改进型双侧止水在沿海感潮水闸中的应用

江伟安

(宁波市河道管理中心，浙江？宁波？315000)

0 引 言

闸门水封是闸门重要的部件之一，其作用是在闸门关闭后，实现闸门的水密封，以阻止上下游之间的漏水；但水封不严会使水闸有渗漏损失，不仅造成水资源的浪费，还会引起缝隙气穴，导致埋设件的气蚀破坏。

姚江大闸处于姚江干流上，担负着阻咸蓄淡功能，多年运行后，闸门两侧止水出现漏水现象；随着运行时间越长，侧止水效果逐渐变差，无法满足规范要求，无法满足感潮水闸双向止水的要求。因此，本文以姚江大闸为例，对止水结构进行改造，以实现双向止水作用，保证其止水严密性。

1 现状止水结构及漏水原因分析

1.1 现状止水结构

姚江大闸位于浙江省宁波市江北区、甬江支流姚江的下游，距宁波市三江口3.5 km，是姚江流域最主要的阻咸蓄淡、抗旱排涝大型骨干水利工程。水闸共36孔，单孔净宽3.3 m，净高4.4 m，总净宽118.8 m；工作闸门为3.3 m×4.5 m平面钢闸门，采用36台200 kN螺杆式启闭机启闭。

现状姚江大闸的止水装置分侧止水、底止水、顶止水，其结构主要由不锈钢材质的底坎、门槽、门楣和P型止水橡皮组成。其中，底止水由底槛外包1.6 cm厚不锈钢板和平板橡皮水封组成，顶止水由楔形门楣和P型橡皮水封组成，侧止水由不锈钢门槽和上游P型橡皮水封组成，形成连续的封闭止水装置[1]。为能实现双向挡水效果，原设计将水封布置在上游面，并按前向、侧向两面预压4 mm设计。竣工投入运行前期中，止水效果基本能达到设计要求，但随着运行时间的增加，止水橡皮圆头磨损和老化变形，水封压缩量变小；再加上滑块磨损，侧止水效果逐渐变差，无法满足规范要求，详见图1。

图1 姚江大闸现状止水结构示意图

1.2 漏水成因分析

现状平板钢闸门底部和顶部止水严密，主要表现为两侧漏水，当上游侧(内江)水位高于下游侧(外江)水位状况下，即下游侧咸水退潮时，漏水尤为严重。造成漏水的主要原因分析如下：

(1)姚江大闸2011年投入运行至今已近12 a，P型止水橡皮圆头已经磨损和变形，水封压缩量变小，止水效果变差。

(2)在上游侧(内江)水位高于下游侧(外江)水位状况下，作用在闸门上游侧水压明显大于下游侧水压。因原设计的闸门支撑滑块同门槽主、反轨之间间隙的存在，会使闸门向下游侧移动；移动量超过设计的间隙要求，安装在上游面止水系统内的P型水封压缩量消失，并脱离主轨上的止水面板而出现空隙；上游侧的水就通过P型止水橡皮圆头和主轨止水面之间的空隙，再通过闸门两侧和门槽之间的间隙流向下游，造成闸门漏水，详见图2。

图2 姚江大闸现状闸门漏水情况示意图

以上两种因素叠加导致当上游侧(内江)水位高于下游侧(外江)水位时，闸门漏水量明显增加。

2 闸门止水改造的目的和改进方案

2.1 改造目的

在胸墙顶高程1.63 m(国家85高程)以下的工况下，利用闸门下游支撑滑块同反轨之间3 cm间隙增设反轨侧的止水装置，以阻止上下游之间的漏水，减少水资源的浪费，起到阻咸蓄淡的作用。

2.2 改进方案

2.2.1 常规改造方案

工作闸门实现双向止水作用，设计上一般可以考虑以下3种方案：

(1)在闸门下游侧同上游侧对称处设置1套P型止水封形式的止水系统，结构同上游侧，可满足双向止水的要求。

(2)在闸门上游侧设置1套双P头型橡皮水封系统，可同时满足上下游侧双向止水的要求。

(3)采用有外力支持的特殊止水系统取代现有的仅靠水位压力密封的P型头橡胶止水系统。

上述3种方案均为常规方案，但存在以下弊端：一是门槽焊接改造会使门槽变形，同时可能导致与门槽接触的混凝土开裂。二是需要抽干闸室的水，施工难度大，抽水费用较高。三是闸门防腐时需要返厂维修，拆除难度大。

综上所述，上述3种方案较难实施。

2.2.2 综合改进措施

(1)增设下游面止水系统

在工作闸门的下游面两侧边梁上的面板上新设置P型橡胶止水组件，止水橡皮采用适用于耐酸、碱、盐等无机溶剂环境的SF6574(氯丁)[2]，使之同预埋门槽反轨内侧面构成下游侧的止水系统。当上游侧水位高于下游侧水位，闸门在压差的作用下向下游移动后，其上新设置的止水橡胶会压紧在反轨内表面上，并可达到设定的压缩量实现下游侧止水。新增的止水橡皮的压缩量控制在2 mm左右，由同一平面布置的支撑滑块控制，支撑滑块位置调整到止水橡皮的外侧，需在其位置的面板下方增设加强筋板。

(2)增大上游侧P型水封橡胶座板尺寸

由于姚江大闸工作闸门和螺杆启闭机之间是刚性连接，当螺杆启闭机螺杆利用下压力关闭闸门时，水压力对正常移动闸门有约束作用，对止水效果会有影响。为降低这一不利因素的影响，在原上游面P型头橡胶下方增加1块宽度为20～30 mm的垫板，高度同原水封座板并焊牢刨平；以减少原P型头在操作水位时的变形量，起到减少上游侧淡水漏水量的作用。

(3)门槽位置增设润滑水系统

考虑到改造成双向橡胶止水后将增加启闭机在正常启闭时的启闭力，并影响橡胶止水使用寿命；严重时可能导致止水橡皮反转、撕裂等现象，造成闸门止水失效。为此，在新增下游侧止水后，在每孔闸门的两侧门槽位置增设润滑水系统，以降低闸门启闭过程中的荷载及减少止水橡皮磨损；并以每孔闸门为单位设置1套电磁阀，以实现闸门启闭的远程联动操作，详见图3。

图3 闸门改进双侧止水结构示意图

3 改造后闸门启闭力的复核

3.1 计算选择的工况

工作闸门启闭机采用单吊点螺杆启闭机，型号为QPL—20，螺杆直径为95 mm，设计启门力200 kN，闭门力100 kN，配套电机功率为7.5 kW。平板钢闸门重为3.255 t，在水闸上下游水头差超30 cm情况下无法利用自重关闭，因此姚江大闸的启闭方式采用螺杆启闭机。

闭门的不利水位组合为预泄排水时上游水位为正常低水位0.73 m，下游侧为历史最低潮位-1.72 m，上下游水位差为2.45 m。

闸门开启不利水位组合为预泄排水时上游水位为正常高水位1.33 m，下游侧为历史最低潮位-1.72 m，上下游水位差为3.05 m。

3.2 计算公式

闭门力计算：

FW=nT(Tzd+Tzs)-nGG+Pt

启门力计算：

3.3 计算结果

计算结果如表1、表2所示。

表1 改造前后的水闸启门力计算成果表

表2 改造前后的水闸闭门力计算成果表

经计算，在最不利水位组合下，双侧止水的闸门所需最大启门力为198.56 kN，闭门力为82.69 kN，限于原启闭设计值范围内。但考虑满足所需启门力的富裕度偏小，在改造过程中同时增设润滑水系统，减少了闸门升降的阻力，提升了富余系数。

4 改造中注意的环节

(1)螺杆启闭机与闸门是刚性连接，其对闸门移动的约束会影响止水效果；同时约束量无法直接量化，需要入水观察测量后确定。

(2)工作闸门门槽在制造及与闸门配合的安装过程中误差无法精确测量，需要观察改造后的闸门漏水状态，再进行调整；调整时需把闸门再次吊出门槽，移动到检修平台进行调整。

5 止水系统改进成效和优点

5.1 改造的成效

(1)原工作闸门上游侧止水橡皮型号为SF6674—P45，侧止水中心距为3 205±2 mm；改造后上游侧止水橡皮选型SF6574—P45，侧止水中心距调整为3 200±2 mm。止水橡皮安装时保证上游侧支撑滑块低于止水橡皮2～4 mm，增设工作闸门下游侧反向水橡皮，型号为SF6574—P30，橡皮两侧中心距为3 330±2 mm；止水橡皮安装时保证下游侧支撑滑块低于止水橡皮1～3 mm。改造后上下游无论产生任意方向水头差，止水装置上下侧P型橡胶圆头均能与对应门槽紧密接触，不会形成漏水空隙。

(2)同时增设的润滑水系统不但可以减少闸门升降的阻力，而且可以提高止水橡皮的使用寿命。由于经过正常工况下对启闭电流的观察，工作闸门止水橡皮更换前的各台启闭机电机启门电流普遍在7.5～8.0 A之间，改造后各台启闭机电机的启门电流普遍在7.0～7.5 A之间，从中也可以判断出闸门止水结构综合改造后减小了一定的摩擦力。

5.2 改造的优点和亮点

(1)改造施工方案切实可行。本次改造仅针对工作闸门门叶进行调整实施，避免了针对预埋门槽的改造导致的门槽变形、施工工期长等不利因素，也无增加闸门启闭力。

(2)改造施工简单方便、节省投资。本次改造不需要进行设置围堰施工，可以结合闸门防腐一同返厂改造实施。

(3)止水效果明显。经过一段时间观察，目前新安装的闸门止水漏水现象肉眼观察不到，一定程度上减少了水闸上游姚江水体的含氯度，也减少了淡水资源的损失，达到改造预期效果。