大型水利工程气盾坝安装及优化关键技术*

靳 恒，王清峰，郑敏哲，张恒强，杨 帆

(中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

近年来，随着城市化建设和水环境治理的推进，大跨度、低水头的拦河闸坝发展迅速，气盾坝作为新型闸坝之一被广泛运用[1]。2008年，水利部立项“引进、吸收、消化、提高、再创新”，并将气盾坝列入国家推广计划[2]。该坝型应用不受跨度限制、对基础沉降适应能力强、施工工期短、运行安全可靠，经过多年发展，已被广泛应用于蓄水、景观、泄洪等方面[3]。截至目前，国内学者对气盾坝在河道、景观工程中的应用及力学特性等均有不同程度的研究[4-6]。但由于其结构的独特性和新颖性，在沣河流域水系的安装工艺缺乏系统性的研究。

鉴于此，本文结合陕西省斗门水库工程，通过理论研究、现场监测等手段系统研究气盾坝施工关键技术，并对安装装置进行优化设计，对于大型水利工程气盾坝施工技术的发展具有重要意义。

1 工程概况

斗门水库工程是关中水系规划的三大生态湖泊之一，是“八水绕长安”规划中的核心工程，是沣河流域综合保护利用规划的核心工程，也是西安厚重历史文化传承的重要节点[7]。斗门水库工程总库容5 052万m3，库区总面积10.4km2，总长14.9km，枢纽工程大坝为拦河气盾坝，建筑物设计等级为3级。气盾坝底板设计高程为397.500m，坝顶设计高程为401.300m，坝高3.8m。

2 气盾坝概述

气盾坝是综合橡胶坝、钢闸坝二者优点的一种新型水工建筑物，通过对气囊充排气实现闸门起落，可在短时间内实现快速塌坝[8]。气盾坝由盾板保护系统、气囊支撑系统、基础锚固系统及1套控制系统组成，如图1所示。

图1 气盾坝组成

气盾坝运行原理如图2所示。①立坝挡水 可对气囊快速充气支撑起盾板，实现挡水；②坝高调节 气盾坝控制系统通过调节气囊内充气压力，及时调节立坝所需的挡水高度；③行洪塌坝 通过释放气囊内的压缩空气，使盾板及气囊平稳降落并紧贴河床底板，且气囊被盾板完全覆盖，水中的泥沙和漂浮物越过盾板，使气囊、基础埋件等处于安全的保护环境。

图2 气盾坝运行原理

气盾坝与传统坝型相比具有以下技术优势。

1)成本低、安装工期短 气盾坝建设时无需大量的支墩、工作桥等，设计为简易的模块化结构，安装作业现场无需大型吊装机具，安装作业人员少、成本低。

2)清污、排淤能力强 气盾坝行洪塌坝时，盾板可与基础底面平齐，不阻水，可实现充分排淤。通过快速降坝，提高下泄水流速度，也可加大排沙、排淤能力[3]。

3)使用寿命长 气盾坝使用寿命长短取决于橡胶气囊的寿命，橡胶气囊最大的损害往往来自外部磨损，而气盾坝在立坝挡水和行洪塌坝时，气囊均处于盾板下方，处于安全的保护环境，使用寿命长。

3 气盾坝安装关键技术

结合斗门水库实际工程，总结拦河气盾坝安装关键技术，主要包括预埋件、气盾坝主体结构、气盾坝控制系统的安装。气盾坝安装流程如图3所示。

图3 气盾坝安装流程

3.1 预埋件安装

3.1.1坝床、基础清理

安装施工前，需将坝面所有堆放的物资和杂物、预埋螺栓螺纹和下压板附着的混凝土清理干净；同时，将伸缩缝内杂物清除磨平后灌入热沥青；最后打磨平整边墙、中墩，并涂刷环氧树脂胶。

3.1.2锚固螺栓预埋

施工中，将螺栓和垫板组装，在垫板下方安放定位螺母，调整螺栓露出垫板工作面，进行螺栓锚固安装。

3.1.3充排气管线安装

1)气盾坝的充排气管与气囊连接段采用φ90不锈钢管，管头采用法兰连接。主管路采用φ50 PPR 管，管头间采用热熔连接。

2)在总管线入口处，按要求排布管线，分好上、下层，并对每条管线进行标记，以便与控制房管线对接。

3)管线接好后，需进行打压试验，将所有管路的坝底板一端用堵头封闭，在靠近控制房一端安装压力表，对管路进行充气试压并做好压力试验记录，以检查对接好的管线是否漏气。

3.2 盾坝主体结构安装

3.2.1闸门、气囊安装

3.2.1.1闸门面板安装

闸门面板安装前，需进行组装，将各部分盾板按顺序摆放在地面上，盾板圆钢保持水平，盾板与板间加橡胶密封条密封，利用螺栓拧紧，并观察盾板平整度，若有变化及时采取措施。

施工中，利用起重机将闸门面板吊起，将同一个气囊的闸门面板利用螺栓拼接，接缝部位打密封胶密封。将拼接后的闸门面板抬至指定气囊铰链位置。将已打好孔的铰链穿至闸门面板底部的焊接螺栓上，并安装铰链压板，利用螺母固定。

3.2.1.2气囊安装

对气盾坝气囊锚固进行优化设计，将新型燕尾式气囊应用至斗门水库工程。此工艺采用硫化罐抽真空进行加热加压完成气囊生产，整个气囊一次成型，气囊内部结构均匀，不存在过压和欠压的问题。气囊安装采用燕尾锚固(见图4)，无需打孔，将气囊中心线与闸门单元中心线对齐，按次序将气囊、铰链的燕尾部分放入锚固燕尾槽内。由于燕尾锚固无需在气囊上穿孔，可增加气囊的气密性和安全性。

图4 燕尾锚固

气囊安装时，使用起重机将气囊吊至合适位置，人机配合使气囊铺设在气囊就位线内，利用手拉葫芦、起重机辅以人工反复调整，将气囊下游与塌坝线及区域两边线精确重合，中心线与每组气囊区域中心线重合。

3.2.2主锚固压板安装

完成盾板进场打孔就位并通过验收后，可进行上压板锚固安装。

气囊就位并连接好充排气软管后，将闸门面板就位，闸门面板底部的铰链燕尾与气囊燕尾对齐置于燕尾槽内，气囊中线与面板中心线对齐。将主锚固压板按主锚固螺栓位置逐次安装，并拧紧紧固螺母。

3.2.3边墙止封和闸门间止封安装

将边墙止封和闸门间止封胶带按闸门面板上的止封固定螺栓间距打孔并套到止封螺栓上，同时安装铰链压板，利用螺母固定。边墙止封安装如图5所示。

图5 边墙止封安装

3.2.4抑制皮带安装

首先，对气囊充气，将闸门升起，以便安装抑制皮带。随后，将有尼龙棒一侧的抑制皮带用压板和螺母固定在闸门面板上，尼龙棒放置在上游位置并与压板接触。最后，拧紧抑制皮带锚栓螺母，避免抑制皮带滑动。抑制皮带安装如图6所示。

图6 抑制皮带安装

3.3 气盾坝控制系统安装

3.3.1控制系统特点

1)安全性高 气盾坝控制系统设有手动和自动2套系统，即使在洪水泛滥引发断电时，仍可通过手动排放气囊内空气控制水位安全泄洪。

2)自动控制水位精确 气盾坝控制系统易实现自动控制，控制水位精确，且依需要可进行分区起伏操作设计，实现防洪、防海水倒灌、蓄水功能，保证航运。

3)自助启动，环保高效 系统自助启动采用清洁、干燥的压缩空气，不使用任何机械用油或其他可能造成污染的污染物，极具环保特性。

3.3.2安装工艺

气盾坝闸房施工完成后进行气盾坝控制系统安装，控制系统包括电气设备及气动系统。其中，气盾坝电气设备包含PLC控制柜、螺杆空压机、储气罐、配电箱、冷冻式干燥机等。

安装时，标记墙上或地面孔的位置，用混凝土钻钻孔，安装楔形锚栓，将PLC控制柜放在准确位置，拧紧螺栓，固定控制柜。空压机等设备均按上述步骤安装。

气动系统包括空气干燥机、前后空气滤清器、储气罐、各种阀组、仪表、电气开关、管道等，应按GB/T 7932—2017《气动 对系统及其元件的一般规则和安全要求》相关规定、设备制造厂提供的图纸和安装使用说明书要求进行安装、调试和试运行。

安装完毕后，需对气盾坝整体运行进行调试。首先，充排气管路对气囊充气直至达到设计高度，并调整抑制皮带。操作期间应注意气囊是否漏气，若漏气，应拧紧压板上的螺母。其次，进行塌坝试验，通过排气试验起落调整板面平整。

安装调试后的设备，使其各项性能符合GB 50231—2009《机械设备安装工程施工及验收通用规范》、设计图纸及安装说明的要求。斗门水库现场气盾坝控制系统如图7所示。

图7 气盾坝控制系统

4 气盾坝安装装置优化

4.1 气盾坝盾板提升固定装置优化

1)现有技术问题 目前，气盾坝需立坝挡水时，主要通过控制系统对气囊充气达到设计高度后，结合抑制皮带拉升，控制盾板起落高度。由于气囊及抑制皮带均为橡胶材质，长期使用必然受到一定损耗，当气囊或抑制皮带任一种构件出现破损或水压力超过气囊的最大容许应力时，均会导致盾板无法按设计高度提升固定，造成严重灾害。

2)优化设计 基于上述技术问题，对气盾坝盾板提升固定装置提出优化设计。在盾板上部布置应力监测点，并在控制系统中安装PLC控制程序，设置预定应力值对应的伸缩高度，应力感应器将监测的水压力数据实时传送至控制系统，控制系统进行数据处理，当感应水压力达到某一预定应力值时，由控制设备控制伸缩杆进行工作，伸缩杆按控制系统预定高度升起，对盾板起固定作用。优化后的盾板提升固定装置结构如图8所示。

图8 盾板提升固定装置结构

4.2 气盾坝盾板间密封装置优化

1)现有技术问题 气盾坝盾板提升主要通过气囊充气控制盾板起落高度，但由于气囊充气过程的不均匀性，使相邻两盾板间在提升后可能会存在一定缝隙。现有盾板间密封装置均为条形止封胶带，易导致接缝不密实，引发渗漏现象，进而影响盾板下橡胶气囊的使用寿命。

2)优化设计 基于上述技术问题，本文在盾板左、右两侧粘贴3mm厚弧形蜂窝状遇水膨胀密封垫(聚醚型聚氨酯弹性体)，当气盾坝提升后相邻两侧盾板间产生错缝时，该蜂窝状弧形密封垫可遇水膨胀，能更好地挤密连接在一起，达到良好的密封防水效果。气盾坝盾板间接缝防水装置如图9所示。

图9 气盾坝盾板间接缝防水装置

5 结语

1)气盾坝安装关键技术主要包括预埋件、气盾坝主体结构、气盾坝控制系统的安装，其中气盾坝控制系统设有手动和自动2套系统，即使在洪水泛滥引发断电时，仍可通过手动排放气囊内空气控制水位安全泄洪，具有极高的安全性。

2)当气盾坝因气囊或抑制皮带任一种构件出现破损而导致盾板无法按设计高度提升时，优化后的盾板提升固定装置能及时感应水压力并按控制系统预定值及时提升，起到固定盾板的作用。

3)当气盾坝相邻两盾板提升产生错缝时，优化后的装置材料能将两相邻盾板进行挤密连接，达到良好的防水效果。