伸缩式水封在应用中存在问题及解决方法

摘要：近年来，伸缩式水封被广泛地应用于各水利水电工程建设项目，伸缩式水封有承压水头较高，止水效果好，制作和安装工艺相对简单，价格适中等特点，但正由于它承压水头较高，所以在运行过程中易于被损坏。近几年从现场实验、力学计算、材料对比等多个角度对伸缩式水封进行研究，就水封在新疆恰甫其海水库运行5 年以来的情况进行总结，对水封损坏的原因进行分析，阐述了通过改变闸门工作方式使水封损坏问题得以解决的措施。

关键词：伸缩式水封；水封封头；充压气囊；背压腔；剪切损坏；恰甫其海水库

中图分类号：TV34 文献标志码：B 文章编号：2095-0144（2012）06-0016-02

1 前言

随着国民经济建设的发展，高水头水电工程建设项目也逐渐增多，各种泄洪隧洞的闸门的尺寸也越来越大，设计水头越来越高，同时，闸门所承受的水压越来越大，相应对水封止水能力的要求也越来越高。目前高水头弧形闸门应用的水封大致有3 种：常规水封、伸缩式水封和偏心铰压式水封。常规水封是通过水封与门槽接触面的挤压来止水，结构简单，技术成熟，造价较低，在承压范围低于60 m水头是较普遍，但当承压水头过高时，水封容易破损，可靠度不高。偏心铰压式水封是利用偏心机构控制闸门面板向门槽方向移动，以压紧门槽从而实现止水目的，水封止水效果较好，但水封结构复杂，制作工艺要求高，价格昂贵。伸缩式水封是在水封的背面施加背压，推动水封头部外伸挤压闸门面板以达到止水目的，伸缩式水封止水效果较好，制作和安装工艺相对简单，价格适中，在高水头弧形闸门中应用较为普遍。

2 伸缩式水封在新疆恰甫其海水库深孔弧门中应用

2.1 工程概况及止水形式

恰甫其海水库位于新疆伊犁巩留县境内，枢纽大坝采用黏土心墙坝，最大坝高108 m，深孔工作闸门孔口尺寸5.5 m×5.5 m，设计水头80 m。由于该闸门孔口尺寸大，设计水头高，孔口处最大流速约为25 m/s，采用直支臂自润滑滑动轴承弧形钢闸门，闸门面板曲率半径10.5 m，弧形工作闸门的主止水采用气压伸缩式止水型式，副止水为常规止水。该闸门所采用的伸缩式水封材质主要是橡胶，充压伸缩式止水装置由“山”形止水块、充压气囊、刚性座板、刚性压板及闸门面板几部分构成，刚性压板将止水元件固定于座板上，座板与止水元件之间形成背压腔，充压气囊置于背压腔内。

2.2 伸缩式水封止水原理和性能

伸缩式水封是通过向背压腔内的气囊充气，从而推动“山”形止水块的水封封头外伸挤紧闸门门叶面板达到止水的目的。水封的工作原理为闸门全关前，充压气囊始终处于卸压状态，水封封头始终处于收缩状态；当闸门全关后，在高水位的作用下库水通过闸门面板和门槽间形成高速水流，此时，空压机向充压气囊充气，背压腔向伸缩水封施加背压，水封封头外伸，慢慢挤紧闸门面板，从而止水。当开启闸门时，打开充压气囊的排气阀，排除伸缩水封的背压，在水封自身弹力的作用下和水压作用下，水封封头回缩，封头脱离闸门面板，方可开启闸门。水封装配见图1。

由此可见，想要水封达到预想工作效果，必须使“山”形止水块能够伸缩自如，在闸门关闭后，水封封头能够挤紧闸门面板，同样，闸门开启前，水封封头能够顺利完成脱离闸门面板动作，以避免水封封头在闸门关闭和开启过程中，遭受到剪切和摩擦破坏，使水封头磨损或撕裂。

2.3 伸缩式水封在闸门运行中问题

恰甫其海水库从2005 年6 月下闸蓄水，深孔闸门从此时开始投入运行。但水封曾多次在闸门全关过程中被损坏，将自2005 年至2010 年深孔工作闸门全关过程中水库的运行情况和水封的状况进行统计汇总见表1。

表1 深孔闸门全关过程水库运行状况及水封状况统计

从表1 可看出，2005 年水封运行情况良好，但当运行至2006 年底水封封头开始被闸门切割损坏。分析具体原因，是因为,在2005 年的运行过程中，水库处于初期蓄水阶段，库水位缓慢上涨，深孔工作闸门前运行水头在34～69 m 之间运行，一直较低，水压较小，水封背压腔密封性较好，充压气囊卸压后，水封封头的回缩能力较强，水封运行情况良好。运行至2006 年7 月6 日时，此时深孔工作闸门前的运行水头已达73.59 m，库水压明显增大，水封翼头无压缩量，加之运行两年来压板螺栓产生松动，在闭门过程中高速水流挤入水封背压腔内，积存在底水封背压腔内，导致水封在充压气囊卸压后，底水封封头没有空间回缩，最终导致在闸门关闭过程中，底水封转角处封头被剪切损坏。2007 年10 月底购买新水封进行更换，但在2008 年7 月和9 月的闸门闭门过程中闸门再次被损坏，这两次损坏的状态和原因和之前水封损坏的情况相似。

2.4 具体解决方案

针对上述问题，要保障闸门在高水头状态下安全闭门，首先要解决的问题就是如何避免在闭门过程中由于水库库压大导致背压腔进水这一难题。2010 年起尝试对深孔工作闸门的运行方式进行改进，将闸门的工作方式改为“动启静闭”，用事故闸门来配合工作闸门的关闭，将工作闸门的关闭操作分为4 个步骤，第1 步：将工作闸门关闭至0.4～0.5 m；第2 步：关闭进口事故闸门，让事故闸门承担库水压力，为工作闸门在无压状态下闭门作准备；第3 步：待洞内积水排出后，观察底水封情况，在确保底水封封头完全回缩至压板平面的情况下，再将工作闸门完全关闭，向水封充压；第4 步：平压后，开启进口事故闸门。此种方法虽然步骤繁琐，增加了运行成本，但解决了长期以来该水库深孔闸门水封所存在的在高水头状况下闭门过程中水封剪切损坏问题。

3 伸缩式水封在使用过程中应注意其他问题

在伸缩式水封的应用过程中，除了要注意在高水头状况下闭门过程中被剪切损坏的问题，还要注意的第一个问题是避免小开度运行。总结新疆恰甫其海水库运行经验的过程中发现，在2010 年10 月28 日，该水库深孔闸门在0.1 m开度下运行24 h后，水封再次被损坏。此次水封损坏的情况与前几次的情况不同，底水封的充压气囊和橡胶垫片被冲出，分析原因是由于小开度运行在高水头左右压在闸门底坎处形成高速喷射的水流，高速水流在水封背压腔内形成通道，另外，高速水流造成压板螺栓产生严重的松动，将充压气囊冲出带走，造成了水封的损坏。由此可见，小开度运行对水封的潜在危害也较大，在采用伸缩式水封的闸门运行过程中，应尽量避免小开度运行。第二个问题是在无法解决背压腔密封问题的情况下，底水封背压腔内需设排水孔。恰甫其海水库深孔闸门水封多次被损坏和背压腔内未设排水孔有直接关系，水流进入底水封背压腔内没有排水孔将其排出，水封封头没有空间回缩，最终导致被闸门门叶挤压剪切损坏。另外，排水孔所设的位置也很重要，排水孔不应设在背压腔中部，应尽量安排在背压腔靠下部，以避免水封封头回缩时将排水孔堵住，迫使背压水无法排出。

4 结语

在伸缩式水封的应用过程中，影响水封使用寿命的因素很多，比如“山”形止水块截面尺寸、使用橡胶的材料，橡胶的蠕变、操作环境温度等，都需要反复探索、不断总结经验。通过对新疆恰甫其海水库深孔闸门所采用的伸缩式水封在使用过程中遇到问题的总结和分析，初步探索出了一些应对方法，对进一步认识伸缩式水封的优缺点，优化伸缩式水封的设计有一定的参考作用。

参考文献：

［1］白绍学.高水头弧形闸门伸缩式水封止水研究［D］.天津：天津大学，2007.

［2］刘礼华，熊威，顾因，等.高水头弧形闸门伸缩式水封的黏弹性仿真计算方法［J］.水利学报.2006，51（9）：147-1150.

作者简介：刘娟（1980-），女，甘肃人，工程师，主要从事水利工程管理。