常规水封在高水头闸门上的应用及发展

常规水封在高水头闸门上的应用及发展

关键词

高水头闸门、常规水封无节型橡塑复合层、高强尼龙帆布、深孔弧门水封结构型式

前言

近几年随着三峡工程建设及西部水利水电开发向纵深发展，一大批高水头、大库容工程的兴建，使高水头大孔口闸门的止水问题显得愈加突出，全国各大水利水电设计研究单位、工程管理都作了大量的工作。对100m以上高水头弧门封水采用充压伸缩式止水或偏心铰压紧式止水，门槽为突扩、跌坎式。这种形式虽然解决了封水问题，但门体和门槽结构变得复杂，恶化了水流条件，使工程造价也相应提高，能否将常规水封应用于水头100m以上的非突扩、非跌坎门槽的弧形闸门。作为长期从事水封专业技术人员的工作应该为此问题的解决多做贡献，为此将近几年常规橡胶水封在高水头闸门上的应用情况成文，供业内同行们参考。

1.影响水工闸门封（止）水效果的因素

影响水工闸门封（止）水效果的因素颇多。在讨论水工闸门封（止）水问题时，因其牵涉到闸门水头、门型、孔口尺寸门叶、门槽、水质、泄水流速、土建施工质量（如顶楣胸墙）、闸门制造及安装质量以及启闭设备动力等固有因素和启、闭过程及局开状态下产生振动所引起的动态因素。闸门启闭时，水封的作用至关紧要，水封不是简单的配件，它不仅能可靠封水，同时要求其尽可能长的使用寿命，作为常规水封封水主要靠预压缩量及作用在水封头部的水压力。

因此，闸门封（止）水主要需处理好以下四个环节：

（1）水工闸门的设计、制造、安装、运行一定要按现行标准、规程、规范进行。

（2）水工闸门相关预埋件的设计、制造、安装的三步骤。在强调各阶段质量的同时，由于现场工况的复杂性，所以更应该加强控制现场施工质量。

（3）水工闸门启、闭力设计及水封压缩量（含预压缩量）。虽然都符合各自的标准、规范范围，但都会有公差。因此，应考虑防止部件组合过程中的单向误差叠加。

（4）水封的材质、结构又成为封（止）水持续安全运行的决定因素。水工闸门安装后，在蓄水过程中，水封能起到止水作用，使漏水在规范允许的范围之内，因此需根据具体情况合理的

选择适用水封。

2.水封在封（止）水过程的受力特征

从静态分析水工闸门封（止）水的外界条件，上游来水（或库水）通过对水封（止水）元件施加正面压力，将密封面平整而紧密地压在水封座板上。水封所受到的水压力和设计所要求的预压紧力，以顶住由上游库水或反向弹性轮及几何预压缩水封产生的压力。从密封的角度分析，水封与水封座板接触应力越大，封水效果越好。库压从侧面推向固定在水工闸门门叶的水封，借固定压板螺栓的力，保持水封工作面与水封座板的接触应力或减缓接触应力的松驰，防止水封的位移，因此在水封与压板接触断面上产生了对水封的弯曲力和剪切力。

通常设计的常规水封均固定于水工闸门门叶。因此，无论是高水头、中水头、低水头的水工闸门，其启闭时，水封工作面均处于滑动接触状态。所以从动态分析，水封与其相对应门槽的水封座板面有滑动摩擦现象，该摩擦力对两个相对应的面，均能产生摩损。从工程整体考虑，水封应多承担摩擦被损而换取整体的安全。并且，因有水封工作面与门槽水封座板的滑动摩擦磨损和水封的压缩永变时效将逐步形成水封与座板接触应力的松驰而导致闸门漏水。所以，需要更加准确的选择水封材质和其结构型式以及预压缩量。

基于上述分析，水封的设计原则应是：

1.满足封（止）水的功能要求；

2.保护对应门槽不锈钢水封座板；

3.具有较长的使用寿命；

4.便于现场检修更换。

3.常规水封的材质性能要求

50m及以上高水头闸门常规水封在封（止）水状态下要承受来自多方面的力，因此对它的基体材质提出了特殊的要求。结合多年在水封应用及各水利水电工程实际运行反馈情况，建议采用的高水头闸门常规水封元件材料应具备如下基本性能：

序

号性能单位

指标

SF6674

(SD002)

SF2270

(SD005)

SF2080

(SD006)

1密度g/cm3 1.2-1.5 1.0-1.35 1.0-1.35 2拉伸强度≥MPa182220

序

性能单位指标

号SF6674

(SD002)

SF2270

(SD005)

SF2080

(SD006)

4硬度(邵尔A)度60±565±575±5 5压缩永久变形(B型试样72℃X22h)≤%403528

6热空气老化(70℃X96h)拉伸强度变化%-20－10-20－10-20－10 7蒸溜水浸泡(70℃X70h)质量变化≤%555

8粘着强度（橡胶与F4之间，试样宽度25mm≥kN/m666

9在－40℃到＋40℃温度环境工作不发生冻裂或硬化

10

拉伸弹性模量当100%MPa 1.5～3.5 1.0～3.0 2.5～4.5拉伸弹性模量当200%MPa 1.8～4.0 1.5～3.0 3.0～4.5

11

压缩弹性模量当20%MPa 3.5～7.5 4.0～10.08.0～12.0压缩弹性模量当30%MPa 4.0～8.0 5.0～11.010.0～13.5压缩弹性模量当40%MPa7.0～11.0 6.0～12.014.0～18.0根据50-100m及100m以上的高水头、超高水头闸门水封的要求，首先采用单一的水封材料已难以适应其持续安全运行止水的要求。因此，高性能的复合材料就应运而生。笔者在国内各大设计研究院的支持下已成功地将增强聚四氟簿膜和聚四氟涂料复合于水封磨擦面上从而优化了应用效果；近几年为适应新一批高水头闸门建设需要又将高强尼龙帆布复合于硫化橡胶体内使水封的性能达到成倍提高（专利号：ZL20032011496.0），为满足超高水头闸门（100m以上）的持续安全运行封（止）水要求，寻找到了一种目前最理想的材料及结构形式。

4.高水头常规水封的几何结构形式

为了提高水封元件封（止）水的持久效应，除了选择合理的材料外，还要根据不同的工况，设计相应的几何结构。无论是用于高水头、中水头、低水头的水封元件，均应考虑合适的几何结构，以应对不同的水压及操作工况。出于持久安全封（止）水的应用目的，经多年的工作实践，列出如下结构形式。