阿爾塔什水利樞紐工程2號深孔泄洪洞鏈輪閘門水封型式設計研究

張廣川

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

阿爾塔什水利樞紐工程2號深孔泄洪洞鏈輪閘門水封型式設計研究

張廣川

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

介紹了平板閘門常用的止水型式（預壓式、充壓式），結(jié)合工程實例運用情況及阿爾塔什水利樞紐工程2號深孔泄洪洞鏈輪閘門工作水頭情況確定所采用的型式，論證了閘門采用P型水封、山型水封及P型和山型組合水封三種方案的優(yōu)劣，并對上述方案的不足提出了改進方法，高水頭平板閘門采用充壓式止水裝置是適用于多泥沙河流上的一次新的嘗試。

阿爾塔什水利樞紐；閘門；伸縮式水封；水封型式

1 概況

根據(jù)阿爾塔什水利樞紐工程水工建筑物的布置，2號深孔泄洪洞布置在樞紐左岸，按照規(guī)劃“前50年相機排沙，后50年排沙運行”的調(diào)度方案，承擔水庫排沙、放空任務。在進口閘井內(nèi)設一道事故閘門和一道工作閘門，閘底板高程1 695 m。水庫排沙時，要求庫水位降至死水位（1 770 m）排沙運行。事故閘門孔口尺寸5.5 m×8 m，該事故閘門的運行方式為：工作閘門故障時事故下閘，或工作閘門檢修時下閘截斷水流，為工作閘門提供檢修條件，為便于工作閘門檢修，該事故閘門的擋水水頭按正常蓄水位（1 820 m）考慮，確定閘門結(jié)構的設計水頭為130 m。

對于高水頭的閘門來說，其止水型式和止水效果的好壞已成為高壓閘門的關鍵部件之一。止水的失效不單意味著漏水，而且可能引起縫隙射流，從而引起氣蝕和激發(fā)閘門結(jié)構振動，危及工程的安全。因此，高水頭閘門水封歷來是行業(yè)內(nèi)研究的重點。在考慮事故閘門水封設計時，針對工程水頭高，含沙量大的特點，將其目標定為：水封裝置可靠，水密封性能良好，摩阻系數(shù)小及良好的耐久性。

2 止水型式選擇

平板閘門常用的止水型式大致可分為預壓式及充壓式兩種。預壓式止水是當今水工閘門最常見的止水型式，是依靠止水預壓量密封閘門與門槽之間的間隙。由于止水元件的材料為橡膠，當閘門擋水水頭高時，要求止水的預壓量很大，在閘門啟閉過程中產(chǎn)生較大的摩阻力，且止水元件磨損嚴重，故對高水頭閘門多采用充壓式止水。

充壓式止水又可分為液控止水和庫壓止水兩種，液控止水是利用專門設置的供水系統(tǒng)或庫水通過閥組實現(xiàn)對水封橡皮的背壓控制。當閘門關閉擋水時，可以向止水背部壓力腔充壓，使水封橡皮膨脹伸長變形緊壓在不銹鋼止水座板上實現(xiàn)密封，當閘門啟閉時，液控止水可以通過調(diào)節(jié)背壓，使止水回縮，以減少啟閉阻力和止水的磨損。庫壓止水是直接利用庫水壓力來施加背壓，不設專門的閥組控制。由于背壓始終保持著上游庫水位的壓力水頭，故在啟閉過程中水封的磨損和啟閉阻力是不可避免的。另外，當庫水位降到一定程度時，隨之降低的止水背壓不足以克服止水的變形阻力，導致封水不嚴?；谀壳癙型水封、山型水封為平面閘門的最常用水封，在設計中主要論證P型水封、山型水封及P型和山型組合水封三種方案。

2.1 P型水封

P型水封由于合理的斷面設計，良好的自密性，目前仍然是使用最廣泛的水封。但有觀點認為，P型水封只適用于中、低水頭閘門。如前蘇聯(lián)認為P型橡皮水封不適用于高水頭的工作閘門和事故檢修閘門。通常，常規(guī)P型水封（典型斷面如圖1）在高壓下失效的主要形式為：

（1）P型頭在水壓作用下擠入壓板與門槽水封座板之間。當閘門啟閉時，P型頭被破壞，甚至靜態(tài)時，水封頭已被破壞；

（2）水壓作用至水封頭后柄上，循環(huán)作用導致此薄弱部位易老化；

（3）P型水封頭與門槽止水座板間摩擦力過大，撕裂P型水封柄；

（4）水封及水封墊板從面板與壓板間擠出或變形。

針對以上問題，我們對P型水封在高水頭下使用作了如下修改：

（1）取消常規(guī)P型水封頭中Φ20 mm孔，成實心P型水封，以增加P頭的強度；

（2）增大水封材料的強度及硬度；

（3）增長水封墊板長度至P頭中心；

（4）加大壓板的厚度，減小P頭與壓板的間隙。水封壓板頭上、下均倒圓角，以免銳角部位對水封的損壞；

（5）設置擋塊防止水封及水封墊板被擠出；

（6）P型水封頭包氟塑層。降低水封與水封墊板的摩擦系數(shù)。

修改后的P型水封裝置見圖2。對該水封型式的切片試驗表明：當水封材料為防100號或LD-19時，水封預壓縮量為0，水頭80～200 m時，均能較好的封水。

圖1 P型水封裝置

圖2 修改后P型水封裝置

2.2 山型水封

山型水封，作為一種液壓伸縮式止水常用于高水頭閘門。其原理是當閘門進入擋水工況時，山型水封底部充入內(nèi)壓，迫使山型水封頭伸出，與另一止水工作面接觸并達到足夠的接觸應力（即接觸應力大于庫水壓強）來實現(xiàn)密封止水。閉門時，可先將山型水封底部內(nèi)壓釋放，以減小止水摩阻力。止水裝置的作用是封堵閘門與門槽埋件之間的間隙，止水可以設在門槽埋件上，也可以設在門體上。

將山型水封用于鏈輪閘門，需先確定安裝部位。一種方式是將山型水封安裝于門槽埋件上，可將止水內(nèi)壓管路引至閘井內(nèi)某一平臺，設一套泵站及管路控制系統(tǒng)控制山型水封內(nèi)壓的充壓與泄壓。此布置的缺點是：門槽結(jié)構復雜，尺寸增大，門槽水力學條件差，內(nèi)壓來源只能引清潔水（如引庫水，由于管路較長，庫水中的泥沙很容易將管路淤死），用泵站加壓后供給。同時，閘門擋水過程，需給內(nèi)壓保壓，閘門啟閉操作工序增多。門槽內(nèi)止水橡皮長期浸泡水中，并在挾帶泥沙的高速水流環(huán)境中工作，易受腐蝕易損壞，且維修更換不方便；另外，只能靠設在門體上的底止水與安裝在門槽上的側(cè)止水擠壓封水，將可能成為漏水線。

另一種方式是將山型水封安裝于門葉上，引庫水自動充壓。此布置的缺點是：山型水封內(nèi)壓不可調(diào)，閘門長時間擋水，可能會將充壓管路堵塞，造成閘門啟門時，水封摩擦力增大。它的最大優(yōu)點是止水可以隨閘門提到檢修平臺上進行檢修。還有結(jié)構簡單、可靠；操作閘門啟閉時，毋庸附加工序。

遵循設計簡單、實用唯美原則，于兩種布置方案中，選擇了山型水封安裝于門葉上，引庫水自動充壓這一布置方案。其斷面圖見圖3。為防止淤沙進入門槽，造成啟閉困難，事故閘門止水布置在閘門上游面。

圖3 山型水封安裝于門葉上截面示意圖

該山型水封裝置較以往山型水封的主要改進點有：

（1）山型水封頭部至肢柄處貼有氟塑層。一方面減少水封頭部與門槽水封座板的摩擦力；另一方面減少水封側(cè)面與水封壓板的摩擦力，使水封易于伸縮。

（2）水封裝置引庫水進口處孔口斷面為10mm× 20mm，引入山型水封底部充壓腔的孔徑為Φ10mm，是水封底部充壓腔內(nèi)泥沙易于排出；

（3）水封壓板與底座的配合為鋸齒狀，可保證壓板不會位移；

（4）下游側(cè)水封壓板設一凸起“鼻子”，防止水封頭被擠入壓板與門槽間隙；

（5）壓板固定螺栓不穿水封肢柄，防止螺栓孔處漏水。

該山型水封裝置的切片試驗表明（切片試驗中，共選用了防100號及LD-19兩種水封材質(zhì)）：

（1）當背壓為0時，水封與壓縮量為6 mm及其以下，水封在水頭200 m時無法有效封水；

（2）水封在庫壓作用下，會產(chǎn)生向下游方向的偏移變形并擠緊下游水封壓板；

（3）在水封0預壓縮量情況下，水封有效封水所需背壓小于庫壓，即水封可直接利用庫水充背壓來止水；

（4）水封止水所需背壓與水封預壓縮量有關，預壓縮量越大，所需背壓越??；

（5）水封止水所需背壓與水封材質(zhì)有關，水封材質(zhì)硬度越大，越有利于提高水封頭部的接觸應力，所需背壓就越小。

2.3 P型和山型組合水封

國外的超高水頭閘門止水設計，除設一道水封外，還常常增設一道輔助水封，以提高運行安全度。鑒于此，鏈輪閘門擬采用P型和山型組合式水封（圖4）。

本鏈輪閘門處于水庫底層，水中泥沙量較大，故閘門布置為上游止水。由于山型水封具有良好的伸縮、止水性能，且抗破壞性優(yōu)于P型水封，因此將山型水封設為主水封，P型水封設為輔助水封。在設計中，如果P型水封設于山型水封之前，有如下不利因素：

（1）P型水封在閘門啟閉過程中易受到高速水流沖擊，易損壞；

（2）同一斷面中，兩種水封中心距較大，相對應門槽部分尺寸也大，不利于門槽水力學；

（3）當P型水封產(chǎn)生漏水時，山型水封開始擋水，P型頭前后水壓差將逐漸消失，P型水封的自密性也將失去，此時，P型水封將完全失去效果。

考慮到上述因素，在設計組合水封時將山型水封設于P型水封之前，水封斷面如圖4。同時，為防止山型水封產(chǎn)生漏水，導致水封頭前后水壓差消失，進而使山型水封完全失效的事故發(fā)生，我們有意加大了山型水封背壓腔面積，即使出現(xiàn)上面情況，山型水封仍有一定的封水能力。

圖4 P型和山型組合式水封示意圖

經(jīng)切片試驗，表明：

（1）當山型水封背壓大于山型水封單獨封水時所需背壓時，在保證山型水封止水條件下，山型水封與P型水封之間連接腔允許存在部分壓力，其壓力值的大小與水庫庫壓、山型水封預壓縮量、山型水封背壓和山型水封的材質(zhì)有關；

（2）山型水封預壓縮量和背壓越大，水封材質(zhì)越硬，越有利于提高水封頭部的接觸應力，可增大山型水封與P型水封之間連接腔的允許應力；

（3）當山型水封材質(zhì)為LD-19，預壓縮4 mm時，保證山型水封單獨封水，山型水封背壓與庫壓一致，允許山型水封與P型水封之間連接腔壓力高于庫壓。即山型水封產(chǎn)生漏水，導致水封頭前后水壓差消失情況下，山型水封仍有封水能力；

（4）采用前后兩道水封止水，不會促進單道水封的止水效果，但設兩道水封可增加一道止水防線，提高運行安全度。

綜上所述，鏈輪閘門頂、側(cè)采用兩道止水。前一道為山型水封，引庫水自動充壓；后一道為實心P型水封；底止水為一道條形水封。其中，山型水封預壓縮4 mm，實心P型水封預壓縮1 mm。兩種水封材質(zhì)均采用LD-19，或其他具有相同性能的材料。為保證水封達到預期封水能力，兩種水封制造、安裝均要求達到：橡皮頭高度誤差≤±1 mm；止水橡皮頭不平度≤2 mm，并要求止水座板面整體加工。

3 結(jié)語

國外充壓式止水用于60～80 m水頭已很普遍，100 m水頭也有實踐。目前國內(nèi)一些高水頭閘門也開始采用充壓式止水，并開展了一系列實驗研究工作。本次設計借鑒了小浪底水利樞紐及小灣水電站等工程的設計經(jīng)驗，阿爾塔什水利樞紐鏈輪閘門設計中采用的高水頭平板閘門充壓式止水裝置是適用于多泥沙河流上的一次新的嘗試。

TV663

B

1672-5387（2016）10-0041-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.012