（水利工程专业论文）高水头弧形闸门伸缩式水封止水研究.pdf

中文摘要 本文基于小湾水电站高水头闸门水封止水试验的研究，对高水头伸缩式水封 的工作原理和止水效果进行了研究和探讨。试验水封采用4 种体型、2 种材质， 试验水头8 0 m - - - 2 0 0 m ，闸门缝隙5 m m - 2 0 m m 。 试验采用切片模型和整体模型进行。 切片水封试验可以观测水封止水时的变形过程和止水形态，进行水封止水原 理的研究，可对水封进行优选。整体水封试验可观测水封的沿周长的止水情况， 可以弥补切片试验的缺陷。切片试验和整体试验相互补充，相辅相成。 通过切片试验可知：水封止水效果的好坏与水封体型和水封材质有关，i 型 水封在闸门缝隙较大时，不能止水；型和i 型水封可利用其几何变形的优势， 止水效果较好；型水封靠弹性变形，水封回缩容易，在一定的库压及闸门缝 隙内，止水效果很好。试验表明：l d 1 9 材质的水封止水背压要略大于防1 0 0 样， 但l d 一1 9 材质具有一定的优越性。通过切片试验优选出了u 型l d 1 9 水封进行 了整体试验。 i i 型l d 1 9 水封整体止水试验表明：闸门缝隙在3 0 m m 以内、水库库压在 2 0 m p a 及其以下，水封只要背压够大，都可以止水。水封各部位止水背压的大 小各有差异，由于水封接头客观存在的粘结缺陷，接缝处的止水背压一般略高于 水库库压。 由试验成果得到了各水封止水背压与水库库压和闸门缝隙的回归关系曲线， 并由回归曲线方程反算出直边段和转角段在特定库压和闸门缝隙下所需的止水 背压，可供设计采用。 试验研究证明了伸缩式水封只要水封、压板体型合适，材质选择合理，完全 可以满足水头2 0 0 m 的止水要求的，消除了工程运用的顾虑。 论文还结合试验研究的成果，对工程中水封的设计、制作和运行提出建议， 对研究存在的不足和今后进一步的研究提出了意见。 关键词：高水头；弧形闸门；伸缩水封；材质；背压；库压；闸门缝隙 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h eg a t e sr e t r a c t i l es e a le n g i n e e r i n gr e s e a r c hw i t hh i g h w a t e r - p r e s s u r e i nx i a w a n gh y d r o e l e c t r i cs t a t i o n i td o e ss o m er e s e a r c h a n d e x p e r i m e n to nt h em e c h a n i c sa n ds e a lr e s u l to f r e t r a c t i l es e a lw i t hh i g hp r e s s u r e f o u r d e s i g n sa n dt w ok i n d so fm a t e r i a l sa r et a k e ni nt h ee x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a l w a t e rp r e s s u r ei so f8 0 mt o2 0 0 m ，g a t e sg a pi so f5 m mt o2 0 m m t h i sr e s e a r c hm a k e su s eo fs e c t i o nm o d e la n dw h o l em o d e l ： w ec o u l do b s e r v et h ep h y s i c a lc h a n g ep r o c e s so ft h es e a l i nw o r k i n gc o n d i t i o n a n dt h ew a t e r - r e s i s t a n c es h a p eo ft h es e a li nt h es e c t i o nm o d ee x p e r i m e n t w ea l s o c 0 1 l i dd ot h er e s e a r c ho ft h es e a l & w a t e r - r e s i s t a n c em e c h a n i c s s ow ec o u l db e t t e r c h o o s et h es e a l w ec o u l do b s e r v et h ew a t e rr e s i s t a n c ep r o c e s sa l o n gt h ep e r i m e t e ro f s e a li nw h o l em o d e le x p e r i m e n t i tc o u l dc o m p e n s a t et h ed e f e c to f ，s e c t i o nm o d e l e x p e r i m e n t t h e s et w om o d e le x p e r i m e n t sw o u l dc o m p e n s a t ee a c ho t h e r sd e f e c t s t h r o u g h t h es e c t i o nm o d e le x p e r i m e n t ，w ec o u l dk n o wt h ew a t e rr e s i s t a n c er e s u l t o ft h es e a lh a ss o m e t h i n gt od ow i t ht h es e a l sp h y s i c sa n dt h em a t e r i a lu s e di ns e a l i t y p es e a l sw i t hl a r g eg a t e sg a pc o u l dn o tr e s i s tt h ew a t e r i it y p ea n d i i lt y p es e a l s c o u l db r i n gb e t t e rw a t e rr e s i s t a n c ew i t ht h ea d v a n t a g eo ft h e i rg e o m e t r yc h a n g e i v t y p es e a lw i t hi t sr e s i l i e n tc h a n g e ，w h i c h m a k e sr e t r a c te a s i e r , c o u l db r i n gb e t t e rw a t e r r e s i s t a n c ew i t h i nc e r t a i np r e s s u r ea n dg a t e sg a p t h ee x p e r i m e n ts h o w st h ew a t e r r e s i s t a n c eb a c kp r e s s u r eo fs e a l sm a d eo fl d 一1 9m a t e r i a li sl a r g e rt h a nt h a to f1 0 0 ” t h el d 19m a t e r i a lh a ss o m ea d v a n t a g e s a f t e rt h es e c t i o nm o d e le x p e r i m e n t ，w e c h o o s el d 19s e a l so fl lt y p et od ot h ew h o l em o d e le x p e r i m e n t t h eo v e r a l lw a t e rr e s i s t a n c ee x p e r i m e n to fl d 一1 9s e a l so fi it y p es h o w s ，w h e n t h eg a t e ，sg a pi sw i t h i n3 0 m m ，a n dt h er e s e r v o i rp r e s s u r ei su n d e r2 0 m p a ，i ft h eb a c k p r e s s u r ei sl a r g ee n o u g h ，t h es e a lc o u l d r e s i s tt h ew a t e r t h e r ee x i s t sc e r t a i nd i f f e r e n c e i nn l eb a c kp r e s s u r eo ft h ed i f f e r e n ts e a l sp a r t s t h ec o n t a c t sb a c kp r e s s u r ei sa l i t t l e l a r g e rt h a nt h er e s e r v o i r sp r e s s u r ed u et ot h eo b j e c t i v ed e f e c to f t h es e a l sc o n t a c t t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tw eg e tt h er e g r e s s i v er e l a t i o n s h i pc u r v eb e t w e e nt h e d i f f e r e n ts e a l s w a t e rr e s i s t a n c eb a c kp r e s s u r e ，t h er e s e r v o i rp r e s s u r ea n dt h eg a t e s g a p a n dw eg e tt h ew a t e rr e s i s t a n c e b a c kp r e s s u r eo ft h er e c t a n g u l a ra n dt u r n s e c t i o n su n d e rc e r t a i nr e s e r v o i rp r e s s u r ea n dg a t e sg a pt h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no f r e g r e s s i v er e l a t i o n s h i pc u r v ee q u a t i o n ，w h i c hc o u l dp r o v i d es o m e r e f e r e n c ei nd e s i g n t h ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t e st h a t s e a l sc o u l da b s o l u t e l ym e e tt h ew a t e r r e s i s t a n c er e q u i r e m e n to f2 0 0 m sw a t e rp r e s s u r ei ft h ef i g h ts e a l ，p r e s sp l a t et y p e ，a n d t h em a t e r i a la r ec h o s e n t h i se l i m i n a t e st h ew o r r i e si nt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s w i t ht h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h ，t h i s t h e s i sa l s op r o v i d e ss o m e s u g g e s t i o n si nt h ed e s i g n ，m a k ea n d r u no fs e a l si ne n g i n e e r i n g i ta l s op r o v i d e ss o m e a d v i c e so nt h ed e f e c to ft h i sr e s e a r c ha n dt h ef u r t h e rr e s e a r c ha f t e r w a r d s k e y w o r d s ：h i g hw a t e r - p r e s s u r e ，a r cg a t e ，r e t r a c t a b l es e a l , m a t e r i a l , b a c k p r e s s u r e , r e s e r v o i rp r e s s u r e ，g a t e sg a p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乃包秀 签字日期： 2 7 年 6 月f f 日 学位论文作者签名：饥易 签字日期： 2 7 年 6 月f f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： ，7j 7 白? 多 签字日期：z 叼年g 月f 日 导师签名： 彩放 签字吼j 。夕年么删日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着我国经济建设的发展，用电需求迅速增长，高坝大流量水电工程建设日 益增多，各种泄洪隧洞闸门的孔口尺寸越来越大，承压水头越来越高，出现了如 小湾水电站这样的世界级的高拱坝，其底孔工作弧门设计承压水头高达1 5 7 2 m ， 闸门孔口尺寸为5 m x 7 m ，承压水头之高，孔口尺寸之大，为国内外罕见，高水 头闸门止水问题也变得越发重要。 闸门水封止水不好，不仅会使水库水量流失，有碍观赡，还会产生一系列的 危害，如出现一些危害性窄缝高速射流，形成空化源、振动源、噪声源及射流切 割源，引发闸门及门槽的切割、空化和流激振动，严重时还会产生空蚀破坏和危 害性振动，导致闸门变形、启闭失灵等，使闸门无法正常使用。这些故障险情往 往源出于水封撕裂失效所造成的漏水及射流，特别是高水头闸门，情况更为严重。 已建成工程中闸门失事的实例屡见不鲜。 碧i ：i q - 程左岸泄洪洞深孔弧形闸f - jr 1 1 ，其孔i ：i 尺寸9 m x 8 m ( 宽高) ，孔口面 积为7 2 i n 2 ，工作水头为7 0 m ，总水压力6 0 5 0 x 9 8 k n 。运行不久即出现顶水封与 侧水封连接的角隅处水封撕裂，继而顶水封撕裂，漏水严重，一股高速射流导致 胸墙门楣衬砌钢板被大面积掀起破坏，埋件裸露，影响运行。 山西汾河水库 1 】弧形闸门，由于水封漏水，p 型橡胶在高速射流下发生振动， 产生的噪声周围几里内可以听见。后通过原型观测及实地考查，经分析研究，将 水封压板加长增强，使p 型水封的悬臂部分缩短并压紧，从而消除了振动与噪声 源，使噪声消失。 闸门止水不好，对高水头闸门及大坝的安全运行是不可忽视的问题。如何合 理设计水封，使高水头闸门水封止水安全可靠，已成为高坝关键技术之一。 小湾水电站底孔弧形闸门水封采用伸缩式水封，水封试验要求承压水头高达 2 0 0 m ，止水缝隙2 0 m m ，在国内外都极其少见。为确保安全，需通过对高水头闸 门水封的体型、材质、止水的水密性和可靠性以及水封系统布置等进行了深入研 究，才能确保在如此高的水头下，弧形闸门的伸缩式水封能可靠、安全、稳定的 工作。 1 第一章绪论 1 2 国内外研究运用现状 1 2 1 水封型式的应用 目前高水头弧形闸门水封型式主要有三种【2 卜1 4 ，即：常规水封、伸缩式水 封和偏心铰压紧式水封；三种水封的各具特点，适用范围各有不同。 常规水封是通过闸门门叶周边常规水封与门槽接触面的挤压来止水，结构简 单，技术比较成熟，造价较低，在承压水头6 0 m 以下应用比较普遍，应用效果 也不错。但当承压水头较高时，水封则往往容易破坏，可靠性不高，目前常规水 封国内运用水头较高的实例为三峡水利枢纽i t s j c 7 】，止水水头达6 0 m ；通过常规水 封试验研究 7 1 表明，常规水封也可在8 0 m 水头下运行。 随着弧形闸门止水水头的增大，常规水封己不能适应止水要求，而只能作为 辅助水封，与顶楣的射水挡板一道，在闸门启闭过程中用于阻挡射水。而主水封 则逐渐被偏心铰压紧式水封和伸缩式水封所取代。 偏心铰压紧式水封t s f l o 】是利用偏心机构控制闸门面板向门槽方向移动，以 压紧门槽上的水封而止水，此类水封型式止水水头较高，成功运用也较多。如巴 基斯坦塔贝拉工程【l 】，止水水头高达1 3 2 m ；国内的东江水电站二级放空洞弧形 闸门【l 】，孔口尺寸为6 4 m x 7 5 m ，设计水头l o o m ，挡水水头1 2 0 m ，也采用偏心 铰水封。但偏心铰压紧式水封结构复杂，制作工艺要求高，造价昂贵( 造价约为 伸缩水封造价的1 6 倍以上) 。 伸缩式水封是在门槽水封的背面施加背压，推动水封头部外伸顶紧闸门面板 而止水。伸缩式水封出流条件好，闸门可局部开启运行，设计及制作工艺相对简 单、造价适中、适应性好、运行检修方便，在l o o m 级水头的闸门中应用也较为 广泛，并取得了成功经验f l 】。如前苏联的托克托古尔水电站和布列斯卡雅水电站， 国内的白龙江水电站、漫湾水电站( 止水水头9 0 r e ) 、天生桥水电站( 止水水头 1 2 0 r e ) 和宝珠寺【1 1 】。 1 2 2 水封运行中出现的主要问题和原因 水封尽管在一些工程中得到了成功应用，但在工程应用中，仍存在一些问题 【1 2 卜【1 9 1 ，总结如下： 典型的东风电站中孔弧形闸f - 3 1 1 2 1 采用伸缩式水封，运行中存在以下问题： 充压水封在1 9 9 4 年安装完毕后，进行压水运行试验。在试验过程中，水 2 第一章绪论 封围带渗漏，背压腔压力衰减非常快，根本不能保压。后虽经修改了水封断面尺 寸、加注密封胶、采用高强螺栓，仍不能收到显著效果。分析原因主要是：水封 断面尺寸、水封材质、水封压板的体型选型不合理：水封压板对水封两翼的压缩 量不足，造成渗漏；另外，水封充压变形后，水封压板与底座形成间隙，压力水 逐渐从该间隙和密封胶薄弱处渗漏。 水封背压卸压后，水封头部不能回缩。中孔弧f - j 自投入运用后，多次发生 水封撕裂损坏，且大部分发生在底部水封。分析原因主要是：水封排水孔高出底 部水封1 0 m ，底部水封背压腔内的积水不能完全排除，尚有0 1 m p a 的残压，使 水封不能完全回缩，在闸门下落过程中，闸门与水封头部相切、摩擦，使得水封 受损。 在运行过程中，水封压板紧固螺栓剪断，压板产生松动脱落，发生部位一 般在底部水封和两侧水封的下部。分析原因主要是：按设计要求，水封压板螺栓 的紧固力为4 0 0 n m ，水封两翼压缩量应为9 r a m ，实际更换水封后，压缩量需要 8 1 4 r a m ，再加上水封压板螺栓孔布置不合理，造成压板压紧力矩过大，需增加 更大螺栓扭力才能压紧水封；且水封压板与底板之间存在间隙，水封多次运用后， 水封产生蠕变松弛，螺栓紧固力减小，压力水产生渗漏，从间隙中射出，产生振 动，使螺栓剪断，压板产生松动、脱落。 高坝洲水电站深孔弧i , - j 【1 3 1 运行1 年后j 三扇弧门均出现不同程度的漏水甚 至射水，漏水部位主要发生在四个转角处。分析原因为：按设计要求，四个转角 处的水封接头应采用现场热胶合，但由于转角处为现场切割，遂改为冷压胶合， 胶合面的贴合不能达到1 0 0 的平整，质量未达到设计要求，经过一段时间运行 后，转角胶合处开裂，使水封损坏。 文献【1 4 】对闸门漏水原因进行了分析，主要有：设计的水封结构布置不当， 水封材质不符合要求；水封与水封座板制造偏差过大，安装不牢固；水封接头质 量较差；水封压缩量不够；水封橡胶运用时间过长，橡胶老化产生塑性变形而失 去弹性，易产生断裂和撕裂等破坏；橡胶长期磨损，止水间隙过大；水封固定螺 栓松动锈蚀，造成压板的松动脱落。 大河水库泄洪洞【1 5 1 在进行动水试验时，水封也发生漏水和破损，分析原因 为：水封强度不够，容易扯断；门槽及水封座制造过程中，没打磨的焊点和毛刺 划裂水封；与水封接触的部件，严重锈蚀，加大了水封的摩阻力，水封更易被划 3 第一章绪论 破；水封橡胶接l l 粘结不牢；水封压板螺栓偏小，水封压板压不到位；水封运用 时间过长，产生老化。 葛洲坝3 号船闸反弧门水封f 1 6 】在运行多年后，底侧水封压板螺孔损坏、螺 栓及压板松脱严重，部分底水封压板松脱冲走，侧水封紧固螺钉头部磨平，侧衬 钢板及导轨磨出5 m m 深槽，门体大部分水封螺孔严重拉伤。分析原因：压板螺 栓采用沉头螺钉，实际安装时，紧固不好控制，造成安装不到位；水封厚度不够， 易于损坏；高速水流产生强烈的冲击、气蚀、振动、脉动，造成了螺孔和螺栓磨 损加剧。 京南电站溢流坝工作闸f - j t l 7 】在运行一段时间后，部分闸门均存在侧止水、 底止水、节间止水漏水。分析原因：水封轨道施工埋设时出现失误；轨道节间结 合部有错位和缝隙等。 文献【1 鼬分析了露顶式闸门漏水原因：由于制造安装的误差，水封与水封轨 道之间缝隙过大，造成止水不严密，水封撕裂、翻卷等。 清河水库输水道【l 出口弧门水封漏水原因：闸门门叶的防腐处理不均，门 叶出现锈坑，对水封产生了磨损。 1 2 3 水封材质研究现状 对闸门水封材质的研究，国内上世纪8 0 年代起就已开始，西安理工大学( 原 陕西机械学院) 进行过大量研究【2 0 】【2 8 1 。 西安理工大学章继光等对龙羊峡水电站偏心铰弧形闸门和事故闸门的水封 试件进行了不同温度下的蠕变和松弛试验【2 0 】。蠕变变形采用百分表测读，加重 块加重；松驰应力采用压力传感器测读；试验材质为3 种。试验结果表明：橡胶 水封的蠕变和松驰现象是比较明显的，常温下，一般在一天半左右时间应力松弛 基本完成，高温时，松驰则一直延续。不同温度的松弛曲线在8 天左右最大松弛 不超过3 0 ，1 0 和2 0 恒温时，应力松驰最大不超过1 5 。硬度、弹性模量 和拉伸强度大的水封，蠕变变形小，性能相对好些，5 0 天蠕变量约1 9 。但本 次研究时间不够长，只有5 0 天，相对原型应用时间太短。 西安理工大学刘茂社等对三种闸门橡皮试件进行粘弹性试验1 2 1 】，成果表明： 橡胶试件蠕变表现显著，变化曲线呈幂指数形式，在开始l o 天内，蠕变变形较 大，之后，蠕变曲线接近一条渐近线上升；蠕变在1 个月左右可达2 0 左右，在 3 个月左右可达2 4 左右；橡胶硬度小、弹性模量小，相对应变大；试件头部接 4 第一章绪论 触应力的大小( 分别为1 0 、1 5 、2 0 m p a ) 与蠕变变化大小的关系不明显；并根 据蠕变试验成果，推导出了橡胶材质的蠕变变形和松驰应力变化规律表达式。 西安理工大学石春霞等对小浪底工程高压闸门水封的粘弹性进行了长时间 的研究【2 2 】，研究时间长达3 9 2 天，试验选用3 种材质。研究表明：橡胶水封的 蠕变幅度相当大，延续时间很长，半年可达5 0 - - 5 9 ，一年可达5 6 一- 6 4 ； 应力松驰幅度亦较为显著，松弛率达3 6 - 3 9 ，受力越大，应力松弛幅度也越 大。根据试验曲线拟合结果，提出了蠕变及松弛规律的表达式，分别如下： 蠕变：a 组为： 占，= o 1 4 5 ( 1 0 3 9 3 e o ) b 组为： 占，= o 1 2 ( 1 0 3 7 2 e 一仉】4 盯) 松驰：a 组为： o - ，= 1 5 0 ( 0 6 0 6 7 + 0 3 9 3 3 x e 圳鲫) b 组为： ，= 1 4 2x ( o 6 3 8 + 0 3 6 2 e 吨砌) 式中：t 蠕变应变； q 松弛应力； t 一时间7 刘茂社等对偏心铰闸门在压紧时，对水封产生的切搓力进行了切搓性能研究 【2 3 】【2 4 】。成果表明：相同压缩量下，橡胶硬度大、弹性模量大的水封，切搓力大， 闸门接触应力也大；橡胶材质硬的水封，切搓力随压缩量的增大呈加速增长的趋 势；而材质软的水封，切搓力随压缩量的增大呈缓慢增长的趋势。 武汉水利电力大学尤聿宁、李贵谋对水工闸门止水橡胶的摩擦特性进行了研 究【2 5 】。橡胶试件采用南京橡胶厂的山型水封，拉力采用力传感器进行测量。研 究结果表明：橡胶干摩擦系数约为o 8 1 2 ，湿摩擦系数为0 2 0 5 ，浑水中摩擦 系数要大于清水o 1 左右；试验过程中，存在静摩擦峰值，且随着压力加大而增 大；其中，在清水中，静摩擦系数远大于动摩擦系数：水封试件随着摩擦次数的 增加，表面变粗糙、软化，摩擦系数有随试验次数的增加而有减小的现象。摩擦 系数随正压力的增大而减小；干摩擦系数随移动速度的增大而逐渐增大，在 5 第一章绪论 3 5 m m i n 时达到峰值，随后摩擦系数随速度增加而减小，湿摩擦系数则随移动 速度的增加而减小。 国家电力公司昆明勘测设计研究院科学研究所也进行过山型水封摩擦试验 研究【2 6 l 2 7 1 ，试件运动由油缸牵引，运动速度按闸门实际运行速度要求，分别为 2 r n m i n 和3 m r a i n ；试件轨道为不锈钢；水封试件为南京橡胶厂提供，试验头部 分别为纯橡胶和表面聚四氟己烯( 以减小摩擦力) 包裹，试件为二条长4 0 0 m m 的水封，水封运行距离为2 0 c m - - 3 0 c m ；压力采用堆载法，堆载大小根据水封压 缩量决定；油缸牵引力用力传感器测量，用计算机进行数据采集。研究结果表明： 水封试件移动时，需克服静摩擦力，静摩擦系数远大于动摩擦系数，最大可达2 倍；随着水封正压力的增大，静摩擦系数和动摩擦系数的差值逐渐减少；头部为 橡胶的摩擦系数远大于头部为聚四氟乙烯的水封；头部为橡胶的水封干摩擦系数 平均为0 4 2 2 - - 一0 5 0 7 ，湿摩擦系数平均为0 3 2 4 , - - - 0 3 8 5 ；头部为聚四氟乙烯的水 封干摩擦系数比较稳定，平均为0 1 9 1 - - 0 1 9 8 ，湿摩擦系数平均为0 2 3 7 - - 0 3 0 0 ， 聚四氟乙烯湿摩擦系数大于干摩擦系数，且远大于规范【2 8 1 推荐的摩擦系数0 1 ， 成果有些出人预料，分析原因可能是试验方法不同，规范所得的摩擦系数是规范 试验【2 9 1 【3 0 1 得到，规范试验的试件只有4 0 0 0 m m 2 、正压力只有1 9 6 n ，运动速度 为0 1 m s ，远小于水封实际运行的数值。 为检验水封的耐磨性，国家电力公司昆明勘测设计研究院科学研究所结合三 峡水电站、紫坪铺水利枢纽的水封试验f 7 1 3 1 1 ，进行了在库压1 0 m p a 下的常规水 封和转较水封的试验，。试验摩擦次数为启闭各2 4 0 0 次，相当于原型闸门各启闭 1 0 0 次。通过试验，了解了常规水封和转较水封的磨损情况和原理，检验了水封 的耐磨性能，对改进常规水封和转较水封系统提出了建议。 在水封新材质的研究上，国家电力公司昆明勘测设计研究院科学研究所结合 水封试验，进行了积极的探索。其中在转较水封上采用了m g e 高分子工程塑料， 取得了非常好的效果，可克服目前橡胶转较水封和铜转较水封的缺点，完全可以 成为转铰铜水封和转较橡胶水封的替代品。在常规水封上也偿试研究了w z 高分 子材料，虽没能取得较好效果，但也进行了有益的尝试。 目前橡胶水封在高水头闸门运用上，普遍采用高硬度、高强性模量的材质； 为达到较好的止水效果，甚至还在水封不同部位使用不同材质，成为复合材质的 水封，国家电力公司昆明勘测设计研究院科学研究分院阎和河海大学f 3 3 1 在这方 6 第一章绪论 面都进行过试验研究。 目前国内南京橡胶厂和成都市蜀都水利水电工程配件总厂都有各型水封提 供，蜀都水利水电工程配件总厂 3 4 1 对水封的粘结工艺、安装注意事项都进行了 研究。 1 2 4 伸缩式水封止水试验研究。 对伸缩式水封的止水研究，国内上世纪8 0 年代中，西北勘测设计院、南京 水利水电科学研究院、陕西机械学院等多家单位都进行过研究，受当时条件的限 制，多采用简化方法，用静态试验方式进行模拟，即先施加一定背压压紧水封， 再逐渐施加库压，直至水封产生射水，以得到不同背压情况下，水封可止水的库 压大小。 南京水利水电科学研究院王河生【3 5 1 ，采用静态试验方法，通过切片模型和 整体模型，对漫湾水电站的链轮门和底孔弧门伸缩式水封进行了研究，试验水头 、 为1 2 0 m ，试验成果为漫湾电站闸门水封的设计和运行提供了依据。 西北勘测设计院科研所王泽生对山型水封及其修改体型的水封进行了研究 【3 6 1 ，膨胀式山型水封当用于弧门，在闸门缝隙为1 5 r a m 时，最大止水水头可为 7 0 m 。 西北勘测设计院郭庆国结合宝珠寺水电站水封试验研究成果，对闸门水封的 多种型型式( 平面型、曲面型、波浪型、斜面型) 进行了探讨 3 7 1 ，从水力学条 件、闸门伸缩性和与闸门的接触等方面，分析了不同水封各自的优缺点。 西北院科研所杨鹏、郭庆国对3 种水封进行了研究【3 8 】，研究认为：在闸门 间隙为1 5 r a m 时，背压水头8 0 1 2 0 m 工况下，水封止水水头可达1 4 0 , - - - 1 8 0 m ； 该研究采用静态研究方法，存在诸多不足。 陕西机械学院章继光、贾新斌等对山型水封水密性进行了研究2 0 1 ，证明试 验所用的水封试件能满足1 2 0 m 水头止水要求。 上世纪9 0 年代，国家电力公司昆明勘测设计研究院科学研究所，结合国家 “八五”攻关的研究，花巨资建起了超高速水流试验室，试验由三台d 1 5 5 3 的多 级离心泵并联供水，最大水压可达2 0 0 m ，最大流量可达0 1 5 m 3 s ，试验室的建 立为进行动态水封试验研究打下了坚实的基础。 自1 9 9 2 年至今，此套系统共进行过天生桥【3 9 】【4 4 1 、三峡忉、紫坪铺【3 l 】以及 缅甸邦朗水电站1 4 5 的闸f - j t j 【封试验，涉及的闸门类型有弧形闸门、平板闸门， 7 第一章绪论 水封型式有常规水封、伸缩水封、链轮门水封、金属水封和转铰射水挡板，试验 水头为5 0 m - - , 1 5 0 m 。试验取得了丰富的成果，为这些电站闸门水封的设计提供 了科学依据。 其中的天生桥伸缩式水封试验采用动态仿真试验研究方法f 3 9 】 m 4 。试验最大 水头为1 2 0 m ，闸门止水缝隙为2 0 m m 。试验采用了切片模型和整体模型进行。 通过试验发现：水封体型不同，止水缝隙不同，止水背压也不同，这样的差别相 差很大，有时甚至会导致无法止水。 已建工程中，采用伸缩式水封的闸门越来越多，天生桥一级水电站承压水头 1 2 0 m ，经过试验研究后，选择了合理的水封材质和体型，水封止水效果非常成 功，创造了国内伸缩式水封止水效果达到滴水不漏的先例，得到了业内的赞许。 1 2 5 水封的计算及其它 随着计算机计算技术的发展，计算机辅助设计、辅助实验、仿真分析正逐步 用于工程实际。采用计算机进行计算分析，方便快捷，可及时更改材料、负荷、 断面形式和约束条件等有关参数，方便优化。 陕西机械学院章继光、黄松梅、孙静等，利用电算模型对水封进行了选型【4 6 】。 电算采用平面弹性力学边界元法，运用功的互等定理或加权余数法，导出边界积 分方程，在边界划分单元，对边界积分方程离散化得到边界元法的方程，边界单 元采用二次元，编制了有关程序。在计算变形性、应力状态及接触应力时均按平 面应变问题处理。计算选型包括：试验装置时水封二端头的预压缩；背压腔充压 后外伸位移的大小；模拟水密性试验时接触应力和接触宽度的计算。 西安理工大学孙静、黄松海、章继光等【4 7 】，结合拉西瓦水电站泄水道大型 弧门止水要求，采用边界元法对新型伸缩式水封元件进行了计算仿真试验分析， 选出了性能好的止水断面形式，给出了止水元件变形性能及接触应力等力学参 数。 国家电力公司贵阳院杨志伟、王先学、孟宁4 8 1 结合工程实例，利用超弹性 材料单元和接触单元对闸门伸缩式水封在充压后的变形、接触和反过程进行了计 算分析，所获初步成果与原型试验比较吻合，说明利用大型结构分析软件专门提 供的超弹性材料单元对闸门伸缩式水封结构进行有限元仿真分析具有一定的实 用价值。 8 第一章绪论 1 2 6 水力学问题的研究 高水头闸门还面临着狭缝高速水流和闸门高速水流的难题。 刘长庚、王恒峰、岳元璋等结合龙羊峡底孔弧门，对弧门顶楣处狭缝出流的 水力学问题进行了试验研究【4 9 1 。 金峰、周赤、廖仁强等【5 0 1 ，研究了突扩跌坎型门座的水力特性，尤其是空 化与掺气特性及影响因素，分析了已建工程中类似结构发生破坏的主要原因，提 出了该类工程设计优化的有效途径。 1 3 本文的工作 本文结合小湾水电站高水头闸门水封止水试验，对各种高水头伸缩式水封的 止水效果、止水特性和和止水原理进行了系统的研究。具体如下： 通过切片静态变形试验，研究了不同水封在不同背压情况下，水封的外伸 量的大小。 通过切片动态止水试验，研究了不同水封在不同闸门缝隙的情况下，水封 的止水效果；由试验结果，优选出止水效果好的水封，进行整体试验。各水封的 止水过程和止水时的变形状态，对水封的止水特性和止水原理进行了探讨和研 究。 由整体水封静态变形试验，研究了整体水封各个部位在背压作用下的变形 情况。 由整体水封动态止水试验，得出了整体水封各个部位的止水效果。 由试验结果，总结出各水封止水背压与水库库压和闸门缝隙的关系，并根 据关系曲线，推断出优选水封在不同库压、不同闸门缝隙下，止水所需背压。 结合研究成果，对水封、压板的设计、制作和运行提出建议，对存在的不 足和以后进一步的研究工作提出了意见。 9 第二章水封止水原理、试验内容及研究方法 第二章水封止水原理、试验内容及研究方法 为使试验研究取得预计成果，需对伸缩式水封的基本原理及性能有所了解， 并根据试验内容，选择正确合理的研究方法。 2 1 伸缩式水封止水的基本原理及性能 伸缩式水封是靠水封背压推动水封头部外伸而顶紧闸门门叶面板而止水，其 工作原理如下图2 1 1 所示。 图2 1 1 伸缩式水封止水原理示意图 闸门关闭前，水封处于初始收缩状态；当闸门关闭后，水库库压在闸门面板 与突扩门槽闻形成高速水流；此时，对伸缩水封施加背压，使水封外伸，直至水 封头部顶紧闸门面板而止水。当闸门要开启时，排除伸缩水封的背压，在水封回 弹力和水库库压的压力作用下，水封回缩，头部脱离闸门门叶，恢复初始状态， 方便闸门开启。 由伸缩式水封的工作原理可知：水封工作要达到理想的效果，必须使水封能 够伸缩自如；水封外伸时，水封头部能够顶紧门叶面板，头部与门叶面板的接触 应力应达到定的止水应力值，并尽量以较小的背压止水，以减轻水封背压系统 的加压和保压的困难，并减轻水封的松驰和蠕变。水封回缩时，应尽量不使水封 有残留变形，使水封头部完全缩回，以免在闸门开启和关闭时，切割或摩擦水封， 使水封头部受损。 为使水封达到收缩自如，应对水封材质、水封及压板体型、背压加压和卸压 1 0 第二章水封i f ：水原理、试验内容及研究方法 系统进行深入研究。 宜选择止水背压小的水封用于工程实际中。止水背压大，水封长期处于超高 压紧张状态，橡胶易产生蠕变、松弛和老化，影响水封使用效果，并缩短水封寿 命。止水背压小，不仅可以减轻高背压的诸多不利影响，还有利于加压和保压。 目前伸缩式水封材质仍采用橡胶，闸门水封橡胶主要应具有以下基本性能： 要有很强的机械强度，甚至抗气蚀性能。水封的机械强度应越大越好，强 度低，水封容易被扯断撕裂。目前水封强度衡量指标为扯断强度及拉伸强度，从 以往水封运行和试验分析，水封的扯断强度应达到2 8 m p a 、拉伸强度应达2 0 m p a 以上为宜；水封粘结强度不低于极限强度的5 0 。 水封及橡胶充水袋要有足够的弹性，以适应埋件制作和安装产生的偏差和 闸门的变形。衡量水封弹性指标为弹性模量和扯断伸长率，目前水封采用的弹性 模量：3 0 0 拉伸为3 5 m p a ，4 0 0 拉伸为4 1 m p a ；扯断伸长率为4 6 0 以上。 邵a 硬度。水封头部应有足够的硬度，以提高水封头部与闸门门叶面板 的接触应力，利于止水。目前水封邵a 硬度常采用6 5 - - 7 4 ，对低水头水封可采 用6 5 ，高水头水封则应采用7 4 。 水封橡胶还要耐磨、抗老化，以保证使用寿命。水封应尽量避免长期暴露 于阳光之下而加速老化；另外，水封应注重硫化质量，防止有砂眼、气孔；水封 表面要求光滑平直，以提高水封耐摩性。 水封外型尺寸要求规整，以免安装后闸门漏水；水封尺寸公差在2 以内， 接头不错位不大于0 5 i 砌；接头附近断面尺寸应满足厚度和直径公差相求。 水封松弛和蠕变。水封蠕变和松弛对水封的性能影响很大，应加以重视， 从上章有关资料来看，采用合适的橡胶材质可降低蠕变和松驰的影响。 随着技术的进步，为提高水封的性能，新发展了复合材质，如橡胶内夹帆 布、粘结铜片、粘结聚四氟乙烯、水封各部位采用不同材质的水封等。复合材质 使用时应注意粘结强度和质量。 关于水封材质的选择，往往存在矛盾的地方，如提高水封硬度，则会影响水 封弹性。应结合厂家的制造能力，采用较优水封体型，综合选择，以满足工程要 求。 第二章水封1 卜水原理、试验内容及研究方法 2 2 研究的目的、内容及基本资料 2 2 1 研究目的及内容 如上章所述，尽管进行多次和多方面的水封研究，伸缩式水封有成功者，但 也有些工程使用不能达到预期效果。主要表现为水封止水效果较差，伸缩水封头 部被切割破坏，水封撕裂损坏等。说明水封的研究还不够，实践运用还不充分， 对伸缩式水封的止水原理还有待深入了解，特别是对小湾水电站工程，要使伸缩 式水封系统能够在超高水头( 承压水头2 0 0 m ) 、较大闸门间隙( 2 0 t u r n ) 条件下 运行，还没有技术上的把握。 为结合小湾水电站工程，使伸缩式水封系统能够在高水头、大缝隙条件下运 行更为可靠，还需要对伸缩式水封系统的工作原理进行深入的探求，并对水封材 质、体型和伸缩水封系统的相关技术措施进行深一步的研究和完善。 本次研究的目的为：在承压水头为8 0 m - - 一2 0 0 m 、闸门缝隙为5 m m - - - 2 0 m m 时，验证伸缩式水封的设计是否合理，工作是否可靠；研究伸缩式水封的止水和 变形规律，选出较优的水封材质和体型，并提出合适的止水背压和闸门缝隙尺寸。 具体研究内容如下： 研究在不同背压下，不同材质及不同体型的伸缩式水封的伸缩规律。 研究在不同的背压与库压作用下，不同材质及不同体型的伸缩式水封止水 过程的运动变化规律。 研究在不同设计水头( 8 0 m - - - 2 0 0 m ) 、不同问隙( 5 m m 2 0 m m 间隙) 下， 不同材质及不同体型伸缩式水封的水密性。 通过研究，推荐伸缩式水封的最佳断面尺寸和水封压板型式，对其最佳工 作方式和可靠程度进行分析论证。 对试验过程中发现的异常情况进行分析研究。 2 2 ，2 基本资料 水封止水水头为8 0 m , - 一2 0 0 m 、闸门缝隙为5 m m - - - 2 0 m m ；试验所用水封体 型则选择常用的4 种体型( 其中型水封资料引自紫坪铺枢纽高压弧形闸门水 封试验【3 l 】) ，见图2 2 1 。 i 型水封头部较小，可提高水封头部与闸门面板间的接触应力，有利止水； 1 i 型水封可利用体型的几何变形，外伸容易；h i 型水封外伸原理与i i 型相同，其 1 2 第二章水封止水原理、试验内容及研究方法 背压腔为橡胶包裹，充水袋不易损坏；l v 型水封靠水封弹性外伸止水，水封回 缩较易。 图2 2 - 2 水封试验体型图 所选材质为2 种，即防1 0 0 抖和l d 一1 9 ，材质的物理力学性能指标见表2 2 1 ； 橡胶试件由南京橡胶厂提供。 表2 2 1 水封橡胶材质的物理力学性能 水封材拉伸强度热空气老化扯断伸长压缩永久2 0 0 定伸应邵a 硬 质( m p a ) 拉伸强度变化( )率( )变形( )力( m p a )度 防1 0 0 41 955 1 02 96 1 l d 1 92 8|4 8 0|4 57 2 充水袋 5 0|6 0 0l 注：以上参数由南京橡胶厂提供。 材质方面主要考虑软硬二种材质及拉伸强度的大小来选择。水封头部硬度 大，可提高水封头部与闸门面板间的接触应力，有利止水；水封支臂软，水封外 伸容易，有利止水；水封支臂材质弹性好，有利水封回缩：水封材质拉伸强度高， 水封不易损坏。 2 3 试验研究方法 试验水封选用4 种体型、2 种材质，试验水头8 0 m - 2 0 0 m ，闸门缝隙5 2 0 m m 。 为完成试验工作，设计和制作了采用切片模型和整体模型来进行。切片试验 第二章水封止水原理、试验内容及研究方法 成本低、可以观测水封止水时的变形过程和止水形态，有利对水封止