遇水膨胀橡胶在高水头大波浪底轴驱动翻板闸门中的应用

1.前言

在水利水电建设中，随着城市用水、景观建设及环境整治和灌溉、航运通道的需要，底轴驱动翻板闸门得到广泛的运用。宁波北仑梅山水道抗超强台风渔业避风锚地工程，位于宁波市北仑港区，工程按100年一遇的挡潮设计海堤两条、500吨级海船闸两座（南堤）以及北、南堤水闸两座。工程位于开敞式海域，风高浪大，环境恶劣，特别是南堤闸尤甚。船闸设计满足双向挡水要求，运行时最大风力8级，挡水状态最大风力10级。工程处入海口，存在较严重淤积，海洋风暴潮的破坏力又不可量化，同时存在工程软土地基等多种因素的组合影响，为此，给金属结构闸门设备设计、制作及安装等带来诸多挑战，充分考虑各种不利外界因素的影响，提高设备运行安全可靠性势在必行。

本工程设双线船闸，其中一线船闸基本满足避风锚地船只通行需要，另外一线船闸可以作为避风锚地应急船闸，同时有效地提高台风期间避风渔船的通行效率和应急救助能力，特别是高潮差情况下的渔船通过能力大大增强，提高了本锚地渔业避风的应急救助能力及安全储备，同时双线船闸在船闸检修时可互为备用，通航不受影响，更好的发挥本避风锚地的应急能力。

2.船闸闸门方案设计比选

船闸工作闸门常规设计采用人字闸门，人字闸门操作条件为静水启闭，对水流条件较好的内河航道较适应。本船闸工程由于地处入海口，水位变化较为复杂，南堤波浪性质主风向为混合浪，同时避风锚地渔船大多在台风来临时进港避风，人字闸门对水位的适应性较差且不能满足双向挡水和动水启闭的要求。船闸工作闸门选择平面闸门或升卧式平面闸门，为满足通航净空要求，则必须设计较高的启闭机排架。梅山水道作为滨海新城的核心区，建筑物的总体布置设计必须考虑对周边整体环境影响，船闸选用底轴驱动翻板闸门作为船闸上、下游工作闸门，闸上不设置上部建筑物，对通航净空不存在影响。同时闸门设计可满足双向止水要求；闸门启闭选用液压启闭机操作，设备容量可以相对较大，同时，液压启闭机操作更易实现自动化控制。底轴驱动翻板闸门启闭机通过拐臂驱动翻板闸门。开启时，门叶由底轴旋转下卧至平躺状，由于翻板闸门在开启时，挡水门几近“消失”，同时翻板闸门底轴采用多支点支承的型式，可适应不同孔口跨度，孔口跨度又可以做得相当大，而建筑物的上部结构则较常规可大为简化，更好地满足了城市景观设计的需要。

底轴驱动翻板闸门启闭机室一般布置在底轴两侧的空箱内，启闭机室内布置着启闭、控制及冲淤系统。启闭机室侧墙的防渗、穿墙套管的止水效果、通风、防雨等直接影响工程的运行管理，特别是穿墙套管转轴位置的止水效果直接影响闸门的安全和检修年限，一旦穿墙套管与轴之间的止水损坏严重，可能会导致启闭机室被淹的风险或需更换检修。此类闸门的检修成本很高，难度很大，特别是更换穿墙套管止水橡皮更加困难，因此提高穿墙套管的止水的可靠性尤为显得重要，为此宁波北仑北梅山水道工程四座底轴驱动翻板闸门穿墙套管止水设计首次采用了遇水膨胀橡胶。

3.穿墙套管及结构分析

梅山水道工程南堤船闸工作闸门均选用了底轴驱动翻板闸门，共4座，底轴式翻板闸门采用主纵梁式结构，底部设有启闭驱动底轴，底轴直径2米，孔口净宽12米，底槛高程-4.7米，门顶高程5.6米，底轴通过穿墙套管进入两侧机室，拐臂设在底轴两端，门叶与底轴采用螺栓连接，启闭机通过拐臂驱动翻板闸门。

底轴段间采用过盈配合的抗剪套连接，底轴共设若干支点，用以承受径向荷载，支承轴承采用耐磨自润滑球面轴承。翻板闸门可以灵活运行，允许门顶溢流，闸门全关时，门叶与水平方向成75°，闸门全开时，门叶与水平方向成0°。由于该工程底轴驱动翻板闸门用于通航，开启频率相对较高，闸门底轴直径大，止水检修难度大，因此对闸门运行的可靠、稳定性设计要求高，下面介绍该穿墙止水结构案例（图1，图2）。

穿墙套管由支座、端盖、压盖、水封、密封条、遇水膨胀橡皮、密封圈和紧固件组成。安装时先装序号9 密封圈为第一层密封，然后安装序号7挡圈，再安装序号6 和8遇水膨胀橡皮和密封条，接下来装序号4压盖，通过紧固件把挡圈与压盖连接起来将密封条和遇水膨胀橡皮压紧即第二层密封（主密封层），最后装序号3和5水封和端盖即第三层密封。该穿墙套管共设置了两道止水，即机房（机室）侧和船闸侧，在运行过中大大减小穿墙止水位置的渗水的概率，其次当即使发现穿墙止水位置渗水时，也可以仅拆出机房侧止水密封件进行更换，而不动船闸侧的止水密封件。

图1

1.螺栓 2.螺栓 3.端盖 4.压盖 5.水封 6.遇水膨胀橡皮 7.挡圈 8.密封条 9.密封圈 10.支座

4.遇水膨胀橡胶的作用

遇水膨胀止水橡胶是一种独特的橡胶新产品，是有遇水膨胀性能的腻子型止橡胶和制品型止水橡胶的统称。该种橡胶在遇水后产生2-3倍的膨胀变形，并充满接缝处所有不规则表面、空穴及间隙，同时产生巨大的接触压力，彻底防止渗漏。当接缝发生位移，造成间隙超出材料的弹性范围时，普通型橡胶止水材料则失去止水作用，而该材料还可以通过吸水膨胀来止水。使用遇水膨胀橡胶作为堵漏密封止水材料，不仅用量节省，而且还可以消除一般弹性材料因过大压缩而引起弹性疲劳的特点，使防水效果更为可靠，本案例中主要应用遇水膨胀橡胶的遇水膨胀产生巨大的接触压力使序号8密封条挤压变形与底轴接触更加严密，达到止水效果，同时当遇水膨胀橡皮膨胀变形后也能充满底轴与支座间的间隙也能起到止水的效果。

5.运行实践

梅山水道底轴驱动式翻板闸门采用的新型穿墙套管式水封系统，在原理上不同于一般闸门的水封系统。设计要求底轴在静态和动态旋转时都要达到止水效果，因此这种水封系统从结构上要复杂的多，制作和安装难度也要大得多。

该穿墙套管式水封系统起止水作用的是在挡圈和压盖内断面直径Φ50mm的环绕底轴的O型密封条和同O型密封条紧密贴合的遇水膨胀橡胶条。遇水膨胀橡胶条在水中膨胀，膨胀率不小于200%，膨胀后产生顶紧压力顶紧O型密封条，两者联合作用达到止水效果，这是穿墙套管式水封系统能达到止水效果的关键。

经现场实际运行过程中多次检查、实验和调整，发现遇水膨胀橡胶条在使用中有以下问题，都会使O型密封条达不到规定的预定压缩量，造成渗漏水的现象发生，特别是底轴旋转动态情况下更容易发生。

①遇水膨胀橡胶条与穿墙套管内的挡圈之间存在10mm左右间隙，闸门在运行过程遇水膨胀橡胶条未能膨胀（膨胀率不小于200%）达到理想0—0止水效果。

②遇水膨胀橡胶条在运行过程膨胀适应性较弱，有部分遇水膨胀橡胶条膨胀后，会同底轴或挡圈表面局部发生粘连，底轴旋转时发生局部拉断，止水未达到要求。

③穿墙套管内支撑O型密封条的挡圈同穿墙套管的支座之间，没有采用定位固定。为此，挡圈与压盖间紧密度不够，使遇水膨胀橡胶条、O型密封条的预压缩量达不到理想效果而漏水，并有可能通过该间隙从压盖上的螺栓孔漏出。

④O型密封条环在环绕底轴周长范围内，实际存在与挡圈、底轴之间存在一定的间隙，同时O型密封条预压缩量未达不到要求。

通过以上原因分析说明，底轴在转动时穿墙套管水封系统易发生漏水的原因是遇水膨胀橡胶条的缺陷、O型密封条预压不足、底轴零部件紧密度不够等，止水效果由以上因素综合作用下产生的。

为此在运行实践过程中，解决的方案主要考虑如下两种。

①在穿墙套管水封系统中，先对O型密封条挡圈定位，拆除压盖等零部件用焊接方法将挡圈固定到支座上，并使挡圈上平面和支座的配合的平面在压盖压紧后不存在间隙，以防止该组合面渗漏水发生，

图2

②采用石棉填料代替存在着诸多不利因素的遇水膨胀橡胶条进行试验。

采用断面尺寸40mm×40mm（宽×高）的石棉填料进行试验，石棉填料材质型号为油浸石棉填料，型号YS350，适用范围4.5Mpa。

从试验结果看，效果比较明显，底轴静态状态时，漏水已基本消除，仅有少量渗水现象发生，底轴旋转转动情况下，漏水虽然存在，但已明显减少。

在后续实验中，采用较大断面尺寸的石棉填料，按动密封考虑断面尺寸加大至40mm×55mm（宽×高），进一步增大高度方向尺寸。主要是针对底轴旋转过程中，同穿墙套管上挡圈中心之间偏心距变化时，能保持对O型密封的顶紧力，维持对O型密封条的预压缩量不变，并使石棉填料也起到止水作用以减少漏水量。

6.结束语

通过该工程中遇水膨胀橡皮的使用为以后同类底轴翻板闸门穿墙止水制造积累了宝贵的经验。在使用选型安装要注意以下事项：

①在闸门穿墙止水选用遇水膨胀橡胶时宜选用制品型橡胶，需对制品的拉伸强度、扯断伸长率、硬度、静水膨胀率物理参数重点把关。

②遇水膨胀橡胶宜在现场底轴安装时打开安装，不宜在厂内参与预装或在厂内组装好后发至工地，因在厂内组装好后，底轴放在户外暴晒容易造成高温使遇水膨胀橡皮与底轴出现粘粘的情况，正式运行时容易造成遇水膨胀橡皮撕裂，且易造成橡皮老化。

③安装前要求先进行试验验证其膨胀量是否满足要求。

④设计时压盖与底轴的间隙不宜过大，过大时当遇水膨胀橡胶遇水膨胀后其膨胀料容易从从该间隙挤出，在底轴转动时造成遇水膨胀橡胶逐渐向外挤压损坏。