大型水利工程氣盾壩安裝及優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)*

靳 恒，王清峰，鄭敏哲，張恒強(qiáng)，楊 帆

(中國水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

近年來，隨著城市化建設(shè)和水環(huán)境治理的推進(jìn)，大跨度、低水頭的攔河閘壩發(fā)展迅速，氣盾壩作為新型閘壩之一被廣泛運(yùn)用[1]。2008年，水利部立項(xiàng)“引進(jìn)、吸收、消化、提高、再創(chuàng)新”，并將氣盾壩列入國家推廣計(jì)劃[2]。該壩型應(yīng)用不受跨度限制、對基礎(chǔ)沉降適應(yīng)能力強(qiáng)、施工工期短、運(yùn)行安全可靠，經(jīng)過多年發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于蓄水、景觀、泄洪等方面[3]。截至目前，國內(nèi)學(xué)者對氣盾壩在河道、景觀工程中的應(yīng)用及力學(xué)特性等均有不同程度的研究[4-6]。但由于其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性和新穎性，在灃河流域水系的安裝工藝缺乏系統(tǒng)性的研究。

鑒于此，本文結(jié)合陜西省斗門水庫工程，通過理論研究、現(xiàn)場監(jiān)測等手段系統(tǒng)研究氣盾壩施工關(guān)鍵技術(shù)，并對安裝裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對于大型水利工程氣盾壩施工技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 工程概況

斗門水庫工程是關(guān)中水系規(guī)劃的三大生態(tài)湖泊之一，是“八水繞長安”規(guī)劃中的核心工程，是灃河流域綜合保護(hù)利用規(guī)劃的核心工程，也是西安厚重歷史文化傳承的重要節(jié)點(diǎn)[7]。斗門水庫工程總庫容5 052萬m3，庫區(qū)總面積10.4km2，總長14.9km，樞紐工程大壩為攔河氣盾壩，建筑物設(shè)計(jì)等級為3級。氣盾壩底板設(shè)計(jì)高程為397.500m，壩頂設(shè)計(jì)高程為401.300m，壩高3.8m。

2 氣盾壩概述

氣盾壩是綜合橡膠壩、鋼閘壩二者優(yōu)點(diǎn)的一種新型水工建筑物，通過對氣囊充排氣實(shí)現(xiàn)閘門起落，可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速塌壩[8]。氣盾壩由盾板保護(hù)系統(tǒng)、氣囊支撐系統(tǒng)、基礎(chǔ)錨固系統(tǒng)及1套控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 氣盾壩組成

氣盾壩運(yùn)行原理如圖2所示。①立壩擋水 可對氣囊快速充氣支撐起盾板，實(shí)現(xiàn)擋水；②壩高調(diào)節(jié) 氣盾壩控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)充氣壓力，及時(shí)調(diào)節(jié)立壩所需的擋水高度；③行洪塌壩 通過釋放氣囊內(nèi)的壓縮空氣，使盾板及氣囊平穩(wěn)降落并緊貼河床底板，且氣囊被盾板完全覆蓋，水中的泥沙和漂浮物越過盾板，使氣囊、基礎(chǔ)埋件等處于安全的保護(hù)環(huán)境。

圖2 氣盾壩運(yùn)行原理

氣盾壩與傳統(tǒng)壩型相比具有以下技術(shù)優(yōu)勢。

1)成本低、安裝工期短 氣盾壩建設(shè)時(shí)無需大量的支墩、工作橋等，設(shè)計(jì)為簡易的模塊化結(jié)構(gòu)，安裝作業(yè)現(xiàn)場無需大型吊裝機(jī)具，安裝作業(yè)人員少、成本低。

2)清污、排淤能力強(qiáng) 氣盾壩行洪塌壩時(shí)，盾板可與基礎(chǔ)底面平齊，不阻水，可實(shí)現(xiàn)充分排淤。通過快速降壩，提高下泄水流速度，也可加大排沙、排淤能力[3]。

3)使用壽命長 氣盾壩使用壽命長短取決于橡膠氣囊的壽命，橡膠氣囊最大的損害往往來自外部磨損，而氣盾壩在立壩擋水和行洪塌壩時(shí)，氣囊均處于盾板下方，處于安全的保護(hù)環(huán)境，使用壽命長。

3 氣盾壩安裝關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合斗門水庫實(shí)際工程，總結(jié)攔河氣盾壩安裝關(guān)鍵技術(shù)，主要包括預(yù)埋件、氣盾壩主體結(jié)構(gòu)、氣盾壩控制系統(tǒng)的安裝。氣盾壩安裝流程如圖3所示。

圖3 氣盾壩安裝流程

3.1 預(yù)埋件安裝

3.1.1壩床、基礎(chǔ)清理

安裝施工前，需將壩面所有堆放的物資和雜物、預(yù)埋螺栓螺紋和下壓板附著的混凝土清理干凈；同時(shí)，將伸縮縫內(nèi)雜物清除磨平后灌入熱瀝青；最后打磨平整邊墻、中墩，并涂刷環(huán)氧樹脂膠。

3.1.2錨固螺栓預(yù)埋

施工中，將螺栓和墊板組裝，在墊板下方安放定位螺母，調(diào)整螺栓露出墊板工作面，進(jìn)行螺栓錨固安裝。

3.1.3充排氣管線安裝

1)氣盾壩的充排氣管與氣囊連接段采用φ90不銹鋼管，管頭采用法蘭連接。主管路采用φ50 PPR 管，管頭間采用熱熔連接。

2)在總管線入口處，按要求排布管線，分好上、下層，并對每條管線進(jìn)行標(biāo)記，以便與控制房管線對接。

3)管線接好后，需進(jìn)行打壓試驗(yàn)，將所有管路的壩底板一端用堵頭封閉，在靠近控制房一端安裝壓力表，對管路進(jìn)行充氣試壓并做好壓力試驗(yàn)記錄，以檢查對接好的管線是否漏氣。

3.2 盾壩主體結(jié)構(gòu)安裝

3.2.1閘門、氣囊安裝

3.2.1.1閘門面板安裝

閘門面板安裝前，需進(jìn)行組裝，將各部分盾板按順序擺放在地面上，盾板圓鋼保持水平，盾板與板間加橡膠密封條密封，利用螺栓擰緊，并觀察盾板平整度，若有變化及時(shí)采取措施。

施工中，利用起重機(jī)將閘門面板吊起，將同一個(gè)氣囊的閘門面板利用螺栓拼接，接縫部位打密封膠密封。將拼接后的閘門面板抬至指定氣囊鉸鏈位置。將已打好孔的鉸鏈穿至閘門面板底部的焊接螺栓上，并安裝鉸鏈壓板，利用螺母固定。

3.2.1.2氣囊安裝

對氣盾壩氣囊錨固進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將新型燕尾式氣囊應(yīng)用至斗門水庫工程。此工藝采用硫化罐抽真空進(jìn)行加熱加壓完成氣囊生產(chǎn)，整個(gè)氣囊一次成型，氣囊內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，不存在過壓和欠壓的問題。氣囊安裝采用燕尾錨固(見圖4)，無需打孔，將氣囊中心線與閘門單元中心線對齊，按次序?qū)饽摇q鏈的燕尾部分放入錨固燕尾槽內(nèi)。由于燕尾錨固無需在氣囊上穿孔，可增加氣囊的氣密性和安全性。

圖4 燕尾錨固

氣囊安裝時(shí)，使用起重機(jī)將氣囊吊至合適位置，人機(jī)配合使氣囊鋪設(shè)在氣囊就位線內(nèi)，利用手拉葫蘆、起重機(jī)輔以人工反復(fù)調(diào)整，將氣囊下游與塌壩線及區(qū)域兩邊線精確重合，中心線與每組氣囊區(qū)域中心線重合。

3.2.2主錨固壓板安裝

完成盾板進(jìn)場打孔就位并通過驗(yàn)收后，可進(jìn)行上壓板錨固安裝。

氣囊就位并連接好充排氣軟管后，將閘門面板就位，閘門面板底部的鉸鏈燕尾與氣囊燕尾對齊置于燕尾槽內(nèi)，氣囊中線與面板中心線對齊。將主錨固壓板按主錨固螺栓位置逐次安裝，并擰緊緊固螺母。

3.2.3邊墻止封和閘門間止封安裝

將邊墻止封和閘門間止封膠帶按閘門面板上的止封固定螺栓間距打孔并套到止封螺栓上，同時(shí)安裝鉸鏈壓板，利用螺母固定。邊墻止封安裝如圖5所示。

圖5 邊墻止封安裝

3.2.4抑制皮帶安裝

首先，對氣囊充氣，將閘門升起，以便安裝抑制皮帶。隨后，將有尼龍棒一側(cè)的抑制皮帶用壓板和螺母固定在閘門面板上，尼龍棒放置在上游位置并與壓板接觸。最后，擰緊抑制皮帶錨栓螺母，避免抑制皮帶滑動(dòng)。抑制皮帶安裝如圖6所示。

圖6 抑制皮帶安裝

3.3 氣盾壩控制系統(tǒng)安裝

3.3.1控制系統(tǒng)特點(diǎn)

1)安全性高 氣盾壩控制系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)2套系統(tǒng)，即使在洪水泛濫引發(fā)斷電時(shí)，仍可通過手動(dòng)排放氣囊內(nèi)空氣控制水位安全泄洪。

2)自動(dòng)控制水位精確 氣盾壩控制系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，控制水位精確，且依需要可進(jìn)行分區(qū)起伏操作設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)防洪、防海水倒灌、蓄水功能，保證航運(yùn)。

3)自助啟動(dòng)，環(huán)保高效 系統(tǒng)自助啟動(dòng)采用清潔、干燥的壓縮空氣，不使用任何機(jī)械用油或其他可能造成污染的污染物，極具環(huán)保特性。

3.3.2安裝工藝

氣盾壩閘房施工完成后進(jìn)行氣盾壩控制系統(tǒng)安裝，控制系統(tǒng)包括電氣設(shè)備及氣動(dòng)系統(tǒng)。其中，氣盾壩電氣設(shè)備包含PLC控制柜、螺桿空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、配電箱、冷凍式干燥機(jī)等。

安裝時(shí)，標(biāo)記墻上或地面孔的位置，用混凝土鉆鉆孔，安裝楔形錨栓，將PLC控制柜放在準(zhǔn)確位置，擰緊螺栓，固定控制柜?？諌簷C(jī)等設(shè)備均按上述步驟安裝。

氣動(dòng)系統(tǒng)包括空氣干燥機(jī)、前后空氣濾清器、儲(chǔ)氣罐、各種閥組、儀表、電氣開關(guān)、管道等，應(yīng)按GB/T 7932—2017《氣動(dòng) 對系統(tǒng)及其元件的一般規(guī)則和安全要求》相關(guān)規(guī)定、設(shè)備制造廠提供的圖紙和安裝使用說明書要求進(jìn)行安裝、調(diào)試和試運(yùn)行。

安裝完畢后，需對氣盾壩整體運(yùn)行進(jìn)行調(diào)試。首先，充排氣管路對氣囊充氣直至達(dá)到設(shè)計(jì)高度，并調(diào)整抑制皮帶。操作期間應(yīng)注意氣囊是否漏氣，若漏氣，應(yīng)擰緊壓板上的螺母。其次，進(jìn)行塌壩試驗(yàn)，通過排氣試驗(yàn)起落調(diào)整板面平整。

安裝調(diào)試后的設(shè)備，使其各項(xiàng)性能符合GB 50231—2009《機(jī)械設(shè)備安裝工程施工及驗(yàn)收通用規(guī)范》、設(shè)計(jì)圖紙及安裝說明的要求。斗門水庫現(xiàn)場氣盾壩控制系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 氣盾壩控制系統(tǒng)

4 氣盾壩安裝裝置優(yōu)化

4.1 氣盾壩盾板提升固定裝置優(yōu)化

1)現(xiàn)有技術(shù)問題 目前，氣盾壩需立壩擋水時(shí)，主要通過控制系統(tǒng)對氣囊充氣達(dá)到設(shè)計(jì)高度后，結(jié)合抑制皮帶拉升，控制盾板起落高度。由于氣囊及抑制皮帶均為橡膠材質(zhì)，長期使用必然受到一定損耗，當(dāng)氣囊或抑制皮帶任一種構(gòu)件出現(xiàn)破損或水壓力超過氣囊的最大容許應(yīng)力時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致盾板無法按設(shè)計(jì)高度提升固定，造成嚴(yán)重災(zāi)害。

2)優(yōu)化設(shè)計(jì) 基于上述技術(shù)問題，對氣盾壩盾板提升固定裝置提出優(yōu)化設(shè)計(jì)。在盾板上部布置應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，并在控制系統(tǒng)中安裝PLC控制程序，設(shè)置預(yù)定應(yīng)力值對應(yīng)的伸縮高度，應(yīng)力感應(yīng)器將監(jiān)測的水壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)感應(yīng)水壓力達(dá)到某一預(yù)定應(yīng)力值時(shí)，由控制設(shè)備控制伸縮桿進(jìn)行工作，伸縮桿按控制系統(tǒng)預(yù)定高度升起，對盾板起固定作用。優(yōu)化后的盾板提升固定裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 盾板提升固定裝置結(jié)構(gòu)

4.2 氣盾壩盾板間密封裝置優(yōu)化

1)現(xiàn)有技術(shù)問題 氣盾壩盾板提升主要通過氣囊充氣控制盾板起落高度，但由于氣囊充氣過程的不均勻性，使相鄰兩盾板間在提升后可能會(huì)存在一定縫隙?，F(xiàn)有盾板間密封裝置均為條形止封膠帶，易導(dǎo)致接縫不密實(shí)，引發(fā)滲漏現(xiàn)象，進(jìn)而影響盾板下橡膠氣囊的使用壽命。

2)優(yōu)化設(shè)計(jì) 基于上述技術(shù)問題，本文在盾板左、右兩側(cè)粘貼3mm厚弧形蜂窩狀遇水膨脹密封墊(聚醚型聚氨酯彈性體)，當(dāng)氣盾壩提升后相鄰兩側(cè)盾板間產(chǎn)生錯(cuò)縫時(shí)，該蜂窩狀弧形密封墊可遇水膨脹，能更好地?cái)D密連接在一起，達(dá)到良好的密封防水效果。氣盾壩盾板間接縫防水裝置如圖9所示。

圖9 氣盾壩盾板間接縫防水裝置

5 結(jié)語

1)氣盾壩安裝關(guān)鍵技術(shù)主要包括預(yù)埋件、氣盾壩主體結(jié)構(gòu)、氣盾壩控制系統(tǒng)的安裝，其中氣盾壩控制系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)2套系統(tǒng)，即使在洪水泛濫引發(fā)斷電時(shí)，仍可通過手動(dòng)排放氣囊內(nèi)空氣控制水位安全泄洪，具有極高的安全性。

2)當(dāng)氣盾壩因氣囊或抑制皮帶任一種構(gòu)件出現(xiàn)破損而導(dǎo)致盾板無法按設(shè)計(jì)高度提升時(shí)，優(yōu)化后的盾板提升固定裝置能及時(shí)感應(yīng)水壓力并按控制系統(tǒng)預(yù)定值及時(shí)提升，起到固定盾板的作用。

3)當(dāng)氣盾壩相鄰兩盾板提升產(chǎn)生錯(cuò)縫時(shí)，優(yōu)化后的裝置材料能將兩相鄰盾板進(jìn)行擠密連接，達(dá)到良好的防水效果。