压系统和闸门控制系统等组成，是利用空气压缩的原理，通过对气袋的充气或排气，实现闸门升起或倒伏，可维持特定的水位高度，并在设计水位内实现任意水位高度的调节，允许闸门顶部溢流。

4.2 气动盾形闸的优点

气动盾形闸不仅能够满足常规功能的要求，而且能够有效维护生态环境，与周围环境相协调，满足水利工程生态化、景观化的要求。气动盾形闸的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，为大跨度水工闸门提供了新的设计思路，具有投资效益高，故障率低，易于维护，使用安全、寿命长等优点，是一种先进、高效、节能、环保的水利设施。

4.3 橡胶坝、水力自控翻板闸与气动盾形闸的应用方案比较

与橡胶坝和传统水力自控翻板闸在水利工程中的应用相比较，气动盾形闸是一种新型环保的水利设施，在保留了传统自控翻板闸和橡胶坝的优点的基础上，有效的弥补了它们不足。

气动盾形闸很好地克服了橡胶坝严格选择坝址及河川整治的问题。建造时基本不需要前期的河川整治，因为闸门上游面采用钢盾挡水保护坝袋，坝袋不会因上游的各类漂浮物而损坏，从而节省了工程前期的投资。其采用先进的组合式设计，在布置上不受河道宽度限制，即使在较宽的河道上，也无须设置中间闸墩、工作桥、维修廊道和启闭机设备，地基也相对简单，进一步降低了造价。

气动盾形闸泄洪能力强，克服了传统水力自控翻板闸卡阻、阻水断面大及“拍打”现象的缺点，很好解决了橡胶坝坝袋易被各种漂浮物划破损坏、底槛及泄水时坝袋阻水的问题。气动盾形闸由若干模块化的盾形钢闸门及气袋组合而成，组合式的结构可任意延长，可适用于不同跨度的河道。其在整个河道宽度范围内可完全倒伏于河床底部，泄水面几乎与河道宽度一致，可实现大面积高效率泄水。气动盾形闸翼型结构和闸底铰链的设计亦使得泥沙、树枝、冰块、浮木及其它杂物容易流过，不易造成阻塞。闸的门体加筋板兼导流功能，可平顺水流并减少冲刷。该种闸采用破波等特殊设计，能够有效的防止震动，避免了震动对闸门造成的损坏。

气动盾形闸安全性能高，解决了橡胶坝及水力自控翻板闸易被洪水冲垮、漫滩、漫坝、不能集中远程控制等问题。闸门可完全倒伏于河床底部，不影响河道泄洪。气动闸启动速度快，当洪水来临时可迅速使闸门倒伏。气动闸设置有水位仪和开度仪等传感器，既可以采用自动方式控制水位也可以采用手动方式控制水位，特别是对因洪水泛滥时引发的断电，仍可通过手动控制方式紧急排放气袋内的空气实现安全泄洪，避免损失，安全可靠。泄洪后，即使闸门上沉积污泥等杂物，仍不影响其正常运行。

气动盾形闸克服了橡胶坝及水力自控翻板闸生态环保性能差的弱点。闸气袋采用食品级材料制作，以压缩干净空气作为驱动，没有任何机械用油，不会造成水和周围环境的污染，环保性能好。气动盾形闸可方便设置鱼道，完全倒伏在河底，无水位落差，不影响水生物的上下通过，可保持河道的生态连续性，有效维护生态环境。

气动盾形闸与橡胶坝及水力自控翻板闸相比，其性价比好，使用寿命长，整体使用寿命可达到 30年以上。不需要启闭机械等设备，对土建基础要求不高，只需简单地基，不需设置中间闸墩和工作桥，无机械驱动，采用压缩空气作为动力，运行维护成本较低。气袋支撑的盾形钢闸门结构可以安全保护气袋本身，避免被浮木、泥沙、冰块等杂物的损伤，其整体效率和使用寿命要比橡胶坝及水力自控翻板闸高出许多。

气动盾形闸自动化程度高，故障率极低，操作简单，管理维护简便，克服了橡胶坝不能实现自动控制水位的弱点，解决了水力自控翻板闸管理维护的强度和闸门突然开启或者需泄洪时卡阻的安全隐患。气动盾形闸在管理上，可实现了“少人值守”，可节省大量的人力和财力，其维护成本低。

气动闸采用组合式的设计，形成各自独立的模块单元，结构简单，抗震性能好。单元模块重量轻，一般都不需要大中型起重设备，安装较为省时省力，大大缩短气动闸建设周期。

从应用范围方面来对比，气动闸应用的范围也更加广泛。气动闸可在寒冷地区使用，在低温的情况下依然可以正常工作，可起到破除冰封、防凌汛的作用，其工作温度为-30C°至55C°之间。气动盾形闸的应用，为低水头、大跨度水工闸门提供了新的设计思路，可以广泛运用到水力发电、引水河道、农田灌溉、防旱排涝、海堤建设、大坝加高、河道改造及城市景观等工程。

5 结语

综上所述，气动盾形闸在水利工程应用中，其构造简单、施工期短、环保性强、易于维护、使用寿命长、安全可靠，与传统水力自控翻板闸和橡胶坝相比，各方面的优势明显，为我国水利工程建设提供了新的设计理念,它的推广应用也将在我国水利工程建设中发挥出巨大的作用，其社会经济效益和生态效益显著。建议在现代水利工程建设中优先考虑采用气动盾形闸。