大型船閘移動工作門伸縮式止水水密性驗證方法

楊斌劉宏敏劉禮華

摘要：伸縮式止水是大型船閘移動工作門的新型止水方法，它一改以往預壓式止水間隙適應性差、局部容易漏水、材料磨損快等缺點，有著良好的封水性能和耐久性能。本文首次結合三個止水面的“U”型止水裝置，通過仿真計算和模型試驗，給出了止水的關鍵特性-靜水水密性規律的獲取方法。該研究方法簡便、科學，對伸縮式止水設計階段的斷面選取具有重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞：伸縮式止水；有限元；MooneyRivlin公式；模型試驗；靜水水密性

中圖分類號：TV131.6 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2016）05016304

Research on water tightness test method of telescopic water seal in large ship lock mobile working gate

YANG Bin1，LIU Hongmin1，LIU Lihua2

（1.Hubei Water Resources Technical College，Wuhan 430070，China； 2.School of Civil & Architectural Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract：Telescopic water seal is a new sealing method of large ship gate，it overcomes the shortcomings of traditional prepressure seal such as poor gap adaptability，local leakage，and quick material wear，with good sealing performance and durability.In this paper，combined with the "U" type sealing device which has three checks，through simulation calculations and model experiments，we studied the obtaining method of static water tightness which is the key characteristic of water seal.In this study，the method is simple，scientific，and has important reference value and reference meaning to the section selection in the design stage of telescopic water seal.

Key words：telescopic water seal； finite element； MooneyRivlin formula； model experiment； static water tightness

在水利水電工程中，閘門發生漏水不僅引起水資源損失，而且影響閘門的工作環境，導致建筑物空蝕和閘門振動，威脅工程安全，因此止水裝置是閘門的重要元件。目前，大型船閘移動工作門通常采用預壓式橡膠止水裝置，其存在閘門間隙適應性差、局部容易漏水、移門時封水橡膠磨損快、閘門啟閉力大等缺點。

目前有一種在潛孔閘門上使用的充壓式水封[36]，其主要優點是對閘門間隙的適應性好，當閘門一邊間隙不均勻時也能夠適應封水。由于移動工作門只能有三個止水對偶面，工程中采用“U”型止水裝置，見圖1，為了防止兩邊水封頂端無約束外伸破壞，在此處安裝空腔堵頭，這樣水封變形仍然是平面應變問題。

1 伸縮式止水結構設計

在“U”形止水裝置下部的充壓腔設有進氣孔和出氣孔，進氣孔通過閥門與放置在閘門板格內部的空壓機輸出端連通；出氣孔通過閥門與大氣連通。當進氣孔向止水裝置的充壓腔充氣增壓，閘門就進入止水堵漏的工作狀態；當出氣孔通過閥門向外排氣減壓時閘門即可開啟。止水裝置由橡膠水封、壓板和座板組成，見圖2。水封包括硬橡膠封頭和軟橡膠肢臂、翼頭與肢體；壓板分內壓板和外壓板。水封硬橡膠（封頭）部分能承受較大的間隙水壓力，水封軟橡膠（肢臂、翼頭與肢體）部分能夠產生較大變形，便于閘門止水裝置的伸縮操作，同時也可以提高止水元件對閘門間隙的適應性。

2 封水試驗

止水裝置的封水效果是閘門設計的關鍵技術之一。靜水水密性驗證在自行設計的專用大型實驗臺上進行，見圖3。實驗臺主要由承壓面板、活動臺板、基座、測量儀器儀表組成，并與高壓水箱、加壓機、穩壓器和各種控制閥相連。驗證選用框形止水試件，設置止水前端與鋼板的預留間隙分別為5、10、15、20、25、30 mm，由水穩壓器向止水背腔充壓（模擬工程中采用的氣壓），壓力分別為5、6、7、8、9、……、29、30 m水頭，壓力穩定后向模擬庫水壓力的高壓水箱充壓，觀察止水漏水或射水發生情況。

3 仿真計算驗證方法

3.1 材料參數測定

進行仿真計算首先要測定材料的力學參數。橡膠是各向同性材料，應變能函數We通常寫成左CauchyGreen變形張量B的函數表達式，應變張量不變量分別用I1，I2，I3表示，即We可寫成：

對水封封頭硬橡膠和肢臂、翼頭與肢體軟橡膠進行材料參數的測定。測定中采取單軸拉伸、單軸壓縮和純剪切實驗（由于實驗室無法完成真正意義上的純剪切實驗，故用受限拉伸實驗代替）：

單軸拉伸實驗采用啞鈴型標準試件，每種材料采用三個試件，每個試件進行三組實驗。實驗方法為以砝碼重量為拉伸負荷，直接加載量測各止水材料相應的拉伸比，同步計算拉伸應力，扯斷時停止實驗；單軸壓縮實驗采用標準壓縮試件，在壓力實驗機WE60上加載量測變形得到各止水材料的單向壓縮特征；受限拉伸實驗采用寬度比其長度大很多的橡膠薄片，將其長度方向（縱向）兩端用夾具夾住，然后再橫向拉伸，采用和單軸拉伸實驗同樣的試件分組和拉伸方法[6]。

由各實驗測得的應力伸長比值，采用最小二乘法，擬合出材料MooneyRivlin力學模型的材料參數，見表1。

3.2 仿真計算

運用有限元方法對止水全過程進行仿真計算以驗證水密性，分析安裝和止水過程水封應力變化及分布情況、水封與鋼夾及面板之間的接觸應力，繪制關鍵部位的應力應變時程曲線，從而定性地研究水封的止水性能[6，9]。有限元分析采用大型有限元分析軟件ABAQUS進行。在單元選擇方面，考慮到橡膠為近不可壓縮材料，采用雜交單元，因其為大應變分析，涉及到非常大的網格扭曲，特采用四結點雙線性平面應變四變形單元CPE4RH，單元控制屬性為減縮積分和沙漏控制。水封座板、壓板采用四結點雙線性平面應變單元CPE4I，單元控制屬性為非協調膜式[1014]。考慮到水封受荷過程中止水面板與橡膠的接觸問題，將可能成為接觸面的水封座板、水封壓板創建為主面，對應的橡膠面創建為從面，并成對地創建接觸相互作用，調用接觸屬性。根據實際情況約束水封座板x和y方向、壓板x方向位移，并在壓板上施加y負向位移以模擬安裝過程。安裝完成后，完全約束[HJ2.25mm]水封壓板與水封座板x和y方向的位移，并在水封背腔施加壓力模擬水封自由外伸過程。自由外伸模擬完成后，在壓板和止水面板之間施加水平方向水流，模擬伸縮式止水封水過程。計算模型見圖4。

4 工程應用

4.1 工程背景

亭子口水利樞紐工程位于四川省廣元市蒼溪縣境內，亭子口升船機下閘首工作門門槽底高程3595 m，閘墻頂面高程3870 m，門槽順水流向寬35 m，垂直水流向長210 m，閘門上游面板距船廂端面200 mm，支承跨度達到196 m，由于閘門水平向的剛度低、變形大，其止水裝置設計加工是整個升船機建設的關鍵性技術問題之一。

4.2 靜水水密性的仿真計算和模型試驗

下閘首工作門采用的充壓伸縮式水封斷面見圖5。在仿真計算中，將封頭與止水面板間的接觸應力不小于相應的庫壓作為封水的經驗判據，整理出一定的庫壓作用下所需要的封水背壓，繪制封水曲線見圖6。在靜水水密性試驗中，觀察水封漏水射水發生情況，臨界封水庫壓記錄于表2，根據記錄表繪制出的封水曲線見圖7。比較圖6和圖7發現仿真計算與模型試驗的封水規律基本吻合（注意坐標軸對應）。

5 結語

大型船閘移動工作門伸縮式止水的工作特征可

通過模型試驗和仿真計算得到。研制了伸縮式

止水的專用試驗裝置，也形成了精度較高的伸縮式止水的仿真計算方法。本文是對研究成果的一次總結。該套試驗裝置和仿真計算方法可以用來較好的模擬實際工程中大型船閘移動門伸縮式止水的變形和封水過程。研究結果，尤其是不同庫壓下的臨界封水背壓的規律對伸縮式止水設計具有重要的參考價值。

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