遇水膨脹橡膠在高水頭大波浪底軸驅動翻板閘門中的應用

余建華 周毓 汪勇 浙江江能建設有限公司

1.前言

在水利水電建設中，隨著城市用水、景觀建設及環境整治和灌溉、航運通道的需要，底軸驅動翻板閘門得到廣泛的運用。寧波北侖梅山水道抗超強臺風漁業避風錨地工程，位于寧波市北侖港區，工程按100年一遇的擋潮設計海堤兩條、500噸級海船閘兩座（南堤）以及北、南堤水閘兩座。工程位于開敞式海域，風高浪大，環境惡劣，特別是南堤閘尤甚。船閘設計滿足雙向擋水要求，運行時最大風力8級，擋水狀態最大風力10級。工程處入海口，存在較嚴重淤積，海洋風暴潮的破壞力又不可量化，同時存在工程軟土地基等多種因素的組合影響，為此，給金屬結構閘門設備設計、制作及安裝等帶來諸多挑戰，充分考慮各種不利外界因素的影響，提高設備運行安全可靠性勢在必行。

本工程設雙線船閘，其中一線船閘基本滿足避風錨地船只通行需要，另外一線船閘可以作為避風錨地應急船閘，同時有效地提高臺風期間避風漁船的通行效率和應急救助能力，特別是高潮差情況下的漁船通過能力大大增強，提高了本錨地漁業避風的應急救助能力及安全儲備，同時雙線船閘在船閘檢修時可互為備用，通航不受影響，更好的發揮本避風錨地的應急能力。

2.船閘閘門方案設計比選

船閘工作閘門常規設計采用人字閘門，人字閘門操作條件為靜水啟閉，對水流條件較好的內河航道較適應。本船閘工程由于地處入海口，水位變化較為復雜，南堤波浪性質主風向為混合浪，同時避風錨地漁船大多在臺風來臨時進港避風，人字閘門對水位的適應性較差且不能滿足雙向擋水和動水啟閉的要求。船閘工作閘門選擇平面閘門或升臥式平面閘門，為滿足通航凈空要求，則必須設計較高的啟閉機排架。梅山水道作為濱海新城的核心區，建筑物的總體布置設計必須考慮對周邊整體環境影響，船閘選用底軸驅動翻板閘門作為船閘上、下游工作閘門，閘上不設置上部建筑物，對通航凈空不存在影響。同時閘門設計可滿足雙向止水要求；閘門啟閉選用液壓啟閉機操作，設備容量可以相對較大，同時，液壓啟閉機操作更易實現自動化控制。底軸驅動翻板閘門啟閉機通過拐臂驅動翻板閘門。開啟時，門葉由底軸旋轉下臥至平躺狀，由于翻板閘門在開啟時，擋水門幾近“消失”，同時翻板閘門底軸采用多支點支承的型式，可適應不同孔口跨度，孔口跨度又可以做得相當大，而建筑物的上部結構則較常規可大為簡化，更好地滿足了城市景觀設計的需要。

底軸驅動翻板閘門啟閉機室一般布置在底軸兩側的空箱內，啟閉機室內布置著啟閉、控制及沖淤系統。啟閉機室側墻的防滲、穿墻套管的止水效果、通風、防雨等直接影響工程的運行管理，特別是穿墻套管轉軸位置的止水效果直接影響閘門的安全和檢修年限，一旦穿墻套管與軸之間的止水損壞嚴重，可能會導致啟閉機室被淹的風險或需更換檢修。此類閘門的檢修成本很高，難度很大，特別是更換穿墻套管止水橡皮更加困難，因此提高穿墻套管的止水的可靠性尤為顯得重要，為此寧波北侖北梅山水道工程四座底軸驅動翻板閘門穿墻套管止水設計首次采用了遇水膨脹橡膠。

3.穿墻套管及結構分析

梅山水道工程南堤船閘工作閘門均選用了底軸驅動翻板閘門，共4座，底軸式翻板閘門采用主縱梁式結構，底部設有啟閉驅動底軸，底軸直徑2米，孔口凈寬12米，底檻高程-4.7米，門頂高程5.6米，底軸通過穿墻套管進入兩側機室，拐臂設在底軸兩端，門葉與底軸采用螺栓連接，啟閉機通過拐臂驅動翻板閘門。

底軸段間采用過盈配合的抗剪套連接，底軸共設若干支點，用以承受徑向荷載，支承軸承采用耐磨自潤滑球面軸承。翻板閘門可以靈活運行，允許門頂溢流，閘門全關時，門葉與水平方向成75°，閘門全開時，門葉與水平方向成0°。由于該工程底軸驅動翻板閘門用于通航，開啟頻率相對較高，閘門底軸直徑大，止水檢修難度大，因此對閘門運行的可靠、穩定性設計要求高，下面介紹該穿墻止水結構案例（圖1，圖2）。

穿墻套管由支座、端蓋、壓蓋、水封、密封條、遇水膨脹橡皮、密封圈和緊固件組成。安裝時先裝序號9 密封圈為第一層密封，然后安裝序號7擋圈，再安裝序號6 和8遇水膨脹橡皮和密封條，接下來裝序號4壓蓋，通過緊固件把擋圈與壓蓋連接起來將密封條和遇水膨脹橡皮壓緊即第二層密封（主密封層），最后裝序號3和5水封和端蓋即第三層密封。該穿墻套管共設置了兩道止水，即機房（機室）側和船閘側，在運行過中大大減小穿墻止水位置的滲水的概率，其次當即使發現穿墻止水位置滲水時，也可以僅拆出機房側止水密封件進行更換，而不動船閘側的止水密封件。

圖1

4.遇水膨脹橡膠的作用

遇水膨脹止水橡膠是一種獨特的橡膠新產品，是有遇水膨脹性能的膩子型止橡膠和制品型止水橡膠的統稱。該種橡膠在遇水后產生2-3倍的膨脹變形，并充滿接縫處所有不規則表面、空穴及間隙，同時產生巨大的接觸壓力，徹底防止滲漏。當接縫發生位移，造成間隙超出材料的彈性范圍時，普通型橡膠止水材料則失去止水作用，而該材料還可以通過吸水膨脹來止水。使用遇水膨脹橡膠作為堵漏密封止水材料，不僅用量節省，而且還可以消除一般彈性材料因過大壓縮而引起彈性疲勞的特點，使防水效果更為可靠，本案例中主要應用遇水膨脹橡膠的遇水膨脹產生巨大的接觸壓力使序號8密封條擠壓變形與底軸接觸更加嚴密，達到止水效果，同時當遇水膨脹橡皮膨脹變形后也能充滿底軸與支座間的間隙也能起到止水的效果。

5.運行實踐

梅山水道底軸驅動式翻板閘門采用的新型穿墻套管式水封系統，在原理上不同于一般閘門的水封系統。設計要求底軸在靜態和動態旋轉時都要達到止水效果，因此這種水封系統從結構上要復雜的多，制作和安裝難度也要大得多。

該穿墻套管式水封系統起止水作用的是在擋圈和壓蓋內斷面直徑Φ50mm的環繞底軸的O型密封條和同O型密封條緊密貼合的遇水膨脹橡膠條。遇水膨脹橡膠條在水中膨脹，膨脹率不小于200%，膨脹后產生頂緊壓力頂緊O型密封條，兩者聯合作用達到止水效果，這是穿墻套管式水封系統能達到止水效果的關鍵。

經現場實際運行過程中多次檢查、實驗和調整，發現遇水膨脹橡膠條在使用中有以下問題，都會使O型密封條達不到規定的預定壓縮量，造成滲漏水的現象發生，特別是底軸旋轉動態情況下更容易發生。

①遇水膨脹橡膠條與穿墻套管內的擋圈之間存在10mm左右間隙，閘門在運行過程遇水膨脹橡膠條未能膨脹（膨脹率不小于200%）達到理想0—0止水效果。

②遇水膨脹橡膠條在運行過程膨脹適應性較弱，有部分遇水膨脹橡膠條膨脹后，會同底軸或擋圈表面局部發生粘連，底軸旋轉時發生局部拉斷，止水未達到要求。

③穿墻套管內支撐O型密封條的擋圈同穿墻套管的支座之間，沒有采用定位固定。為此，擋圈與壓蓋間緊密度不夠，使遇水膨脹橡膠條、O型密封條的預壓縮量達不到理想效果而漏水，并有可能通過該間隙從壓蓋上的螺栓孔漏出。

④O型密封條環在環繞底軸周長范圍內，實際存在與擋圈、底軸之間存在一定的間隙，同時O型密封條預壓縮量未達不到要求。

通過以上原因分析說明，底軸在轉動時穿墻套管水封系統易發生漏水的原因是遇水膨脹橡膠條的缺陷、O型密封條預壓不足、底軸零部件緊密度不夠等，止水效果由以上因素綜合作用下產生的。

為此在運行實踐過程中，解決的方案主要考慮如下兩種。

①在穿墻套管水封系統中，先對O型密封條擋圈定位，拆除壓蓋等零部件用焊接方法將擋圈固定到支座上，并使擋圈上平面和支座的配合的平面在壓蓋壓緊后不存在間隙，以防止該組合面滲漏水發生，

圖2

②采用石棉填料代替存在著諸多不利因素的遇水膨脹橡膠條進行試驗。

采用斷面尺寸40mm×40mm（寬×高）的石棉填料進行試驗，石棉填料材質型號為油浸石棉填料，型號YS350，適用范圍4.5Mpa。

從試驗結果看，效果比較明顯，底軸靜態狀態時，漏水已基本消除，僅有少量滲水現象發生，底軸旋轉轉動情況下，漏水雖然存在，但已明顯減少。

在后續實驗中，采用較大斷面尺寸的石棉填料，按動密封考慮斷面尺寸加大至40mm×55mm（寬×高），進一步增大高度方向尺寸。主要是針對底軸旋轉過程中，同穿墻套管上擋圈中心之間偏心距變化時，能保持對O型密封的頂緊力，維持對O型密封條的預壓縮量不變，并使石棉填料也起到止水作用以減少漏水量。

6.結束語

通過該工程中遇水膨脹橡皮的使用為以后同類底軸翻板閘門穿墻止水制造積累了寶貴的經驗。在使用選型安裝要注意以下事項：

①在閘門穿墻止水選用遇水膨脹橡膠時宜選用制品型橡膠，需對制品的拉伸強度、扯斷伸長率、硬度、靜水膨脹率物理參數重點把關。

②遇水膨脹橡膠宜在現場底軸安裝時打開安裝，不宜在廠內參與預裝或在廠內組裝好后發至工地，因在廠內組裝好后，底軸放在戶外暴曬容易造成高溫使遇水膨脹橡皮與底軸出現粘粘的情況，正式運行時容易造成遇水膨脹橡皮撕裂，且易造成橡皮老化。

③安裝前要求先進行試驗驗證其膨脹量是否滿足要求。

④設計時壓蓋與底軸的間隙不宜過大，過大時當遇水膨脹橡膠遇水膨脹后其膨脹料容易從從該間隙擠出，在底軸轉動時造成遇水膨脹橡膠逐漸向外擠壓損壞。