淺談極端情況下對P形水封反向止水性能的應用

摘要：通過對P45水封反向止水過程進行仿真計算，闡述在極端情況下對P形水封反方向止水性能的應用可行性，為解決相關問題提供了一個簡單易行的方法。

1 工程概況

某泵站進水口檢修閘門初期相關資料如下：孔口尺寸3.5m×3.5m（寬×高，下同），設計水頭9.42m，單向止水，動水啟閉。設計采用潛孔式平面滾動閘門，裝配4個?600懸臂輪，采用P45水封下游止水，如圖1所示。

1.門葉結構 2.水封 3.懸臂輪 4.配重塊 5.側輪

圖1 閘門總圖

在該閘門制造完畢且相應門槽澆筑完成的情況下，工程設計工況發生變動，要求其具有雙向止水功能（原設計方向定義為主方向，新增方向定義為反方向），因此需對其進行設計修改。

2 解決方案

因該檢修閘門和相應門槽已完工，受空間和結構的制約，已無法將P45水封更改為雙P形水封或者在閘門無水封一側增加一道水封進行止水。

考慮到以下因素：

（1）對閘門進行重新設計、制造會浪費大量的人力、物力和財力；

（2）閘門使用頻率較低；

（3）新增工況中反向設計水頭較低，小于2m水頭。

故選擇利用P形水封的反向止水性能，具體措施如下：

（1）將門槽主軌、門楣上的止水座板由4mm厚度更換為6mm，令閘門在承受主方向水頭時水封預壓縮量由4mm增加到6mm；

（2）在門槽反軌上加焊4塊8×120×200 的不銹鋼鋼板，鋼板中心與閘門懸臂輪的中心一一對應，此時閘門與反軌的間隙在接觸部位由10mm減為2mm。在保證安全閉門的前提下，令閘門在承受反方向水頭時水封預壓縮量為4mm，利用P形水封的反向止水性能止水。

3 P形水封仿真計算

3.1 仿真計算的基本理論

水封類橡膠類材料有其獨特的力學性能：超彈性，體積不可壓縮性、大變形等。在受到水壓力作用下，橡皮止水元件會產生大變形，使得用傳統實驗方法難以定量地分析出橡皮止水元件的應力應變關系值；運用非線性有限元分析方法對止水橡皮封水全過程進行仿真計算能夠得到比較滿意的結果。

3.2 影響水封水密性的三要素：

（1）止水元件封頭與止水面板的接觸寬度；

（2）封頭對止水面板的壓縮量；

（3）封頭對止水面板的接觸應力。

在已知庫水壓力、止水元件材料的反彈應力等共同作用下，上述三要素可以作為判別水封水密性好壞的判據。

3.3 仿真計算的有限元力學模型建立

橡皮止水元件設置在閘門面板上，剛性壓板固定橡皮止水元件。當閘門承受反方向水頭時，預壓4mm的水封封頭與止水座板相擠、摩擦達到治水的目的。

橡皮止水元件采用超彈性單元HYPER74號單元，該類單元采用混合位移——應力表示形式，適用于大變形、接近體積不可壓縮的橡膠類材料。

面板、剛性壓板、止水座板采用彈性單元PLANE183。在橡皮止水元件與止水座板接觸的部位設置接觸対單元TARGE169和CONTA172。

仿真計算過程分三個荷載步。第一步，橡皮止水元件安裝和預壓過程，荷載采用位移荷載，即止水座板向止水封頭移動對橡皮止水元件進行預壓；第二步，施加零水荷載；第三步，按水頭計算，施加反方向設計水頭荷載，模擬P45水封的反向止水過程，有限元模型如圖2所示。

圖2 P形水封有限元模型

3.4 計算結果

考慮面板和止水座板零位移約束，摩擦系數取0.5，反方向作用水頭，結果如表1所示。

作用水頭（m）接觸寬度（mm）接觸應力（Mpa）

14.81.05

23.81.02

33.60.93

42.60.64

5<1`0

6脫開脫開

表1 反向水頭作用結果

2m水頭作用下，水封的接觸應力云圖如圖3所示。

圖3 2m反向水頭作用下水封接觸應力計算結果

由仿真計算結果可知，在2m的反向水頭作用下，P45水封的封頭與止水面板之間滿足水封水密性的要求，能夠應用于工程實踐當中。

4 結語

1.仿真計算結果表明，在2m的反方向設計水頭作用下，預壓4mm的P45水封滿足水封水密性要求，在極端情況下對P形水封反向止水性能的應用是可行的。

2.在不同方向的水壓變換作用下，P形水封會產生極為復雜的變形，磨損與老化加劇，耐久性與安全性能降低，正常情況下不宜采用。

參考文獻

[1] 劉禮華，歐珠光，陳五一，方寒梅.高壓閘門水封的非線性計算理論與應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[2] 劉細龍，陳福榮.閘門與啟閉設備[M].北京：中國水利水電出版社，2003.