高水头环境下气动盾形闸门安全性研究

常 富，冀振亚，耿长兴，胡 博

(水利部长春机械研究所，长春 130012)

我国台湾地区于2000年左右开始取得气动盾形闸门在亚洲的代理权，2006年前后，国内通过台湾地区的代理方引进该技术，先后在北京的清河和新凤河进行示范应用，效果良好。但初期在国内水利工程中的推广应用极不顺利，一是作为新生事物，大家对其可靠性和技术成熟度有所怀疑，这需要一个逐步适应的过程；二是作为核心部件的气袋及橡胶附件、控制系统等需要进口，整体造价高昂，后期维护不便；三是国内企业没有掌握相关核心技术，也成为其在国内大规模发展应用的瓶颈。

经过十几年的快速发展，国内气动盾形闸门技术逐渐完善成熟，并已先后在北京、山东、陕西、甘肃、新疆、河南、贵州等二十余省市做了上百座工程，其优异的性能、良好的生态景观效果、较高的使用寿命等特性，赢得了市场的广泛赞誉。从最初的低水头闸门(挡水高度0～4 m含4 m)，已发展出高水头闸门(挡水高度4～8 m含8 m)，挡水高度的显著变化，显然对气动盾形闸门的系统设计、结构及运行安全等方面提出了更高的要求。笔者将在本文中着重探讨此问题，以期为广大气动盾形闸门设计人员及工程应用单位提供参考。

1 低、高水头划分依据

随着气动盾形闸门挡水高度的增加，一个是闸门及气袋的结构尺寸变大，另一个水对闸门的压力也成指数性增长，这样带来的结果是气袋圆弧半径及其内压力不断增加。气袋充气后线张力的简化公式为T=PR，P为气袋内充气压力，R为气袋圆弧半径。当气袋充气压力P和气袋圆弧半径R增加到一定程度后，T值会显著增加，最终超出现有气袋所能承受的极限拉力，从表1中可直观地看出这种变化规律。

表1 不同挡水高度下水对闸门压力及气袋相关参数对比

气动盾形闸门设计中气袋的安全系数为8倍，从表1中可知，在8倍安全系数下，挡水高度4 m时气袋线张力为13 868 N/cm，如使用国内某橡胶公司生产的气袋，其单层骨架的抗拉强度为3 000 N/cm，气袋中骨架层采用5层，可满足设计要求，但当挡水高度4.5 m时，8倍气袋线张力达18 934 N/cm，显然已超出了单气袋所能承受的极限拉力，需要采用双气袋的形式解决此问题。

因此，我们根据现有市场气袋材料所能承受的拉力情况，以单气袋所能支撑的最大挡水高度4 m为分界点，挡水高度4 m以下(含4 m)，采用单气袋形式称为低挡水头气动盾形闸门，挡水高度4～8 m(含8 m)，采用双气袋的形式称为高挡水头气动盾形闸门。

2 主要结构设计

2.1 气袋结构形式研究

气袋是气动盾形闸门中最为关键的核心部件之一，气袋安全与否，直接关系到整个闸门工程的可靠性与安全性，所以要研究高水头气动盾形闸门的安全性，最核心的问题就是气袋的结构安全问题。支撑闸门的气袋最大工作压力为：

式中：P为气袋最大工作压力，MPa；F为气袋对闸门的支持力，N；A为气袋支撑闸门面积。又由气袋线张力公式T=PR得：

(1)

从式(1)中我们可以看出，气袋线张力T与气袋对闸门的支持力F及气袋圆弧半径R成正比，与气袋对闸门的支撑面积A成反比。气袋对闸门的支持力与水对闸门的压力和闸门有关，挡水高度增加，闸门对气袋的压力必然增大，气袋线张力也会随之增大，所以想要减小气袋线张力，只能减小气袋圆弧半径R，同时增大气袋对闸门的支撑面积A。

经研究，减小气袋圆弧半径、增大气袋支撑闸门面积最有效的方法，就是将单气袋的形式设计为双气袋结构形式，如图1所示。

以图1中结构对比为例，闸门挡水高度均为4.5 m。由表1中可知，采用单气袋结构形式气袋圆弧半斤R1=1.104 m，气袋压力P1=0.214 MPa，线张力T1=2 366.8 N/cm；采用双气袋结构形式气袋圆弧半径R2=0.669 m，气袋支撑闸门面积A2=9.66 m2，气袋对闸门的支持力F2=9.94×105N，双气袋内压力为：

双气袋线张力：

T2=P2·R2=0.103×106×0.669=68 797 N/m=687.97 N/cm。

由此可见，高水头环境下，采用双气袋结构形式的气动盾形闸门明显比采用单气袋结构形式的气动盾形闸门气袋压力及线张力要小，从而显著降低闸门系统的设计难度与风险，提高了闸门系统的可靠性与安全性。

(a)单气袋形式

(b)双气袋形式图1 挡水高度相同条件下采用单、双气袋不同形式气动盾形闸门结构示意图

2.2 闸门门体

气动盾形闸门的门体结构主要由面板和加筋板组成，门体材质应选用高强度结构钢，在上游侧设置加筋板，并适当增加面板及加筋板的板厚，提高门体结构强度。闸门面板被设计成弧形，这样在闸门升起时即可以增加闸门与气袋的接触面积，改善受力状况，也可更好地保护气袋不受伤害。总的来说，气动盾形闸门的门体结构比较简单，受力状况也不复杂，不容易出现问题。

2.3 夹具

夹具是连接气袋、橡胶铰链与闸门的关键部件，通过主锚栓，就可以将上述各零部件牢牢地固定在混凝土基础上。夹具一般通过精铸而成，材质选择性能较好的球墨铸铁或铸钢，以提高夹具强度。夹具螺栓孔中心线由原来与夹具横向中心线重合改为离连接闸门一侧距离较近、离另一侧距离较远的不对称布置形式，并且将离闸门较远一侧予混凝土基础相接触，从而将由闸门一侧传予夹具的水平力传导与地基上，可降低夹具螺栓受力，提高螺栓可靠性。

2.4 安全限位装置

安全限位装置主要由安全限位带、压板、螺栓组成，是防止气动盾形闸门在充气过程中闸门超出预定位置的安全保护装置。一旦闸门超出预定高度位置，安全限位带将受力绷紧，限制闸门进一步起升，防止闸门翻转。为保证足够的安全系数，安全限位带的数量可由低水头时的2条设计增为3条或更多条。

在安全限位装置的安装形式上，可以将压板由水平安装改为与安全限位带拉力方向垂直安装，并将锚栓位置向靠近受力方向一侧偏移，如图2所示，从而使锚栓由水平+竖直的复合受力变为单一正拉力，改善锚栓受力环境。

(a)低水头安全限位带固定形式

(a)高水头安全限位带固定形式图2 低、高水头安全限位带固定形式对比

3 控制系统研究

3.1 闸门监控系统

监控系统由闸门角度监控、气动系统压力监控、水位监测、视频监控系统4个单元组成，各单元将采集到的数据实时传送至现地和远程控制中心，完成对气动盾形闸门在运行过程中的有效监控。

闸门角度监控：每扇闸门下都配备有一个角度传感器，时时监测闸门起伏角度，以更准确地控制闸门在运行过程中所处位置，防止过操作。

系统压力监控：供气系统对3个位置的压力进行监控，一是起源供气压力，二是经减压后的管道压力，三是气袋内工作压力。可以时时全面掌握充气阶段、工作阶段、放气阶段气动系统工作状况，及时反馈出现的问题，将隐患消除在萌芽阶段。

水位监测：水位监测选用浮子式液位计，在闸门上游侧护坡处开设进水孔，将浮子式液位计放置于专门的管道井内，可以时时准确地反映当前水位，当水位未达到预定高度，可以反馈给控制系统，停止供气或排气，达到精确控制水位。

视频监控系统：视频监控系统主要由摄像、传输、显示、记录4部分组成，摄像头分别布置在闸门河岸两侧及现地控制房内，在河岸两侧的上下游各布置一组摄像头。监控到的视频画面可同步显示于现地与远程监控中心，以便全面、准确地掌握闸门的实际运行情况。

3.2 现地控制单元

现地控制单元主要由PLC来完成，各监控单元将监测到的数据时时传送至控制器内，通过PLC进行分析判断，下达充气、排气控制指令，操作闸门起升蓄水或是倒伏排水。在PLC控制箱内设置手动控制和自动控制转换开关，自动控制在触摸屏或远程计算机上实现。自动和手动控制可自由切换，防止因某个电磁阀或传感器损坏无法正常供气或排气的情况发生，而且在控制房完全断电的情况下，也可手动排气使闸门立即倒伏放水，保证闸门系统的绝对安全。

3.3 远程监控

基于当下先进的移动互联网技术，气动盾形闸门远程监控系统采用GPRS无线通讯系统。

GPRS(General Packet Radio Service)即通用无线分组业务，这是一种分组数据承载业务，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS具有实时在线、按量计费、快速登录、高速传输、自如切换的优点。现场终端采集的数据经GSM网络空中接口功能模块，可以对数据进行编解码处理，转换成Internet网络的数据传送格式，通过中国移动通信公司的GPRS无线数据网络进行传输，最终传送到监控中心。各终端使用GPRS透明数据传输模块，通过GPRS网络与监控中心相连，监控中心同时对各点进行登记，保存相关资料以便于管理，如图3所示。

图3 气动盾形闸门无线通信系统示意图

这样就可以在远程服务器或者智能手机上安装监控APP软件，实现随时随地的监控，极大地提高了气动盾形闸门监控的实时性和先进性。

4 结语

气动盾形闸门是一种新型、环保的水利设施，其技术先进成熟、美观环保、安全可靠、施工期短、使用寿命长，可广泛应用于河道治理、水库排污排漂、坝顶加高、海口防潮、引水灌溉、防洪排涝、城市景观等工程。当闸门全部倒卧在河底时，可高效泄水，不影响景观和通航，且鱼类等水生物还可回游，保护生态。当闸门起升全关闭时，可以蓄水，超过设定水位时，可形成溢流瀑布景观。随着国内相关技术的日趋成熟，高水头气动盾形闸门也必将得到广大用户的一致认可和应用。