氣動盾形閘門在寒區(qū)人工濕地中的應用

鞏憲春，范寶山，程 煒，張志崇，李廣一

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061；2.水利部寒區(qū)工程技術研究中心，吉林 長春 130061；3.江河機電裝備工程有限公司，北京 100070）

氣動盾形閘門在寒區(qū)人工濕地中的應用

鞏憲春1，2，范寶山1，2，程 煒3，張志崇1，2，李廣一1，2

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061；2.水利部寒區(qū)工程技術研究中心，吉林 長春 130061；3.江河機電裝備工程有限公司，北京 100070）

以松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地工程為實例，系統(tǒng)介紹了氣動盾形閘門在寒區(qū)的應用設計，給出了閘門、擴散式消力池和海漫等相關結構生態(tài)化的設計方法；提出在鋼門板的頂邊緣加設橫梁來提高閘門抗冰（水）推力的性能，防止頂邊緣變形而導致頂邊緣失去整齊的美觀效果。

氣動盾形閘門；寒區(qū)；人工濕地；水源地保護；松花湖

1 前言

氣動盾形閘門是近年來興起的一種新型閘門，兼具橡膠壩和鋼壩閘的優(yōu)點，得到了市場的肯定和認可，在水利樞紐溢洪道、河道治理工程中的閘壩等領域均有應用，并有逐年增加的趨勢。松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地建設項目的生態(tài)塘泄水閘選型，需要滿足冬季運行、雙向擋水、操作靈活、經(jīng)久耐用和維修簡單等多方面的要求。通過多方面的技術論證分析，表明氣動盾形閘門具有明顯的優(yōu)勢。下面以松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地建設項目生態(tài)塘泄水閘為例，具體說明氣動盾形閘門在寒區(qū)人工濕地中的應用。

2 松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地項目簡介

松花湖（即豐滿水庫）旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地建設項目是松花湖生態(tài)環(huán)境保護試點總體項目的重要組成部分，試點總體方案項目計劃總投資為8.656億元，申請國家投資4.121億元（財建[2011]464號），地方配套4.535億元。項目所在的旺起鎮(zhèn)湖濱區(qū)域位于地表水飲用水源準保護區(qū)、“三湖”國家級自然保護區(qū)的實驗區(qū)，項目主要針對松花湖入湖河流受城鎮(zhèn)生活污水直接排放、農(nóng)村村落分散污染、水土流失、面源污染等影響的特點，通過在入湖河流河口附近實施人工濕地工程，從而達到有效削減入湖污染負荷，改善松花湖水環(huán)境質(zhì)量的目的。

在寒冷地區(qū)建設生態(tài)濕地，需要解決冬季的運行問題。松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地建設項目是通過濕地的水生物和植物的吸收和降解，去除進入濕地的污染物。但冬季水生物和植物的吸收和降解能力非常弱，對進入濕地水體的污染物處理量很少?？紤]到冬季河流封凍，幾乎沒有徑流進入濕地，進入濕地的水體僅僅是污水處理廠的一級A排放水體，所以工程采取了建設生態(tài)塘的措施，納蓄污水處理廠的排放水體，在水生物和植物活躍季節(jié)對水體進行充分吸收和降解、水質(zhì)達到地表水三類標準后，再排放入松花湖。生態(tài)塘濕地與松花湖之間由堤壩和泄水閘將二者隔離開。泄水閘冬季擋水，夏季開閘泄水。另外，當豐滿水庫（松花湖）水位超過濕地水位時，泄水閘關閉，阻擋松花湖水進入濕地。所以，生態(tài)塘泄水閘有兩方面的特定要求，整個冬季運行期間，必須承受冰厚1.2m左右的凍脹推力；夏季運行期間，正面擋水防止?jié)竦氐乃w未達標前進入松花湖，反向擋水限制松花湖高水位時水體進入濕地，即閘門需要雙向擋水。

松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地建設項目位于吉林市豐滿區(qū)旺起鎮(zhèn)境內(nèi)漂爾河及楊家溝河口附近的松花湖湖濱區(qū)域，工程區(qū)由植被緩沖帶區(qū)、人工濕地污水處理區(qū)、湖濱濕地生態(tài)區(qū)及生態(tài)塘區(qū)組成。人工濕地水質(zhì)改善處理流程見圖1，多年平均年處理水量約0.25×108m3。旺起鎮(zhèn)污水處理設施出水水量較小（400m3/d，即0.00146億m3/a），污染物濃度相對較高（CODcr：50mg/L，NH3-N：5mg/L）；漂爾河、楊家溝河水水量較大（多年平均處理水量0.247億m3）、污染物濃度相對較低（CODcr：30mg/L，NH3-N：0.5mg/L）。污水處理設施出水與楊家溝、漂爾河河水混合進入回轉式溝渠濕地、生態(tài)塘處理后排入松花湖。工程實施后，區(qū)域入湖水質(zhì)達到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類水標準；工程實施改善了湖濱生態(tài)環(huán)境，提高了區(qū)域生物多樣性保護功能，同時美化了湖濱景觀，為促進當?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展創(chuàng)造條件。

圖1 水質(zhì)改善處理工藝流程圖

3 寒區(qū)水源地保護人工濕地中氣動盾形閘門的設計

松花湖旺起鎮(zhèn)湖濱人工濕地建設項目生態(tài)塘泄水閘的設計，充分體現(xiàn)“融合自然”的設計理念，實現(xiàn)工程與周邊環(huán)境的良好銜接?？紤]到工程位于寒冷地區(qū)，冬季水面結冰，冰厚達0.8～1.2m，為了維持濕地冬季能夠正常運行，選用氣動盾形閘門作為生態(tài)塘泄水閘。基于以下考慮：①閘前的冰體只能與氣動盾形閘門的鋼閘板接觸，鋼閘板后面的橡膠氣袋在鋼閘板的保護下，不會受到冰體的破壞；②氣動盾形閘門屬于具有一定的彈性空間非剛性閘門，兼有橡膠壩和鋼閘門的兩方面優(yōu)點，當鋼閘板受到冰推力時，氣袋會發(fā)生變形，從而釋放鋼閘板前的冰推力。

3.1 生態(tài)塘泄水閘調(diào)度方式

生態(tài)塘是納蓄污水進行生物、植物降解的場所。在植物的生長季節(jié)，吸收水體中的有機物，在冬季對干枯的植物秸稈焚燒處理，避免植物在生態(tài)塘內(nèi)腐爛造成二次污染。生態(tài)塘閘門分為正常運行工況和松花湖高水位運行工況。本次生態(tài)濕地氣動盾形閘門的功能設計，不僅是洪水期間的行洪通道，同時兼有非洪水期間水體進行有氧、厭氧凈化的功能。生態(tài)塘水體經(jīng)氣動盾形閘門時，以瀑布的形式跌落到消力池中，水體得了充分曝氣，使水體得到了進一步的有氧凈化。

正常工況是指松花湖水位較低（低于260.0m）時濕地系統(tǒng)運行狀況。該工況下，漂爾河不發(fā)生洪水時，河道流量在3m3/s左右，全部進入人工濕地進行處理，水體在濕地系統(tǒng)內(nèi)緩慢的流動；當漂爾河發(fā)生洪水時，進入人工濕地進行處理的最大流量5m3/s，其余部分進入生態(tài)塘。生態(tài)塘雙向溢流泄水閘（6.0×20m）擋水高度260.0~262.0m，根據(jù)植物生長和水質(zhì)凈化的綜合需要進行階段性調(diào)整，生態(tài)塘雙向溢流泄水閘控制生態(tài)塘達標水體流入松花湖。

松花湖高水位工況是指松花湖水位高于260.0m時濕地系統(tǒng)的運行狀況。該工況下，抬升生態(tài)塘雙向溢流泄水閘擋水高度，避免松花湖水位上升對濕地造成沖擊。當生態(tài)塘壩上雙向溢流閘門擋水高度調(diào)整至261.1m時，濕地系統(tǒng)容積為408.04×104m3，大于漂爾河、楊家溝2年一遇設計洪水的1d洪量之和392.4×104m3。

3.2 生態(tài)塘氣動盾形閘門設計

雙向溢流閘氣動盾形閘門設計標準為20年一遇，泄流量為305.25m3/s，校核洪水標準為50年一遇，下泄流量為401.68m3/s。閘門具體參數(shù)見表1。

表1 雙向溢流閘門設計參數(shù)表

3.2.1 縱向布置

氣動盾形閘門順水流方向布置有：上游鋪蓋、閘室、下游消力池、海漫、防沖槽共5部分。

上游鋪蓋為鋼筋混凝土結構，標號為C25W6F200。鋪蓋順水流方向長度為15.00m，鋪蓋厚為1.0m，鋪蓋上、下游設有深度為1.00m、底寬0.50m的齒墻，鋪蓋底部設有10cm厚素混凝土。

閘室底板為鋼筋混凝土結構，標號為C25W6F200，順水流方向長度為16.00m，閘室中心線上游底板厚為2.70m，下游底板厚度2.38m。閘室上、下游設有深度為1.00m、底寬1.00m的齒槽，底部設有10cm厚素混凝土墊層。閘室下粘土層用毛石混凝土換基。

消力池為鋼筋混凝土結構，標號為C25W6F200。消力池由斜坡段和池身段兩部分組成，斜坡段與閘底板相接處設有底寬1.00m的齒槽，齒槽深度為1.90m；斜坡段坡比為1:4，斜坡段水平投影長度為12.92m，池身段長度為21.20m，消力池底板厚為1.20m，消力池尾部設有高2.40m、頂寬1.00m的消力坎。底部設10cm厚素混凝土墊層，30cm碎石墊層及無紡布。

海漫段為格柵石籠結構形式，進一步消除水流經(jīng)消力池的剩余能量，且結構又具有一定的柔性。海漫長30.00m，厚度為50cm。通常海漫段下鋪30cm卵石或碎石反濾層和400g/m2無紡布，為了提高海漫下墊層的透水量，厚度可以增加到50cm。海漫末段設有深2.00m的防沖槽，下游坡比為1:1，槽內(nèi)拋填大塊石。

海漫表層為格柵石籠，下層為塊徑2~5cm的卵石或碎石墊層，使海漫具有極強的透水性能，當流出濕地的水體經(jīng)過氣動盾形閘門板獲得曝氣得到有氧凈化后，在流出消力池進入海漫時，水體迅速滲入海漫之下，在距離海漫下游末端3~5m的范圍，海漫表面完全沒有水體，流出濕地的水體完全在海漫下塊徑為2~5cm的卵石或碎石墊層中流動，水體得到了厭氧凈化。

3.2.2 橫向布置

雙向溢流閘上游鋪蓋底板與擋墻為一體，為“U”型槽結構；閘室段閘底板亦采用“U”型槽與左、右兩岸擋墻相接；消力池段進行兩次擴散，斜坡段與閘底板中心線成7°擴散；池身段與閘底板中心線成42°擴散；擴散型消力池下游海漫的面積成倍增加，有利于流出濕地的水體下滲，使水體得到厭氧凈化。

3.2.3 閘門布置

閘門由門體結構、埋件、氣袋和氣動系統(tǒng)組成。門體擋水面是一排強化鋼板，氣袋支撐在鋼板下游面，利用氣袋的充氣或排氣控制門體起伏和支承閘門的擋水，并可精確控制閘門開度。閘門防腐按照《水工金屬結構防腐蝕規(guī)范》（SL105-95），采用噴鋼砂除銹及噴鋅處理，最后再涂刷防銹面漆。閘門全開時，門體全部倒臥在河底，不影響景觀、通航和水生動物的洄游。閘門全關時，門頂可形成人工設計的各種溢流景觀。為了提高閘門冬季的抗冰推力性能，在鋼門板的頂邊緣加設橫梁，防止頂緣變形而導致頂緣失去整齊的美觀效果。

氣動盾形閘門左、右岸邊墩采用U型槽鋼筋混凝土擋土墻型式，標號為C25W6F200，邊墩頂寬均為1.00m，邊墩頂高程均與生態(tài)塘壩高程相同，擋墻、閘底為一整體結構。

閘門高度確定：雙向溢流閘建成后，既要滿足松花湖低水位時，漂爾河、楊家溝洪水能正常宣泄；又要保證松花湖高水位時，上游濕地不受洪水破壞。根據(jù)人工濕地總體布局，綜合考慮上、下游水位關系，在保證閘門能夠安全可靠地運行的前提下，確定氣動盾形閘門設計擋水高度為6.00m，門頂可溢流，最大溢流高度為30cm。

閘門凈寬確定：氣動盾形閘門的總寬度應滿足調(diào)洪演算后宣泄洪水的要求，確定氣動盾形閘門凈寬為20.00m，1孔。

3.3 消能防沖計算

氣動盾形閘門完全開啟泄流后，與河床齊平，泄流能力按寬頂堰計算。閘孔凈寬20m時，20年一遇、50年一遇設計洪水下，氣動盾形閘門完全倒臥泄洪，計算閘前設計水位見表2。

消能防沖計算考慮最不利工況，即消力池上游設計洪水位，下游無水。依據(jù)雙向溢流氣動盾形閘門消力池池深、池長、消力池底板厚度、海漫長度、海漫末端沖刷深度等計算結果，參照《水工設計手冊》第6冊《泄水與過壩建筑物》中的經(jīng)驗值，最終確定消能防沖設施為：消力池池深2.40m；池長21.20m；消力池底板厚度1.20m；海漫長度30.00m；下游防沖槽深度2.00m。

3.4 滲透穩(wěn)定計算

氣動盾形閘門在底板上游設置了混凝土鋪蓋，閘基水平段從上游鋪蓋前沿到消力池排水孔處采用直線比例法計算滲徑長度L水平，閘基出口段用改進阻力系數(shù)法計算。閘基滲透穩(wěn)定計算結果列于表3，可見，水平段、出口段滲透坡降小于相應允許坡降，閘基滿足滲透穩(wěn)定要求。

3.5 閘室穩(wěn)定計算

閘室段地基換填毛石混凝土，底板底面與地基摩擦系數(shù)f=0.65，分不同工況，取單寬底板驗算基礎穩(wěn)定。最大、最小地基應力比的允許值按中等密實考慮，基本組合為2.0，特殊組合為2.5。地勘報告給出此段砂礫石的承載力fak=400kPa，由表4可知，地基承載力及應力比滿足要求；沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc的最小值為1.27，說明雙向溢流氣動盾形閘門滿足抗滑穩(wěn)定要求。

3.6 氣動盾形閘門控制系統(tǒng)設計

氣動盾形閘門控制系統(tǒng)由充、排氣系統(tǒng)和控制裝置兩部分組成。充、排氣系統(tǒng)具有手動控制和自動控制兩種模式。當充氣達到系統(tǒng)設定的壓力后，停止供氣。停車時，必須先停止冷干機，后停止空壓機。壓力低于設計壓力范圍時，根據(jù)電氣自動控制部分所設定的程序，系統(tǒng)自動充氣?？刂葡到y(tǒng)采用PLC作為主控制器，由數(shù)字量IO模塊、模擬量IO模塊、通信模塊、電源、傳感器以及觸摸屏等組成。系統(tǒng)可以通過預先設定閘門擋水高度，在無人參與情況下，自動控制閘門高度。基于可擴展的PLC機型，可實現(xiàn)遠程控制。

4 結語

旺起濕地氣動盾形閘門的泄水、防護構筑物設計，除了具有傳統(tǒng)的泄洪防沖的功能外，還具有對非洪水期間的過閘水體進行有氧、厭氧水質(zhì)凈化功能。氣動盾形閘門的這種設計方式，使泄水建筑物不僅是洪水期間的行洪通道，也是非洪水期間水體進行有氧、厭氧凈化的場所。同時，在鋼閘板的頂邊緣加設橫梁，提高了寒冷地區(qū)閘門冬季的抗冰推力性能，可有效防止頂緣變形。

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1672-5387（2017）05-0093-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.024

2017-03-17

鞏憲春（1964-），男，高級工程師，從事水工水力學模型試驗、冰水力學問題研究工作。