江偉安

(寧波市河道管理中心，浙江？寧波？315000)

0 引 言

閘門水封是閘門重要的部件之一，其作用是在閘門關(guān)閉后，實(shí)現(xiàn)閘門的水密封，以阻止上下游之間的漏水；但水封不嚴(yán)會(huì)使水閘有滲漏損失，不僅造成水資源的浪費(fèi)，還會(huì)引起縫隙氣穴，導(dǎo)致埋設(shè)件的氣蝕破壞。

姚江大閘處于姚江干流上，擔(dān)負(fù)著阻咸蓄淡功能，多年運(yùn)行后，閘門兩側(cè)止水出現(xiàn)漏水現(xiàn)象；隨著運(yùn)行時(shí)間越長，側(cè)止水效果逐漸變差，無法滿足規(guī)范要求，無法滿足感潮水閘雙向止水的要求。因此，本文以姚江大閘為例，對(duì)止水結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)雙向止水作用，保證其止水嚴(yán)密性。

1 現(xiàn)狀止水結(jié)構(gòu)及漏水原因分析

1.1 現(xiàn)狀止水結(jié)構(gòu)

姚江大閘位于浙江省寧波市江北區(qū)、甬江支流姚江的下游，距寧波市三江口3.5 km，是姚江流域最主要的阻咸蓄淡、抗旱排澇大型骨干水利工程。水閘共36孔，單孔凈寬3.3 m，凈高4.4 m，總凈寬118.8 m；工作閘門為3.3 m×4.5 m平面鋼閘門，采用36臺(tái)200 kN螺桿式啟閉機(jī)啟閉。

現(xiàn)狀姚江大閘的止水裝置分側(cè)止水、底止水、頂止水，其結(jié)構(gòu)主要由不銹鋼材質(zhì)的底坎、門槽、門楣和P型止水橡皮組成。其中，底止水由底檻外包1.6 cm厚不銹鋼板和平板橡皮水封組成，頂止水由楔形門楣和P型橡皮水封組成，側(cè)止水由不銹鋼門槽和上游P型橡皮水封組成，形成連續(xù)的封閉止水裝置[1]。為能實(shí)現(xiàn)雙向擋水效果，原設(shè)計(jì)將水封布置在上游面，并按前向、側(cè)向兩面預(yù)壓4 mm設(shè)計(jì)?？⒐ね度脒\(yùn)行前期中，止水效果基本能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，止水橡皮圓頭磨損和老化變形，水封壓縮量變小；再加上滑塊磨損，側(cè)止水效果逐漸變差，無法滿足規(guī)范要求，詳見圖1。

圖1 姚江大閘現(xiàn)狀止水結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 漏水成因分析

現(xiàn)狀平板鋼閘門底部和頂部止水嚴(yán)密，主要表現(xiàn)為兩側(cè)漏水，當(dāng)上游側(cè)(內(nèi)江)水位高于下游側(cè)(外江)水位狀況下，即下游側(cè)咸水退潮時(shí)，漏水尤為嚴(yán)重。造成漏水的主要原因分析如下：

(1)姚江大閘2011年投入運(yùn)行至今已近12 a，P型止水橡皮圓頭已經(jīng)磨損和變形，水封壓縮量變小，止水效果變差。

(2)在上游側(cè)(內(nèi)江)水位高于下游側(cè)(外江)水位狀況下，作用在閘門上游側(cè)水壓明顯大于下游側(cè)水壓。因原設(shè)計(jì)的閘門支撐滑塊同門槽主、反軌之間間隙的存在，會(huì)使閘門向下游側(cè)移動(dòng)；移動(dòng)量超過設(shè)計(jì)的間隙要求，安裝在上游面止水系統(tǒng)內(nèi)的P型水封壓縮量消失，并脫離主軌上的止水面板而出現(xiàn)空隙；上游側(cè)的水就通過P型止水橡皮圓頭和主軌止水面之間的空隙，再通過閘門兩側(cè)和門槽之間的間隙流向下游，造成閘門漏水，詳見圖2。

圖2 姚江大閘現(xiàn)狀閘門漏水情況示意圖

以上兩種因素疊加導(dǎo)致當(dāng)上游側(cè)(內(nèi)江)水位高于下游側(cè)(外江)水位時(shí)，閘門漏水量明顯增加。

2 閘門止水改造的目的和改進(jìn)方案

2.1 改造目的

在胸墻頂高程1.63 m(國家85高程)以下的工況下，利用閘門下游支撐滑塊同反軌之間3 cm間隙增設(shè)反軌側(cè)的止水裝置，以阻止上下游之間的漏水，減少水資源的浪費(fèi)，起到阻咸蓄淡的作用。

2.2 改進(jìn)方案

2.2.1 常規(guī)改造方案

工作閘門實(shí)現(xiàn)雙向止水作用，設(shè)計(jì)上一般可以考慮以下3種方案：

(1)在閘門下游側(cè)同上游側(cè)對(duì)稱處設(shè)置1套P型止水封形式的止水系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)同上游側(cè)，可滿足雙向止水的要求。

(2)在閘門上游側(cè)設(shè)置1套雙P頭型橡皮水封系統(tǒng)，可同時(shí)滿足上下游側(cè)雙向止水的要求。

(3)采用有外力支持的特殊止水系統(tǒng)取代現(xiàn)有的僅靠水位壓力密封的P型頭橡膠止水系統(tǒng)。

上述3種方案均為常規(guī)方案，但存在以下弊端：一是門槽焊接改造會(huì)使門槽變形，同時(shí)可能導(dǎo)致與門槽接觸的混凝土開裂。二是需要抽干閘室的水，施工難度大，抽水費(fèi)用較高。三是閘門防腐時(shí)需要返廠維修，拆除難度大。

綜上所述，上述3種方案較難實(shí)施。

2.2.2 綜合改進(jìn)措施

(1)增設(shè)下游面止水系統(tǒng)

在工作閘門的下游面兩側(cè)邊梁上的面板上新設(shè)置P型橡膠止水組件，止水橡皮采用適用于耐酸、堿、鹽等無機(jī)溶劑環(huán)境的SF6574(氯丁)[2]，使之同預(yù)埋門槽反軌內(nèi)側(cè)面構(gòu)成下游側(cè)的止水系統(tǒng)。當(dāng)上游側(cè)水位高于下游側(cè)水位，閘門在壓差的作用下向下游移動(dòng)后，其上新設(shè)置的止水橡膠會(huì)壓緊在反軌內(nèi)表面上，并可達(dá)到設(shè)定的壓縮量實(shí)現(xiàn)下游側(cè)止水。新增的止水橡皮的壓縮量控制在2 mm左右，由同一平面布置的支撐滑塊控制，支撐滑塊位置調(diào)整到止水橡皮的外側(cè)，需在其位置的面板下方增設(shè)加強(qiáng)筋板。

(2)增大上游側(cè)P型水封橡膠座板尺寸

由于姚江大閘工作閘門和螺桿啟閉機(jī)之間是剛性連接，當(dāng)螺桿啟閉機(jī)螺桿利用下壓力關(guān)閉閘門時(shí)，水壓力對(duì)正常移動(dòng)閘門有約束作用，對(duì)止水效果會(huì)有影響。為降低這一不利因素的影響，在原上游面P型頭橡膠下方增加1塊寬度為20～30 mm的墊板，高度同原水封座板并焊牢刨平；以減少原P型頭在操作水位時(shí)的變形量，起到減少上游側(cè)淡水漏水量的作用。

(3)門槽位置增設(shè)潤滑水系統(tǒng)

考慮到改造成雙向橡膠止水后將增加啟閉機(jī)在正常啟閉時(shí)的啟閉力，并影響橡膠止水使用壽命；嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致止水橡皮反轉(zhuǎn)、撕裂等現(xiàn)象，造成閘門止水失效。為此，在新增下游側(cè)止水后，在每孔閘門的兩側(cè)門槽位置增設(shè)潤滑水系統(tǒng)，以降低閘門啟閉過程中的荷載及減少止水橡皮磨損；并以每孔閘門為單位設(shè)置1套電磁閥，以實(shí)現(xiàn)閘門啟閉的遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)操作，詳見圖3。

圖3 閘門改進(jìn)雙側(cè)止水結(jié)構(gòu)示意圖

3 改造后閘門啟閉力的復(fù)核

3.1 計(jì)算選擇的工況

工作閘門啟閉機(jī)采用單吊點(diǎn)螺桿啟閉機(jī)，型號(hào)為QPL—20，螺桿直徑為95 mm，設(shè)計(jì)啟門力200 kN，閉門力100 kN，配套電機(jī)功率為7.5 kW。平板鋼閘門重為3.255 t，在水閘上下游水頭差超30 cm情況下無法利用自重關(guān)閉，因此姚江大閘的啟閉方式采用螺桿啟閉機(jī)。

閉門的不利水位組合為預(yù)泄排水時(shí)上游水位為正常低水位0.73 m，下游側(cè)為歷史最低潮位-1.72 m，上下游水位差為2.45 m。

閘門開啟不利水位組合為預(yù)泄排水時(shí)上游水位為正常高水位1.33 m，下游側(cè)為歷史最低潮位-1.72 m，上下游水位差為3.05 m。

3.2 計(jì)算公式

閉門力計(jì)算：

FW=nT(Tzd+Tzs)-nGG+Pt

啟門力計(jì)算：

3.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

表1 改造前后的水閘啟門力計(jì)算成果表

表2 改造前后的水閘閉門力計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算，在最不利水位組合下，雙側(cè)止水的閘門所需最大啟門力為198.56 kN，閉門力為82.69 kN，限于原啟閉設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。但考慮滿足所需啟門力的富裕度偏小，在改造過程中同時(shí)增設(shè)潤滑水系統(tǒng)，減少了閘門升降的阻力，提升了富余系數(shù)。

4 改造中注意的環(huán)節(jié)

(1)螺桿啟閉機(jī)與閘門是剛性連接，其對(duì)閘門移動(dòng)的約束會(huì)影響止水效果；同時(shí)約束量無法直接量化，需要入水觀察測量后確定。

(2)工作閘門門槽在制造及與閘門配合的安裝過程中誤差無法精確測量，需要觀察改造后的閘門漏水狀態(tài)，再進(jìn)行調(diào)整；調(diào)整時(shí)需把閘門再次吊出門槽，移動(dòng)到檢修平臺(tái)進(jìn)行調(diào)整。

5 止水系統(tǒng)改進(jìn)成效和優(yōu)點(diǎn)

5.1 改造的成效

(1)原工作閘門上游側(cè)止水橡皮型號(hào)為SF6674—P45，側(cè)止水中心距為3 205±2 mm；改造后上游側(cè)止水橡皮選型SF6574—P45，側(cè)止水中心距調(diào)整為3 200±2 mm。止水橡皮安裝時(shí)保證上游側(cè)支撐滑塊低于止水橡皮2～4 mm，增設(shè)工作閘門下游側(cè)反向水橡皮，型號(hào)為SF6574—P30，橡皮兩側(cè)中心距為3 330±2 mm；止水橡皮安裝時(shí)保證下游側(cè)支撐滑塊低于止水橡皮1～3 mm。改造后上下游無論產(chǎn)生任意方向水頭差，止水裝置上下側(cè)P型橡膠圓頭均能與對(duì)應(yīng)門槽緊密接觸，不會(huì)形成漏水空隙。

(2)同時(shí)增設(shè)的潤滑水系統(tǒng)不但可以減少閘門升降的阻力，而且可以提高止水橡皮的使用壽命。由于經(jīng)過正常工況下對(duì)啟閉電流的觀察，工作閘門止水橡皮更換前的各臺(tái)啟閉機(jī)電機(jī)啟門電流普遍在7.5～8.0 A之間，改造后各臺(tái)啟閉機(jī)電機(jī)的啟門電流普遍在7.0～7.5 A之間，從中也可以判斷出閘門止水結(jié)構(gòu)綜合改造后減小了一定的摩擦力。

5.2 改造的優(yōu)點(diǎn)和亮點(diǎn)

(1)改造施工方案切實(shí)可行。本次改造僅針對(duì)工作閘門門葉進(jìn)行調(diào)整實(shí)施，避免了針對(duì)預(yù)埋門槽的改造導(dǎo)致的門槽變形、施工工期長等不利因素，也無增加閘門啟閉力。

(2)改造施工簡單方便、節(jié)省投資。本次改造不需要進(jìn)行設(shè)置圍堰施工，可以結(jié)合閘門防腐一同返廠改造實(shí)施。

(3)止水效果明顯。經(jīng)過一段時(shí)間觀察，目前新安裝的閘門止水漏水現(xiàn)象肉眼觀察不到，一定程度上減少了水閘上游姚江水體的含氯度，也減少了淡水資源的損失，達(dá)到改造預(yù)期效果。