大型船闸移动工作门伸缩式止水水密性验证方法

杨斌刘宏敏刘礼华

摘要：伸缩式止水是大型船闸移动工作门的新型止水方法，它一改以往预压式止水间隙适应性差、局部容易漏水、材料磨损快等缺点，有着良好的封水性能和耐久性能。本文首次结合三个止水面的“U”型止水装置，通过仿真计算和模型试验，给出了止水的关键特性-静水水密性规律的获取方法。该研究方法简便、科学，对伸缩式止水设计阶段的断面选取具有重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：伸缩式止水；有限元；MooneyRivlin公式；模型试验；静水水密性

中图分类号：TV131.6 文献标志码：A 文章编号：

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

在水利水电工程中，闸门发生漏水不仅引起水资源损失，而且影响闸门的工作环境，导致建筑物空蚀和闸门振动，威胁工程安全，因此止水装置是闸门的重要元件。目前，大型船闸移动工作门通常采用预压式橡胶止水装置，其存在闸门间隙适应性差、局部容易漏水、移门时封水橡胶磨损快、闸门启闭力大等缺点。

目前有一种在潜孔闸门上使用的充压式水封[36]，其主要优点是对闸门间隙的适应性好，当闸门一边间隙不均匀时也能够适应封水。由于移动工作门只能有三个止水对偶面，工程中采用“U”型止水装置，见图1，为了防止两边水封顶端无约束外伸破坏，在此处安装空腔堵头，这样水封变形仍然是平面应变问题。

1 伸缩式止水结构设计

在“U”形止水装置下部的充压腔设有进气孔和出气孔，进气孔通过阀门与放置在闸门板格内部的空压机输出端连通；出气孔通过阀门与大气连通。当进气孔向止水装置的充压腔充气增压，闸门就进入止水堵漏的工作状态；当出气孔通过阀门向外排气减压时闸门即可开启。止水装置由橡胶水封、压板和座板组成，见图2。水封包括硬橡胶封头和软橡胶肢臂、翼头与肢体；压板分内压板和外压板。水封硬橡胶（封头）部分能承受较大的间隙水压力，水封软橡胶（肢臂、翼头与肢体）部分能够产生较大变形，便于闸门止水装置的伸缩操作，同时也可以提高止水元件对闸门间隙的适应性。

2 封水试验

止水装置的封水效果是闸门设计的关键技术之一。静水水密性验证在自行设计的专用大型实验台上进行，见图3。实验台主要由承压面板、活动台板、基座、测量仪器仪表组成，并与高压水箱、加压机、稳压器和各种控制阀相连。验证选用框形止水试件，设置止水前端与钢板的预留间隙分别为5、10、15、20、25、30 mm，由水稳压器向止水背腔充压（模拟工程中采用的气压），压力分别为5、6、7、8、9、……、29、30 m水头，压力稳定后向模拟库水压力的高压水箱充压，观察止水漏水或射水发生情况。

3 仿真计算验证方法

3.1 材料参数测定

进行仿真计算首先要测定材料的力学参数。橡胶是各向同性材料，应变能函数We通常写成左CauchyGreen变形张量B的函数表达式，应变张量不变量分别用I1，I2，I3表示，即We可写成：

对水封封头硬橡胶和肢臂、翼头与肢体软橡胶进行材料参数的测定。测定中采取单轴拉伸、单轴压缩和纯剪切实验（由于实验室无法完成真正意义上的纯剪切实验，故用受限拉伸实验代替）：

单轴拉伸实验采用哑铃型标准试件，每种材料采用三个试件，每个试件进行三组实验。实验方法为以砝码重量为拉伸负荷，直接加载量测各止水材料相应的拉伸比，同步计算拉伸应力，扯断时停止实验；单轴压缩实验采用标准压缩试件，在压力实验机WE60上加载量测变形得到各止水材料的单向压缩特征；受限拉伸实验采用宽度比其长度大很多的橡胶薄片，将其长度方向（纵向）两端用夹具夹住，然后再横向拉伸，采用和单轴拉伸实验同样的试件分组和拉伸方法[6]。

由各实验测得的应力伸长比值，采用最小二乘法，拟合出材料MooneyRivlin力学模型的材料参数，见表1。

3.2 仿真计算

运用有限元方法对止水全过程进行仿真计算以验证水密性，分析安装和止水过程水封应力变化及分布情况、水封与钢夹及面板之间的接触应力，绘制关键部位的应力应变时程曲线，从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软件ABAQUS进行。在单元选择方面，考虑到橡胶为近不可压缩材料，采用杂交单元，因其为大应变分析，涉及到非常大的网格扭曲，特采用四结点双线性平面应变四变形单元CPE4RH，单元控制属性为减缩积分和沙漏控制。水封座板、压板采用四结点双线性平面应变单元CPE4I，单元控制属性为非协调膜式[1014]。考虑到水封受荷过程中止水面板与橡胶的接触问题，将可能成为接触面的水封座板、水封压板创建为主面，对应的橡胶面创建为从面，并成对地创建接触相互作用，调用接触属性。根据实际情况约束水封座板x和y方向、压板x方向位移，并在压板上施加y负向位移以模拟安装过程。安装完成后，完全约束[HJ2.25mm]水封压板与水封座板x和y方向的位移，并在水封背腔施加压力模拟水封自由外伸过程。自由外伸模拟完成后，在压板和止水面板之间施加水平方向水流，模拟伸缩式止水封水过程。计算模型见图4。

4 工程应用

4.1 工程背景

亭子口水利枢纽工程位于四川省广元市苍溪县境内，亭子口升船机下闸首工作门门槽底高程3595 m，闸墙顶面高程3870 m，门槽顺水流向宽35 m，垂直水流向长210 m，闸门上游面板距船厢端面200 mm，支承跨度达到196 m，由于闸门水平向的刚度低、变形大，其止水装置设计加工是整个升船机建设的关键性技术问题之一。

4.2 静水水密性的仿真计算和模型试验

下闸首工作门采用的充压伸缩式水封断面见图5。在仿真计算中，将封头与止水面板间的接触应力不小于相应的库压作为封水的经验判据，整理出一定的库压作用下所需要的封水背压，绘制封水曲线见图6。在静水水密性试验中，观察水封漏水射水发生情况，临界封水库压记录于表2，根据记录表绘制出的封水曲线见图7。比较图6和图7发现仿真计算与模型试验的封水规律基本吻合（注意坐标轴对应）。

5 结语

大型船闸移动工作门伸缩式止水的工作特征可

通过模型试验和仿真计算得到。研制了伸缩式

止水的专用试验装置，也形成了精度较高的伸缩式止水的仿真计算方法。本文是对研究成果的一次总结。该套试验装置和仿真计算方法可以用来较好的模拟实际工程中大型船闸移动门伸缩式止水的变形和封水过程。研究结果，尤其是不同库压下的临界封水背压的规律对伸缩式止水设计具有重要的参考价值。

参考文献（References）：

[1] Alan N.Gent.Engineering with RubberHow to Design Rubber Components[M].Carl Hanser Verlag，Munich ，2001.

[2] 徐立，吴桂忠.有限元分析中橡胶应变能函数的若干形式[J].橡胶工业，1999，46 （12）：707711.（XU Li，WU Guizhong.Some forms of strain energy function for rubber with finite element analysis[J].China Rubber Industry，1999，46，（12）：707711.（in Chinese））

[3] 朱凼凼，刘礼华.应用非线性有限元法对某止水橡皮进行仿真计算[J].应用力学学报，2004（4）：134136.（ZHU Dangdang，LIU Lihua.Simulation for the waterstop rubber on the nonlinear finite element method[J].Chinese journal of applied mechanics，2004（4）：134136.（in Chinese））

[4] 朱凼凼，刘礼华.应用非线性有限元法对某止水橡皮进行仿真计算[J].应用力学学报，2004（4）：134136.（ZHU Dangdang，LIU Lihua.Simulation for the waterstop rubber on the nonlinear finite element method[J].Chinese journal of applied mechanics，2004（4）：134136.（in Chinese））

[5] 刘礼华，熊威，张宏志，等.高水头闸门止水材料的粘弹性研究[J].工程力学，2007，24 （7）：189192.（LIU Lihua，XIONG Wei，ZHANG Hongzhi，et al.Research on viscoelasticity of high pressure waterstop material[J].Engineering Mechanics，2007，24，（7）：189192.（in Chinese））

[6] 刘礼华，欧珠光，陈五一.高压闸门水封的非线性计算理论与应用[M].中国水利水电出版社，2010，7.（LIU Lihua，OU Zhuguang，CHENG Wuyi.The nonlinear theory and application of high pressure gate water seal[M].China Water Power Press，2010，7.（in Chinese））

[7] R S Rivlin，F R Eirich，Ed Rhelolgy.Theory and Application，Vol.1，Academic Press，New York，1956，Chapter 10.

[8] R S Rivlin，D W Saunders，Phil Trans R.Soc.London，Ser.A，243，251（1951）.