气盾坝气囊锚固口技术改造试验

气盾坝气囊锚固口技术改造试验

史彦艳1王家利2周晓娜3

莒县恒盛水利工程养护有限公司

摘要：气盾坝气囊锚固口技术改造是基于现有橡胶气囊基础上，气囊锚固端上下片内设置预留圆孔的带状钢板，生产时定位销穿过钢板孔设置，硫化后直接形成锚固孔。安装时直接将气囊锚固端压入锚固螺杆内，加上压板拧入螺母，施拧螺母直至达到设计力矩。

气盾坝气囊锚固口的创新点是：一是将钢板与气囊结合成一个整体，提高刚度、强度；二是通过预设安装孔既方便了安装，又避免破坏气囊的整体性。

关键词：气盾坝气囊锚固口 技术改造 预留孔钢板

1.研发背景:

气动盾型坝是综合橡胶坝、钢板坝二者之长的新型水工建筑物。该坝20世纪90 年代由美国研制，2008年，水利部将气盾坝列入国家推广计划。气盾坝吸收了传统活动坝型之精华，摒弃了传统活动坝型之不足，具有结构简单，建设、安装周期短；防洪渡汛能力突出，运行安全可靠；过水高度和运行状态持续可控；具有更强的清污、排淤能力；挡水和过水能力更高；充排时间短，运行管理简单；使用寿命超长，综合效益高；抗振能力强，对基础的适应性高；景观效果佳等特点，基于以上优点，气盾坝在国内得到大力推广。随着气盾坝应用的增加，在使用中逐渐暴露出一些问题，比如：

1.1气囊安装时，现场钻锚固孔，孔位偏差较大，成孔精度较低，安装时费时费力。

1.2气囊使用一段时间后个别锚固孔处橡胶撕裂。

1.3气囊缓慢漏气。

1.4气盾坝在溢流状态运行时，会有较大振动。

经过大量调查研究，发现采用螺栓锚固方式固定的气囊，其气囊漏气、撕裂都发生在锚固端，这种气囊在生产时，三边密封一边开口，开口侧就是锚固端，其通过下垫板和上压板挤压上下两片气囊从而实现密封，由于橡胶及帆布复合体较软不能施加很大压力，在气囊内气压较大时，可能从锚固端漏气，因为气囊强度较低，在受到较大水平力的作用时，可能在锚固孔处出现撕裂，严重的话可能从压板下滑落，造成非控制性的塌坝，造成事故。因此如何提高气囊的气密性及其锚固端的强度，提高其运行的安全性成为急需解决的问题。

针对以上情况，气盾坝气囊锚固口技术改造很好地解决了以上四个问题：一通过增加刚度，施加更大的压力，既提高了气囊密封性能，也提高了气盾坝运行时的稳定性；二增设钢板增强整体强度，避免锚固孔处撕裂；三工厂预留锚固孔，位置准确，成孔精度高，不破气囊坏整体性，效果好，优化了气囊与盾板的匹配，缩短安装时间的同时提高了气盾坝的工作性。

2.气盾坝气囊锚固口技术改造

气盾坝气囊锚固口的构造研制最初的设想是在气囊封口处上下两片之间设置一层带状钢板，确定了结构、尺寸、强度指标等数据。生产出样品后，发现刚度仍然不能满足要求，通过大量对比试验，决定在上下片中分别设置一层或几层钢板。生产出样品，经试验验证达到设计初衷，在提高气密性的同时，提高了抗撕裂性能，但是由于增设了钢板，现场打孔安装时，孔的位置及尺寸不易保证，增大了施工难度，后经研究决定使用预留孔钢板，生产时直接预留锚固孔，经多次试生产，生产出满足性能要求的内置钢板预留孔气囊。

设置一块钢板后，经试验刚度虽有所增强，但刚度仍然不能满足设计要求。

在上下片气囊内分别设置 1-3 层钢板，经对比试验数据，增设一层钢板时，强度增加既满足要求，增设二层、三层时性能提升明显，但生产成本大大增加，价值系数降低，故选择各片增设一层钢板与气囊本体材料硫化成一体。

气囊现场安装使用时，发现如下问题，现场打孔安装时，孔的位置及尺寸不易保证，增大了施工难度，延长了工期，后经研究决定使用预留孔钢板，生产时气囊直接预留锚固孔，既提高了锚固孔的尺寸、位置精度，又方便了安装，同时提高了气囊的整体性。

气囊内置锚固型气盾坝在满足气密性、抗撕裂性能、提高运行稳定性的前提下，各项性能更加均衡，又方便了安装，由于各部件匹配性提高，使气盾坝在升、降坝及运行状态的过程中可操作性得到提高，动作过程中也更加顺畅，运行中更加稳定，尤其是在溢流状态下，降低了振动的频率和幅度，从而提高了使用次数和使用寿命，降低了全寿命周期成本。

2.1 内置钢板锚固型气囊本体材料的选择

内置钢板锚固型气囊是基于现有气囊的基础上设计的，所以气囊本体材料符合HG∕T5460-2018《支撑坝用橡胶气囊》中的相关要求。

2.2盾板及内置钢板材料的选择

盾板及内置钢板均采用 Q335B型低合金高强度结构钢，板的屈服强度不低于335N/mm2（GB/T1591—2018《低合金高强度结构钢》的相关要求)。

2.3 试验检测

2.3.1气囊成品气密性及其耐压性、抗拉性试验：

不同规格气囊按规定的试验压力进行气体渗透试验，将气囊固定密封通过气嘴连接在清洁气源上，充气至试验压力稳定后，停放24h，压力下降不应超过5%。

不同规格气囊按规定的试验压力进行耐压试验，将气囊固定密封，通过气嘴连接在清洁气源上，充气至试验压力稳定，停放24h，气囊不应出现破坏等异常情况。

将气囊固定密封，通过气嘴连接在清洁水源（或清洁水源和清洁气源混合）上，充水（或清洁水源和清洁气源混合）至最小爆破压力，不应出现泄漏。

2.3.2内置钢板与层间橡胶的黏合强度的试验

为了解气囊内置钢板后的整体强度的变化情况，是否满足气盾坝安全运行要求。我们采用钢板橡胶剥离试验，验证橡胶与钢板的黏合强度。

2.3.3锚固处拉力强度试验

为了解气囊内置钢板后的整体强度的变化情况，是否满足气盾坝安全运行要求。我们采用锚固处拉力破坏试验，验证橡胶与钢板复合材料的抗拉强度。

模拟气囊按装使用中的条件，将试样安装到固定的双耳夹具上，采用销钉穿入螺丝孔方式固定，固定完成后，采用气囊使用时受力方向为测试拉力方向（锚固处的垂直方向）。拉至出现破损时的最大力值，为锚固处破坏力值。

实验结果表明：内置钢板气囊锚固处抗拉抗撕裂性能明显提高，符合标准要求。

2.3.4气囊锚固处抗压破坏强度试验

为了解气囊内置钢板后的整体强度的变化情况，是否满足气盾坝安全运行要求。我们采用锚固处抗压破坏试验，验证橡胶与钢板复合材料的抗压强度。

将试样置于压力机中心位置，对其施加压力，直至试样出现破损时的最大压力值。

实验结果表明：内置钢板气囊锚固处抗压性能明显提高，符合标准要求。

将气囊固定密封通过气嘴连接在清洁气源上，充气至试验压力稳定后，停放24h，压力下降不应超过标准要求。

实验结果表明：内置钢板气囊抗气体渗透性能明显提高，符合标准要求。

以上试验在河北恒洋工程装备有限公司实验室进行。

3.气囊内置锚固型气盾坝的应用

气囊内置锚固型气盾坝具有现有气盾坝的所有功能，可广泛应用于农业、发电、蓄水景观、渔业，通航、河道综合治理等各种水利工程。

4.气囊内置锚固型气盾坝与国内同类产品的优优越性

气囊内置锚固型气盾坝通过内置钢板，工厂内预制锚固孔等措施，方便了气盾坝的安装，提高了安装精度、改善了气囊密封性能，也提高了气盾坝升降时的顺畅性，运行时的稳定性，提高气盾坝的整体协调性。

气囊内置锚固型气盾坝不但使用寿命更长，全寿命周期成本更低，运行的安全性有较大提高，进而产生更高的社会经济效益。

5.结束语

气盾坝气囊锚固口技术改造工作已完成，并在潍河莒县段综合治理工程中成功应用，取得业主单位的好评。

随着我国经济的高速发展，工农业对水资源的需求不断增加，人民群众对生活、居住环境要求的提高，而水资源总量有限，因而对水资源的开发利用提出了更高的要求，各种水利工程项目逐年增加，而能同时满足农业灌溉、发电、蓄水景观、渔业，通航等要求的气盾坝未来应用前景更加光明。