底軸驅動回轉啟閉式鋼閘門止水系統(tǒng)優(yōu)化與改進研究

時愛祥 李學榮 龔榮山 顧世民

（1.江蘇省水利建設工程有限公司，江蘇 揚州 225002；2.江蘇省水利機械制造有限公司，江蘇 揚州 225003；3.泰州市水利局，江蘇 泰州 225300）

1 概述

底軸驅動回轉啟閉式鋼閘門是近年來興起的一種新型鋼閘門，除具有常規(guī)閘門的擋蓄與調節(jié)功能外，還具有對景觀視野無遮擋，對生態(tài)影響小，能與自然環(huán)境融為一體，不礙航不阻流，能雙向擋水，可任意調節(jié)水位并可形成人工瀑布等特點，被廣泛運用于城市防洪、景區(qū)水利、落差河流分段蓄水及其它市政建設工程中。

與常規(guī)的平面定輪門、弧形閘門等相比，底軸驅動回轉啟閉式鋼閘門的止水部位多，止水結構復雜，止水形式特殊，因而止水的效果較難控制。筆者參與多個底軸驅動回轉啟閉式鋼閘門的制造與安裝，經對不同止水結構形式及實際投用后止水效果的對比分析發(fā)現(xiàn)，一般常規(guī)門型止水均為水力被壓式止水結構，即：止水橡皮的自由端是靠水壓力貼緊在止水基座上，其結構簡單、貼合自如、密閉可靠；而底軸驅動回轉啟閉式鋼閘門因其止水部位的運動均為回轉運動或扇面運動，故其止水常被設計成預壓式，即：用預先給止水施加的壓力抵抗水頭對止水形成的壓力，達到止水部位不漏水的目的。實際效果表明，預壓式止水結構制造、安裝難度較大，密封效果不如水力被壓式，且使用耐久性較差?；谶@一特點，我們把底軸驅動回轉啟閉式鋼閘門止水系統(tǒng)優(yōu)化的總體思路定位為：一是盡量將預壓式止水結構改為水力被壓式止水結構；二是對預壓式止水結構進行改進，使其既有預壓性，又有可調性和補償性。針對不同部位的止水，采用了不同的優(yōu)化與改進方法。

2 底軸管與閘室底檻的止水

底軸管與閘室底檻的止水位于閘室底檻上，承受全水頭差壓力。止水橡皮利用埋件、座板、壓板等固定于底檻上，橡皮端緣靠壓在底軸管的圓弧止水工作面上。為抵抗水頭差對止水形成的壓力，設計上往往采用預壓式結構，如圖1 所示。該結構形式的止水，是在裝配時對止水橡皮進行預壓，使其緊緊頂貼在底軸管圓弧止水工作面上，以防止結合處回轉時漏水。由于止水橡皮與底軸管之間頂緊力不夠會漏水，頂緊力大了則橡皮與底軸管接觸處的摩阻力也大，再加上底檻處較易沉積泥沙雜物，在底軸管回轉時摩阻力加上泥沙卡塞，極易使止水橡皮出現(xiàn)滯阻而隨底軸管翻轉，最終使止水橡皮產生折斷和撕裂。針對這種情況，我們將止水結構由一字型改為八字型，將止水橡皮由平板型改為P 型，如圖2 所示。改進后的底止水為水力被壓式，采用P 型橡皮背靠背組合，中間夾丫型背板支撐。安裝時P 型橡皮的球頭與底軸管圓弧止水面自然接觸即可，止水時依靠水頭壓力使止水橡皮球頭貼緊在止水面上，水壓愈大貼合愈緊。丫型背板主要為防止底軸管旋轉時P 型橡皮會產生逆翻而設置，其丫叉的開叉角度要根據(jù)底軸管止水弧面的直徑、P型橡皮規(guī)格、止水間隙等設定，丫叉開角過大，橡皮回壓裕度不夠，P 型橡皮球頭在水頭壓力下與止水面貼合不緊；丫叉開角過小，撐不住P 型橡皮，球頭會逆翻。若閘門不需要雙向擋水，則八字型止水的下一半可取消。

圖1 預壓式底止水結構

圖2 水力被壓式底止水結構

3 門葉圓弧座板與底軸管的止水

先期實施的底軸驅動回轉啟閉式鋼閘門設計中，門葉圓弧座板與底軸管之間沒有設置柔性橡膠止水，在實際使用中發(fā)現(xiàn)，即使圓弧座板與底軸管實施了周邊封閉焊接，但由于圓弧座板是用螺栓與底軸管進行剛性連接的，而螺栓孔直徑比螺栓要大，水頭壓力可從上游側螺栓孔間隙處進入，沿圓弧座板與底軸管貼合面之間的縫隙，再從下游側螺栓孔間隙處冒出，又因連接螺栓數(shù)量眾多，因而滲流點和滲流量也就較大。為此我們在后期實施的底軸驅動回轉啟閉式鋼閘門中，沿圓弧座板內弧面中軸線方向，機械加工一通長的V 型凹槽，在V 型凹槽內嵌入O 型橡膠密封條，如圖3 所示。這樣就在圓弧座板與底軸管結合處的上下游之間形成了一條止水密封帶，從而使水頭壓力無法從上游螺栓孔穿透到下游螺栓孔，徹底解決了圓弧座板與底軸管之間的止水問題。

圖3 圓弧座板與底軸管之間的止水

4 門葉與軸承座之間的止水

門葉與軸承座之間設計也是慣常采用的預壓式平板橡皮止水結構，由于門葉啟閉時止水要隨門葉在軸承座上回轉，預壓的摩阻力極易使止水橡皮磨損和翻轉折斷，同時因止水橡皮需貼緊軸承座止水工作面回轉，因而對軸承座止水工作面與底軸回轉中心的同軸度要求較高，加工與裝配難度較大。在后期實施的項目中，我們將平板橡皮改為P 型橡皮，單向擋水單側布置，雙向擋水雙側布置，同時在P 型橡皮的背面加墊J 型剛性支撐板，以合理調整P 型橡皮的懸臂長度，使之既有回壓裕度，能在水壓下貼緊軸承座止水工作面，又不會在回轉時逆翻，較好地解決了門葉與軸承座之間的止水問題。

5 門葉與閘室墻之間的止水

門葉與閘室墻之間的止水為扇形平掃結構，其止水橡皮需貼合墻面在扇形區(qū)域旋轉平移，因此對閘室墻的平面度及止水的結構形式要求都比較高。根據(jù)閘門的擋水工位及啟閉要求，可分為全位置止水和定位置止水。全位置止水是指：閘門可在工作區(qū)域的任意位置擋水，止水都必須與閘室墻密封接觸。定位置止水是指：閘門只在設定的一個或幾個位置擋水，在擋水位置止水才與閘室墻密封接觸，在其它位置止水與閘室墻不接觸。全位置止水一般采用插拔式水封結構，見圖4（a）。其止水部分為獨立構件，可整體插入門體的止水座槽內，維修或調整時可整體拔出。該部件正平面裝設Ω 型止水橡皮，與閘室墻形成止水密封；兩側裝設P 型橡皮，用于構件本體與門體止水座槽的密封；背面裝設板式彈簧，將止水構件向外頂出，使Ω 型橡皮始終壓緊在閘室墻面上。為保證Ω 型橡皮與閘室墻的接觸精度及止水構件的整體止水效果，從已實施的幾個項目實際效果分析，設計時Ω 型橡皮球部的中空孔徑應適當加大，以增加橡皮接觸彈性；P 型橡皮球頭要適當減小，懸臂部分要加長，以保證水壓下能回壓貼合；構件本體凡裝設止水橡皮或與橡皮接觸的部位及部件，都必須進行機械加工，以保證平直度與密封性。閘室墻面需采用結構膠貼掛大理石或整體焊貼鋼板（或不銹鋼板）的工藝，以保證閘室墻扇形止水區(qū)域的平面度和平整度，減小橡皮與閘室墻面平掃移動時的摩阻力，降低Ω 型止水橡皮的磨損。定位置止水結構，見圖4（b）。因閘門只需在預定的某一個或幾個位置擋水，因而止水也只在對應的位置才與閘室墻密封。根據(jù)這一特點，我們對定位置止水采用了在閘室墻預定位置安裝止水埋件的工藝，保證了在預定位置的止水效果。為達到既止水密封又減少非擋水位置運行時止水橡皮的摩阻力，將閘室墻止水埋件的工作面設計成弧形結構，門葉水封體與閘門制成一體，L 型和P 型止水橡皮分別用壓板固定在門體止水座板的兩側。這種形式的止水，結構緊湊，L 型和P 型止水橡皮組合，既可雙向止水，同時橡皮與止水埋件的弧面之間具有楔緊效果，在擋水位置止水橡皮楔緊密封，在非擋水位置橡皮處于脫離狀態(tài)，減少摩擦，利于保護橡皮。

圖4 門葉與閘室墻止水結構圖

6 底軸管與穿墻套管之間的止水

底軸驅動回轉啟閉式鋼閘門的穿墻套管結構較為復雜，該部位的止水也最為關鍵，其止水密封是否可靠將直接影響到啟閉機工作室的安全。此處一旦滲漏，輕則增加啟閉機工作室的濕度，影響啟閉機電氣系統(tǒng)正常工作；重則造成漫溢，使啟閉機系統(tǒng)損毀，為此該部位一般都需設置多重止水。穿墻套管的止水可分為臨水側（外側）和背水側（內側），其所用結構形式有膨脹預壓式止水圈和可調預壓式止水圈。膨脹預壓式止水圈是在止水座環(huán)內嵌入中空O 型橡膠圈，貼緊其側面再嵌入矩形遇水膨脹橡膠圈，遇水膨脹橡膠圈膨脹后的擠壓力會使中空O 型橡膠圈變形，從而使其內、外圈分別壓緊在底軸管外徑和穿墻套管內徑上，起到止水密封的作用?？烧{預壓式止水圈是在穿墻套管的止水座環(huán)內嵌入中空O 型橡膠圈1～2 道或油浸石棉繩若干圈，再壓上可調節(jié)壓蓋，利用壓蓋螺栓調節(jié)壓蓋的壓緊力并作用于中空O 型橡膠圈或油浸石棉繩上，使其與底軸管外徑和穿墻套管內徑之間保持密封，實現(xiàn)止水目的。先期實施的項目中，穿墻套管內外側都是采用的膨脹預壓式止水圈，由于有預壓性而無可調性和補償性，止水效果不理想。后期的項目中，我們將穿墻套管止水改為組合式，即：臨水側止水由于在河道內常水位下，無法調節(jié)，采用膨脹預壓式止水圈；內側止水在啟閉機工作室內，改為可調預壓式止水圈。為進一步增加穿墻套管止水的可靠性，我們又在套管的中間增設水力被壓式異型止水圈—特魯特密封圈，此種類型的止水圈為橫Y 型，其開叉口朝向臨水側，利用滲漏水的壓力使丫口擴張并分別貼緊于底軸管外徑和穿墻套管內徑上，以達到止水的目的。圖5 所示為穿墻套管組合止水結構，其外側為膨脹預壓式止水圈，內側為可調預壓式止水圈，中間為水力被壓式止水圈。采用這種組合止水結構，止水效果非常好，可以做到滴水不漏。

圖5 穿墻套管組合止水結構

7 結語

止水系統(tǒng)是底軸驅動回轉啟閉式鋼閘門的一個重要組成部分，其結構優(yōu)劣、使用耐久性及密閉可靠性，直接影響該類門型的實際使用效果和應用范圍的進一步擴大。除筆者所述止水結構的優(yōu)化與改進方法外，如何開發(fā)新型止水材料，提高止水系統(tǒng)的耐久性；革新止水結構形式，結合電動、氣動、液壓技術，提高止水系統(tǒng)的適應性與可靠性等，還需要進行更多的研究與實踐?？梢灶A言，止水系統(tǒng)的完善，將使底軸驅動回轉啟閉式鋼閘門的特點和優(yōu)勢更加明顯，其應用前景也將更為廣闊。