阿尔塔什水利枢纽工程2号深孔泄洪洞链轮闸门水封型式设计研究

张广川

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

阿尔塔什水利枢纽工程2号深孔泄洪洞链轮闸门水封型式设计研究

张广川

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

介绍了平板闸门常用的止水型式（预压式、充压式），结合工程实例运用情况及阿尔塔什水利枢纽工程2号深孔泄洪洞链轮闸门工作水头情况确定所采用的型式，论证了闸门采用P型水封、山型水封及P型和山型组合水封三种方案的优劣，并对上述方案的不足提出了改进方法，高水头平板闸门采用充压式止水装置是适用于多泥沙河流上的一次新的尝试。

阿尔塔什水利枢纽；闸门；伸缩式水封；水封型式

1 概况

根据阿尔塔什水利枢纽工程水工建筑物的布置，2号深孔泄洪洞布置在枢纽左岸，按照规划“前50年相机排沙，后50年排沙运行”的调度方案，承担水库排沙、放空任务。在进口闸井内设一道事故闸门和一道工作闸门，闸底板高程1 695 m。水库排沙时，要求库水位降至死水位（1 770 m）排沙运行。事故闸门孔口尺寸5.5 m×8 m，该事故闸门的运行方式为：工作闸门故障时事故下闸，或工作闸门检修时下闸截断水流，为工作闸门提供检修条件，为便于工作闸门检修，该事故闸门的挡水水头按正常蓄水位（1 820 m）考虑，确定闸门结构的设计水头为130 m。

对于高水头的闸门来说，其止水型式和止水效果的好坏已成为高压闸门的关键部件之一。止水的失效不单意味着漏水，而且可能引起缝隙射流，从而引起气蚀和激发闸门结构振动，危及工程的安全。因此，高水头闸门水封历来是行业内研究的重点。在考虑事故闸门水封设计时，针对工程水头高，含沙量大的特点，将其目标定为：水封装置可靠，水密封性能良好，摩阻系数小及良好的耐久性。

2 止水型式选择

平板闸门常用的止水型式大致可分为预压式及充压式两种。预压式止水是当今水工闸门最常见的止水型式，是依靠止水预压量密封闸门与门槽之间的间隙。由于止水元件的材料为橡胶，当闸门挡水水头高时，要求止水的预压量很大，在闸门启闭过程中产生较大的摩阻力，且止水元件磨损严重，故对高水头闸门多采用充压式止水。

充压式止水又可分为液控止水和库压止水两种，液控止水是利用专门设置的供水系统或库水通过阀组实现对水封橡皮的背压控制。当闸门关闭挡水时，可以向止水背部压力腔充压，使水封橡皮膨胀伸长变形紧压在不锈钢止水座板上实现密封，当闸门启闭时，液控止水可以通过调节背压，使止水回缩，以减少启闭阻力和止水的磨损。库压止水是直接利用库水压力来施加背压，不设专门的阀组控制。由于背压始终保持着上游库水位的压力水头，故在启闭过程中水封的磨损和启闭阻力是不可避免的。另外，当库水位降到一定程度时，随之降低的止水背压不足以克服止水的变形阻力，导致封水不严。基于目前P型水封、山型水封为平面闸门的最常用水封，在设计中主要论证P型水封、山型水封及P型和山型组合水封三种方案。

2.1 P型水封

P型水封由于合理的断面设计，良好的自密性，目前仍然是使用最广泛的水封。但有观点认为，P型水封只适用于中、低水头闸门。如前苏联认为P型橡皮水封不适用于高水头的工作闸门和事故检修闸门。通常，常规P型水封（典型断面如图1）在高压下失效的主要形式为：

（1）P型头在水压作用下挤入压板与门槽水封座板之间。当闸门启闭时，P型头被破坏，甚至静态时，水封头已被破坏；

（2）水压作用至水封头后柄上，循环作用导致此薄弱部位易老化；

（3）P型水封头与门槽止水座板间摩擦力过大，撕裂P型水封柄；

（4）水封及水封垫板从面板与压板间挤出或变形。

针对以上问题，我们对P型水封在高水头下使用作了如下修改：

（1）取消常规P型水封头中Φ20 mm孔，成实心P型水封，以增加P头的强度；

（2）增大水封材料的强度及硬度；

（3）增长水封垫板长度至P头中心；

（4）加大压板的厚度，减小P头与压板的间隙。水封压板头上、下均倒圆角，以免锐角部位对水封的损坏；

（5）设置挡块防止水封及水封垫板被挤出；

（6）P型水封头包氟塑层。降低水封与水封垫板的摩擦系数。

修改后的P型水封装置见图2。对该水封型式的切片试验表明：当水封材料为防100号或LD-19时，水封预压缩量为0，水头80～200 m时，均能较好的封水。

图1 P型水封装置

图2 修改后P型水封装置

2.2 山型水封

山型水封，作为一种液压伸缩式止水常用于高水头闸门。其原理是当闸门进入挡水工况时，山型水封底部充入内压，迫使山型水封头伸出，与另一止水工作面接触并达到足够的接触应力（即接触应力大于库水压强）来实现密封止水。闭门时，可先将山型水封底部内压释放，以减小止水摩阻力。止水装置的作用是封堵闸门与门槽埋件之间的间隙，止水可以设在门槽埋件上，也可以设在门体上。

将山型水封用于链轮闸门，需先确定安装部位。一种方式是将山型水封安装于门槽埋件上，可将止水内压管路引至闸井内某一平台，设一套泵站及管路控制系统控制山型水封内压的充压与泄压。此布置的缺点是：门槽结构复杂，尺寸增大，门槽水力学条件差，内压来源只能引清洁水（如引库水，由于管路较长，库水中的泥沙很容易将管路淤死），用泵站加压后供给。同时，闸门挡水过程，需给内压保压，闸门启闭操作工序增多。门槽内止水橡皮长期浸泡水中，并在挟带泥沙的高速水流环境中工作，易受腐蚀易损坏，且维修更换不方便；另外，只能靠设在门体上的底止水与安装在门槽上的侧止水挤压封水，将可能成为漏水线。

另一种方式是将山型水封安装于门叶上，引库水自动充压。此布置的缺点是：山型水封内压不可调，闸门长时间挡水，可能会将充压管路堵塞，造成闸门启门时，水封摩擦力增大。它的最大优点是止水可以随闸门提到检修平台上进行检修。还有结构简单、可靠；操作闸门启闭时，毋庸附加工序。

遵循设计简单、实用唯美原则，于两种布置方案中，选择了山型水封安装于门叶上，引库水自动充压这一布置方案。其断面图见图3。为防止淤沙进入门槽，造成启闭困难，事故闸门止水布置在闸门上游面。

图3 山型水封安装于门叶上截面示意图

该山型水封装置较以往山型水封的主要改进点有：

（1）山型水封头部至肢柄处贴有氟塑层。一方面减少水封头部与门槽水封座板的摩擦力；另一方面减少水封侧面与水封压板的摩擦力，使水封易于伸缩。

（2）水封装置引库水进口处孔口断面为10mm× 20mm，引入山型水封底部充压腔的孔径为Φ10mm，是水封底部充压腔内泥沙易于排出；

（3）水封压板与底座的配合为锯齿状，可保证压板不会位移；

（4）下游侧水封压板设一凸起“鼻子”，防止水封头被挤入压板与门槽间隙；

（5）压板固定螺栓不穿水封肢柄，防止螺栓孔处漏水。

该山型水封装置的切片试验表明（切片试验中，共选用了防100号及LD-19两种水封材质）：

（1）当背压为0时，水封与压缩量为6 mm及其以下，水封在水头200 m时无法有效封水；

（2）水封在库压作用下，会产生向下游方向的偏移变形并挤紧下游水封压板；

（3）在水封0预压缩量情况下，水封有效封水所需背压小于库压，即水封可直接利用库水充背压来止水；

（4）水封止水所需背压与水封预压缩量有关，预压缩量越大，所需背压越小；

（5）水封止水所需背压与水封材质有关，水封材质硬度越大，越有利于提高水封头部的接触应力，所需背压就越小。

2.3 P型和山型组合水封

国外的超高水头闸门止水设计，除设一道水封外，还常常增设一道辅助水封，以提高运行安全度。鉴于此，链轮闸门拟采用P型和山型组合式水封（图4）。

本链轮闸门处于水库底层，水中泥沙量较大，故闸门布置为上游止水。由于山型水封具有良好的伸缩、止水性能，且抗破坏性优于P型水封，因此将山型水封设为主水封，P型水封设为辅助水封。在设计中，如果P型水封设于山型水封之前，有如下不利因素：

（1）P型水封在闸门启闭过程中易受到高速水流冲击，易损坏；

（2）同一断面中，两种水封中心距较大，相对应门槽部分尺寸也大，不利于门槽水力学；

（3）当P型水封产生漏水时，山型水封开始挡水，P型头前后水压差将逐渐消失，P型水封的自密性也将失去，此时，P型水封将完全失去效果。

考虑到上述因素，在设计组合水封时将山型水封设于P型水封之前，水封断面如图4。同时，为防止山型水封产生漏水，导致水封头前后水压差消失，进而使山型水封完全失效的事故发生，我们有意加大了山型水封背压腔面积，即使出现上面情况，山型水封仍有一定的封水能力。

图4 P型和山型组合式水封示意图

经切片试验，表明：

（1）当山型水封背压大于山型水封单独封水时所需背压时，在保证山型水封止水条件下，山型水封与P型水封之间连接腔允许存在部分压力，其压力值的大小与水库库压、山型水封预压缩量、山型水封背压和山型水封的材质有关；

（2）山型水封预压缩量和背压越大，水封材质越硬，越有利于提高水封头部的接触应力，可增大山型水封与P型水封之间连接腔的允许应力；

（3）当山型水封材质为LD-19，预压缩4 mm时，保证山型水封单独封水，山型水封背压与库压一致，允许山型水封与P型水封之间连接腔压力高于库压。即山型水封产生漏水，导致水封头前后水压差消失情况下，山型水封仍有封水能力；

（4）采用前后两道水封止水，不会促进单道水封的止水效果，但设两道水封可增加一道止水防线，提高运行安全度。

综上所述，链轮闸门顶、侧采用两道止水。前一道为山型水封，引库水自动充压；后一道为实心P型水封；底止水为一道条形水封。其中，山型水封预压缩4 mm，实心P型水封预压缩1 mm。两种水封材质均采用LD-19，或其他具有相同性能的材料。为保证水封达到预期封水能力，两种水封制造、安装均要求达到：橡皮头高度误差≤±1 mm；止水橡皮头不平度≤2 mm，并要求止水座板面整体加工。

3 结语

国外充压式止水用于60～80 m水头已很普遍，100 m水头也有实践。目前国内一些高水头闸门也开始采用充压式止水，并开展了一系列实验研究工作。本次设计借鉴了小浪底水利枢纽及小湾水电站等工程的设计经验，阿尔塔什水利枢纽链轮闸门设计中采用的高水头平板闸门充压式止水装置是适用于多泥沙河流上的一次新的尝试。

TV663

B

1672-5387（2016）10-0041-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.012