气动盾形闸门在寒区人工湿地中的应用

巩宪春，范宝山，程 炜，张志崇，李广一

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春 130061；3.江河机电装备工程有限公司，北京 100070）

气动盾形闸门在寒区人工湿地中的应用

巩宪春1，2，范宝山1，2，程 炜3，张志崇1，2，李广一1，2

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春 130061；3.江河机电装备工程有限公司，北京 100070）

以松花湖旺起镇湖滨人工湿地工程为实例，系统介绍了气动盾形闸门在寒区的应用设计，给出了闸门、扩散式消力池和海漫等相关结构生态化的设计方法；提出在钢门板的顶边缘加设横梁来提高闸门抗冰（水）推力的性能，防止顶边缘变形而导致顶边缘失去整齐的美观效果。

气动盾形闸门；寒区；人工湿地；水源地保护；松花湖

1 前言

气动盾形闸门是近年来兴起的一种新型闸门，兼具橡胶坝和钢坝闸的优点，得到了市场的肯定和认可，在水利枢纽溢洪道、河道治理工程中的闸坝等领域均有应用，并有逐年增加的趋势。松花湖旺起镇湖滨人工湿地建设项目的生态塘泄水闸选型，需要满足冬季运行、双向挡水、操作灵活、经久耐用和维修简单等多方面的要求。通过多方面的技术论证分析，表明气动盾形闸门具有明显的优势。下面以松花湖旺起镇湖滨人工湿地建设项目生态塘泄水闸为例，具体说明气动盾形闸门在寒区人工湿地中的应用。

2 松花湖旺起镇湖滨人工湿地项目简介

松花湖（即丰满水库）旺起镇湖滨人工湿地建设项目是松花湖生态环境保护试点总体项目的重要组成部分，试点总体方案项目计划总投资为8.656亿元，申请国家投资4.121亿元（财建[2011]464号），地方配套4.535亿元。项目所在的旺起镇湖滨区域位于地表水饮用水源准保护区、“三湖”国家级自然保护区的实验区，项目主要针对松花湖入湖河流受城镇生活污水直接排放、农村村落分散污染、水土流失、面源污染等影响的特点，通过在入湖河流河口附近实施人工湿地工程，从而达到有效削减入湖污染负荷，改善松花湖水环境质量的目的。

在寒冷地区建设生态湿地，需要解决冬季的运行问题。松花湖旺起镇湖滨人工湿地建设项目是通过湿地的水生物和植物的吸收和降解，去除进入湿地的污染物。但冬季水生物和植物的吸收和降解能力非常弱，对进入湿地水体的污染物处理量很少。考虑到冬季河流封冻，几乎没有径流进入湿地，进入湿地的水体仅仅是污水处理厂的一级A排放水体，所以工程采取了建设生态塘的措施，纳蓄污水处理厂的排放水体，在水生物和植物活跃季节对水体进行充分吸收和降解、水质达到地表水三类标准后，再排放入松花湖。生态塘湿地与松花湖之间由堤坝和泄水闸将二者隔离开。泄水闸冬季挡水，夏季开闸泄水。另外，当丰满水库（松花湖）水位超过湿地水位时，泄水闸关闭，阻挡松花湖水进入湿地。所以，生态塘泄水闸有两方面的特定要求，整个冬季运行期间，必须承受冰厚1.2m左右的冻胀推力；夏季运行期间，正面挡水防止湿地的水体未达标前进入松花湖，反向挡水限制松花湖高水位时水体进入湿地，即闸门需要双向挡水。

松花湖旺起镇湖滨人工湿地建设项目位于吉林市丰满区旺起镇境内漂尔河及杨家沟河口附近的松花湖湖滨区域，工程区由植被缓冲带区、人工湿地污水处理区、湖滨湿地生态区及生态塘区组成。人工湿地水质改善处理流程见图1，多年平均年处理水量约0.25×108m3。旺起镇污水处理设施出水水量较小（400m3/d，即0.00146亿m3/a），污染物浓度相对较高（CODcr：50mg/L，NH3-N：5mg/L）；漂尔河、杨家沟河水水量较大（多年平均处理水量0.247亿m3）、污染物浓度相对较低（CODcr：30mg/L，NH3-N：0.5mg/L）。污水处理设施出水与杨家沟、漂尔河河水混合进入回转式沟渠湿地、生态塘处理后排入松花湖。工程实施后，区域入湖水质达到地表水环境质量Ⅲ类水标准；工程实施改善了湖滨生态环境，提高了区域生物多样性保护功能，同时美化了湖滨景观，为促进当地旅游业的发展创造条件。

图1 水质改善处理工艺流程图

3 寒区水源地保护人工湿地中气动盾形闸门的设计

松花湖旺起镇湖滨人工湿地建设项目生态塘泄水闸的设计，充分体现“融合自然”的设计理念，实现工程与周边环境的良好衔接。考虑到工程位于寒冷地区，冬季水面结冰，冰厚达0.8～1.2m，为了维持湿地冬季能够正常运行，选用气动盾形闸门作为生态塘泄水闸。基于以下考虑：①闸前的冰体只能与气动盾形闸门的钢闸板接触，钢闸板后面的橡胶气袋在钢闸板的保护下，不会受到冰体的破坏；②气动盾形闸门属于具有一定的弹性空间非刚性闸门，兼有橡胶坝和钢闸门的两方面优点，当钢闸板受到冰推力时，气袋会发生变形，从而释放钢闸板前的冰推力。

3.1 生态塘泄水闸调度方式

生态塘是纳蓄污水进行生物、植物降解的场所。在植物的生长季节，吸收水体中的有机物，在冬季对干枯的植物秸秆焚烧处理，避免植物在生态塘内腐烂造成二次污染。生态塘闸门分为正常运行工况和松花湖高水位运行工况。本次生态湿地气动盾形闸门的功能设计，不仅是洪水期间的行洪通道，同时兼有非洪水期间水体进行有氧、厌氧净化的功能。生态塘水体经气动盾形闸门时，以瀑布的形式跌落到消力池中，水体得了充分曝气，使水体得到了进一步的有氧净化。

正常工况是指松花湖水位较低（低于260.0m）时湿地系统运行状况。该工况下，漂尔河不发生洪水时，河道流量在3m3/s左右，全部进入人工湿地进行处理，水体在湿地系统内缓慢的流动；当漂尔河发生洪水时，进入人工湿地进行处理的最大流量5m3/s，其余部分进入生态塘。生态塘双向溢流泄水闸（6.0×20m）挡水高度260.0~262.0m，根据植物生长和水质净化的综合需要进行阶段性调整，生态塘双向溢流泄水闸控制生态塘达标水体流入松花湖。

松花湖高水位工况是指松花湖水位高于260.0m时湿地系统的运行状况。该工况下，抬升生态塘双向溢流泄水闸挡水高度，避免松花湖水位上升对湿地造成冲击。当生态塘坝上双向溢流闸门挡水高度调整至261.1m时，湿地系统容积为408.04×104m3，大于漂尔河、杨家沟2年一遇设计洪水的1d洪量之和392.4×104m3。

3.2 生态塘气动盾形闸门设计

双向溢流闸气动盾形闸门设计标准为20年一遇，泄流量为305.25m3/s，校核洪水标准为50年一遇，下泄流量为401.68m3/s。闸门具体参数见表1。

表1 双向溢流闸门设计参数表

3.2.1 纵向布置

气动盾形闸门顺水流方向布置有：上游铺盖、闸室、下游消力池、海漫、防冲槽共5部分。

上游铺盖为钢筋混凝土结构，标号为C25W6F200。铺盖顺水流方向长度为15.00m，铺盖厚为1.0m，铺盖上、下游设有深度为1.00m、底宽0.50m的齿墙，铺盖底部设有10cm厚素混凝土。

闸室底板为钢筋混凝土结构，标号为C25W6F200，顺水流方向长度为16.00m，闸室中心线上游底板厚为2.70m，下游底板厚度2.38m。闸室上、下游设有深度为1.00m、底宽1.00m的齿槽，底部设有10cm厚素混凝土垫层。闸室下粘土层用毛石混凝土换基。

消力池为钢筋混凝土结构，标号为C25W6F200。消力池由斜坡段和池身段两部分组成，斜坡段与闸底板相接处设有底宽1.00m的齿槽，齿槽深度为1.90m；斜坡段坡比为1:4，斜坡段水平投影长度为12.92m，池身段长度为21.20m，消力池底板厚为1.20m，消力池尾部设有高2.40m、顶宽1.00m的消力坎。底部设10cm厚素混凝土垫层，30cm碎石垫层及无纺布。

海漫段为格栅石笼结构形式，进一步消除水流经消力池的剩余能量，且结构又具有一定的柔性。海漫长30.00m，厚度为50cm。通常海漫段下铺30cm卵石或碎石反滤层和400g/m2无纺布，为了提高海漫下垫层的透水量，厚度可以增加到50cm。海漫末段设有深2.00m的防冲槽，下游坡比为1:1，槽内抛填大块石。

海漫表层为格栅石笼，下层为块径2~5cm的卵石或碎石垫层，使海漫具有极强的透水性能，当流出湿地的水体经过气动盾形闸门板获得曝气得到有氧净化后，在流出消力池进入海漫时，水体迅速渗入海漫之下，在距离海漫下游末端3~5m的范围，海漫表面完全没有水体，流出湿地的水体完全在海漫下块径为2~5cm的卵石或碎石垫层中流动，水体得到了厌氧净化。

3.2.2 横向布置

双向溢流闸上游铺盖底板与挡墙为一体，为“U”型槽结构；闸室段闸底板亦采用“U”型槽与左、右两岸挡墙相接；消力池段进行两次扩散，斜坡段与闸底板中心线成7°扩散；池身段与闸底板中心线成42°扩散；扩散型消力池下游海漫的面积成倍增加，有利于流出湿地的水体下渗，使水体得到厌氧净化。

3.2.3 闸门布置

闸门由门体结构、埋件、气袋和气动系统组成。门体挡水面是一排强化钢板，气袋支撑在钢板下游面，利用气袋的充气或排气控制门体起伏和支承闸门的挡水，并可精确控制闸门开度。闸门防腐按照《水工金属结构防腐蚀规范》（SL105-95），采用喷钢砂除锈及喷锌处理，最后再涂刷防锈面漆。闸门全开时，门体全部倒卧在河底，不影响景观、通航和水生动物的洄游。闸门全关时，门顶可形成人工设计的各种溢流景观。为了提高闸门冬季的抗冰推力性能，在钢门板的顶边缘加设横梁，防止顶缘变形而导致顶缘失去整齐的美观效果。

气动盾形闸门左、右岸边墩采用U型槽钢筋混凝土挡土墙型式，标号为C25W6F200，边墩顶宽均为1.00m，边墩顶高程均与生态塘坝高程相同，挡墙、闸底为一整体结构。

闸门高度确定：双向溢流闸建成后，既要满足松花湖低水位时，漂尔河、杨家沟洪水能正常宣泄；又要保证松花湖高水位时，上游湿地不受洪水破坏。根据人工湿地总体布局，综合考虑上、下游水位关系，在保证闸门能够安全可靠地运行的前提下，确定气动盾形闸门设计挡水高度为6.00m，门顶可溢流，最大溢流高度为30cm。

闸门净宽确定：气动盾形闸门的总宽度应满足调洪演算后宣泄洪水的要求，确定气动盾形闸门净宽为20.00m，1孔。

3.3 消能防冲计算

气动盾形闸门完全开启泄流后，与河床齐平，泄流能力按宽顶堰计算。闸孔净宽20m时，20年一遇、50年一遇设计洪水下，气动盾形闸门完全倒卧泄洪，计算闸前设计水位见表2。

消能防冲计算考虑最不利工况，即消力池上游设计洪水位，下游无水。依据双向溢流气动盾形闸门消力池池深、池长、消力池底板厚度、海漫长度、海漫末端冲刷深度等计算结果，参照《水工设计手册》第6册《泄水与过坝建筑物》中的经验值，最终确定消能防冲设施为：消力池池深2.40m；池长21.20m；消力池底板厚度1.20m；海漫长度30.00m；下游防冲槽深度2.00m。

3.4 渗透稳定计算

气动盾形闸门在底板上游设置了混凝土铺盖，闸基水平段从上游铺盖前沿到消力池排水孔处采用直线比例法计算渗径长度L水平，闸基出口段用改进阻力系数法计算。闸基渗透稳定计算结果列于表3，可见，水平段、出口段渗透坡降小于相应允许坡降，闸基满足渗透稳定要求。

3.5 闸室稳定计算

闸室段地基换填毛石混凝土，底板底面与地基摩擦系数f=0.65，分不同工况，取单宽底板验算基础稳定。最大、最小地基应力比的允许值按中等密实考虑，基本组合为2.0，特殊组合为2.5。地勘报告给出此段砂砾石的承载力fak=400kPa，由表4可知，地基承载力及应力比满足要求；沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数Kc的最小值为1.27，说明双向溢流气动盾形闸门满足抗滑稳定要求。

3.6 气动盾形闸门控制系统设计

气动盾形闸门控制系统由充、排气系统和控制装置两部分组成。充、排气系统具有手动控制和自动控制两种模式。当充气达到系统设定的压力后，停止供气。停车时，必须先停止冷干机，后停止空压机。压力低于设计压力范围时，根据电气自动控制部分所设定的程序，系统自动充气。控制系统采用PLC作为主控制器，由数字量IO模块、模拟量IO模块、通信模块、电源、传感器以及触摸屏等组成。系统可以通过预先设定闸门挡水高度，在无人参与情况下，自动控制闸门高度。基于可扩展的PLC机型，可实现远程控制。

4 结语

旺起湿地气动盾形闸门的泄水、防护构筑物设计，除了具有传统的泄洪防冲的功能外，还具有对非洪水期间的过闸水体进行有氧、厌氧水质净化功能。气动盾形闸门的这种设计方式，使泄水建筑物不仅是洪水期间的行洪通道，也是非洪水期间水体进行有氧、厌氧净化的场所。同时，在钢闸板的顶边缘加设横梁，提高了寒冷地区闸门冬季的抗冰推力性能，可有效防止顶缘变形。

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1672-5387（2017）05-0093-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.024

2017-03-17

巩宪春（1964-），男，高级工程师，从事水工水力学模型试验、冰水力学问题研究工作。