压差放大式逆止阀的研制及工程应用

程永辉，龚 泉，郭鹏杰

(长江科学院 a.水利部岩土力学与工程重点实验室；b. 国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

压差放大式逆止阀的研制及工程应用

程永辉a,b，龚 泉a,b，郭鹏杰a,b

(长江科学院 a.水利部岩土力学与工程重点实验室；b. 国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

输引水工程线路长，沿线地下水位复杂多变，防渗结构存在抗浮稳定问题，一般采用排水减压措施进行处理，具有单向排水功能的逆止阀是最为可行的选择，但现有逆止阀产品仍存在安装方向要求严、施工精度要求高、启闭不灵活、长期性能差等不足。针对以上问题，结合逆止阀应用条件，从启闭原理、止水方式和防淤堵等方面入手，研发了压差放大式的新型逆止阀；逆止阀的开启和关闭只通过压差控制，无需任何外力，无方向性要求；采用了压差放大式结构和弧形接触止水方式，提高了启闭的灵敏性和可靠性；设计了专门的防淤堵结构并考虑了产品的疲劳破坏问题，保障了产品的长期性能。逆止阀可作为渠道、堤防和河道的护坡、大坝水位波动区、输水隧洞、航闸底板及其他涉水建筑物等工程防渗结构的排水减压措施。

输引水工程；压差放大；逆止阀；防渗结构；抗浮稳定

1 研究背景

水资源开发与利用是水利工程中重点解决的主要任务，如蓄水工程、输水工程、引调水工程等。工程建设中通常采用衬砌结构层进行防渗，但自然或人工岩土体内部地下水变化比较复杂，导致结构层存在抗浮稳定问题；严重时将导致衬砌结构层断裂、跨塌，直接威胁工程安全，如图1所示。

图1 渠道衬砌浮托破坏Fig.1 Uplift failure of canal lining caused by groundwater

排水减压是解决抗浮稳定的主要措施之一，设置排水通道势必带来水体外渗，因此，单向排水措施成为最可行的选择。逆止阀即单向排水阀，依据两侧水头差变化可开启排水或关闭止水，即起到防渗的作用，又可以解决抗浮稳定问题。如螺丝湾水电站在引水隧洞中使用逆止阀排地下水，既方便施工，同时也减少了因围岩吸水膨胀而对衬砌的破坏作用[1]；在城市景观湖底防渗结构使用逆止阀，可减少因地下水压力过高而引起湖底土工布的隆起变形[2]；南水北调中线工程采用逆止阀作为渠坡和渠底衬砌结构层的排水减压措施[3]；在灌渠渠道滑坡防治中也可采用逆止阀进行防渗和排水[4]。

逆止阀在输水(油)管道中应用较多，技术也较成熟，其开关是通过电力自动控制或人工控制；但在水工结构中的应用尚处于研发和推广阶段，还存在一些问题。因逆止阀对工程安全影响巨大，其可靠性成为众多学者关注的焦点。

如引黄济青工程采用埋入的逆止式止水箱作为渠道衬砌板的排水减压措施，为现场加工制造，输水后效果不理想，检修困难，未发挥应有作用。

再如南水北调中线京石段应急供水工程，渠底采用了球式逆止阀，在局部渠段衬砌输水期间出现了浮托破坏，调查发现逆止阀存在大量的泥沙淤积、球阀丢失、球阀漂浮等现象，逆止式排水系统没起到预期排水减压作用[5]。中线工程新乡和南阳试验段在渠坡采用了拍门式逆止阀，试验段施工和模拟通水期间，逆止阀基本被堵死，不能正常开启。

以上工程案例表明，现有逆止阀产品在以下方面仍存在不足：①逆止阀现场装配，导致施工期间损坏严重，且不便于检修；②已有逆止阀均利用重力和水头差进行开启和关闭，因重力方向是垂直向下的，而开启和关闭是反向过程，两者之间存在矛盾，导致启闭不灵活，安装方向性要求很高；③逆止阀腔体内部易产生颗粒物聚积，导致开启后关不严，严重时堵塞腔体，造成功能丧失；④止水结构采用橡胶件受压变形止水，长期高压作用下可能产生变形过大，止水失效，且橡胶制品在水中还存在老化分解问题；⑤逆止阀表面无可行的防淤堵措施，也严重影响了逆止阀的长期可靠性。

本文针对以上问题，研制了新型逆止阀，有效地克服了现有逆止阀的不足，工程应用效果良好。

2 新型逆止阀研制思路

(1) 新型逆止阀采用即插即用的结构型式，与排水系统的水管或结构物上的钻孔配套使用，在结构物和排水系统施工完成后，再进行逆止阀安装，以减少施工影响，便于检修和升级换代。

新型逆止阀的外部设计条件非常简单，即参照国家标准中的排水管(或给水管)和钻孔尺寸规格进行设计和制造，可形成标准化的系列产品。

(2) 新型逆止阀的启闭直接采用水头差进行控制最为合理，不能借助重力，但由于可供使用的水头差较小，一般为1～3 cm，实现开启和止水较为困难；可考虑借助方向可控的弹性力或设计专门的压差放大构件，达到自动控制的目的。

(3) 止水结构采用最为合适的止水方式，即在小压力作用下即可实现快速止水；为防止止水件材料的变形损伤，应对最大变形量进行限位；止水件应具有较好的耐疲劳和耐分解能力。

(4) 逆止阀启闭的关键部件易受颗粒物的影响而失灵，其工作腔内应为清水，在上下端设计过滤层，以适应不同水质条件的需要。

(5) 对逆止阀的防淤积性能进行研究，查明淤积对逆止阀性能的影响，提出切实可行对策。

3 新型逆止阀的关键问题研究

3.1 启闭原理

3.1.1 设计方案比选

在新型逆止阀研制过程中，对4种方案进行了研究，包括弹簧+楔形体、弹簧+活塞、弹性膜压力腔+杠杆和弹性膜压力腔方案。

(1) 弹簧+楔形体的组合方案是利用弹簧提供初始动力，推动楔形体止水；反向，在水头差作用下，弹簧收缩，形成出水通道，实现排水功能。试验表明，5 cm小水头差作用下止水和排水效果均不好，不能满足实际工程的需要。

(2) 弹簧+活塞的组合方案是在活塞移动段内设置水力通道，通过弹簧的弹力或水头差控制活塞前后移动，使排水通道打开或关闭，实现排水和止水。试验表明，活塞即要前后移动，又要与侧壁紧密挤压止水，不满足小水头差作用下自动启闭的要求。

(3) 弹性膜压力腔+杠杆的组合方案是采用弹性膜片与压力腔制成压力放大器，对逆止阀两侧的水头差进行放大；杠杆一端与弹性膜片中部相连，另一端与止水构件相连；在水头差作用下，压力腔内的弹性膜片产生向前或向后变形，带动杠杆并驱动止水构件的开启或闭合。试验表明，该方案的止水和排水效果非常好，但由于结构非常复杂，加工制造困难，很难实现批量化生产。

(4) 弹性膜压力腔方案是在以上方案的基础上优化而来，去掉杠杆，直接采用弹性膜片与压力腔制成的压力放大器，在水头差作用下，控制逆止阀的启闭。试验表明，该方案结构简单，能实现小水头差作用下的自动开启和关闭，推荐用于新逆止阀的研制，其放大效果主要取决于弹性膜的面积与排水孔的面积。

3.1.2 推荐方案的力学原理分析

推荐方案的压力放大器主要有压力腔、弹性膜片、门字框导向杆和止水构件组成，弹性膜片可在压力腔内上下移动，通过门字框导向杆与止水构件相连，如图2所示。

图2 压力差放大原理Fig.2 Mechanics principle of differential pressureamplification

为方便描述，在此将逆止阀中允许水流通过的方向称为正向，其反方向为逆向。

设止水构件的有效受力面积为S1，弹性膜片的有效受力面积为S2，逆止阀正向和逆向的压力水头分别为H1和H2，对应作用力分别为P1和P2。设逆止阀的开启和闭合所需要的作用力分别为ΔP1和ΔP2，前者对应逆止阀的开启水头Hk；后者对应于逆止阀的止水水头Hb。设使弹性膜片产生足够变形以驱动止水构件开启的力为T1，使止水构件产生足够变形以驱动逆止阀闭合所需要的力大小为T2，水的密度为ρw。

(1) 逆止阀由闭合状态到开启状态过程的力学关系变化为：

(1)

(2)

ΔP1=P1-P2=ρwg(H1-H2)(S1+S2) 。

(3)

若使逆止阀从闭合状态开启，则

(4)

整理式(3)、式(4)可得

(5)

逆止阀的开启水头Hk=H1-H2则

(6)

式(6)为逆止阀开启水头的力学表达式，由该式可以看出压力差放大的原理，分母中S2的存在减小了逆止阀开启所需要的压力水头差。

(2) 从开启状态到闭合状态，逆止阀的力学变化过程如下：

当H2>H1时，弹性膜所受的逆向作用力大于正向作用力，其力学变化过程与上述相似，但方向相反，推导过程不再赘述。得到止水水头的表达式为

(7)

从式(7)可以看出，逆止阀的止水水头与T2成正比，与止水构件和弹性膜片的有效面积成反比。弹性膜片同样降低了逆止阀闭合所需要的水头差，起到了压力差放大作用。

压力差放大倍数用n表示，则

(8)

压力差的放大倍数n与弹性膜片的面积S2密切相关，其面积相对越大，压力放大效果越显著。

3.2 止水构件设计

常用的止水结构包括紧配合止水和胶垫止水方式，紧配合止水需要通过旋转将排水孔封闭，不适于作为逆止阀的止水构件；胶垫止水是通过胶体受压变形而达到止水目的，有平面止水、斜面止水、线性止水等方式，其中以线性止水所需压力最小，但组装要求也极为严格。

图3 止水构件示意图Fig.3 Sketch of sealingcomponents

为减小止水所需水压力，新型逆止阀借鉴了抽水马桶的止水结构型式，如图3所示。阀芯排水孔侧壁端部为弧形，止水膜片套于止水盖板上，止水盖板向下移动时，止水膜片产生弯曲，并与排水孔呈弧形接触，随着压力的增大，止水膜片与止水盖板之间挤紧并形成可靠的密封结构。试验表明，此种止水结构型式所需水压力最小，且更为可靠。

3.3 过滤层

为保证逆止阀阀芯内为清水环境，适应不同水质条件的要求，在逆止阀上下两端设置1 cm厚的过滤层，在过滤层充填反滤料。

为防止悬浮物进入阀芯内，过滤料采用了2层土工布，中间充填砂粒的方案，砂粒必须充填密实；对于清水环境中应用的逆止阀，也可不充填，只设置土工布即可。

3.4 材料选择

主体结构采用ABS材料，连接杆件采用高强度的尼龙加纤维材料制成，弹性膜片、止水圈以及止水垫片采用食用级硅胶材料制成，其他有较高强度要求的部件采用不锈钢材料。

在以上研究的基础上，成功研制了新型逆止阀，由于该逆止阀是以压差放大的方式进行启闭，称之为压差放大式逆止阀。

4 压差放大式逆止阀的特性

4.1 主体结构和工作原理

压差放大式逆止阀由上过滤层、止水构件、压力放大器和下过滤层组成，由6根高强螺丝杆连接成为一个整体；逆止阀受逆向水头差作用时，弹性膜片沿逆向变形，带动有导向的止水构件沿逆向移动，关闭排水口，实现止水；逆止阀受正向水头差作用下，弹性膜片沿正向变形，带动有导向的止水构件沿正向移动，打开排水口实现排水；主体结构如图4所示。

图4 压差放大式逆止阀结构Fig.4 Schematic diagram of the reverse check valvebased on differential pressure amplification

4.2 主要性能和特点

4.2.1 无方向性

逆止阀的关闭和开启由压差(水头差)控制，使用时不存在方向性，对安装角度也无要求，可用于渠底、渠坡、隧洞顶部、侧壁等位置，满足不同工程需求。

图5为逆止阀分别与水平方向呈90°，45°，0°的角度测得的排水流量与水头差的关系曲线，从图5中可以看出，3个方向测得的排水性能基本相当，证明了该逆止阀无方向性的特点。

图5 不同方向逆止阀的流量-水头差曲线Fig.5 Curves of drainage flow vs. water head differenceof reverse check valve installed in different directions

图6 逆止阀止水性能试验曲线Fig.6 Curve of drainageflow vs. water headdifference in sealing test

4.2.2 高灵敏性

采用了压力差放大的

原理，启闭反应灵敏，曲面接触的止水结构型式所需压力很小，大大提高了低水头差下逆止阀的止水和排水性能，该产品开启水头差<0.5 mm，止水水头差<1.5 mm，如图6所示。

4.2.3 长期性能稳定

逆止阀的止水胶圈和弹性膜片均采用硅胶材料，在水中不会分解，水下运行寿命较橡胶材料提高3倍以上(可达30 a以上)；同时止水胶圈的变形在压力腔内进行了限位，不会出现止水构件长期受压而破损和往返变形疲劳破坏的问题[6]。

4.2.4 防淤堵性能好

采用了带有上、下过滤层的结构型式，可保证机构运行的长期可靠性，同时，也有具有较强的防淤积能力。

为研究表面淤积对逆止阀性能的影响，进行室内模型试验研究: 将粉质黏土与水混合，并通过颗料沉淀来模拟渠道淤积情况，淤积厚度为20 cm，淤积完成后保持通水状态静置1个月。逐级增加水头差测试逆止阀开启水头和排水流量，测定记录逆止阀的流量并绘制水头差-流量曲线，同时观察淤泥层的变化情况。图7为试验装置示意图，图8为试验结束后淤泥层的变化情况。

图7 逆止阀淤堵试验示意图Fig.7 Schematic diagram of the sealing componentof anti-clogging test

图8 淤堵试验结束后淤泥层变化情况Fig.8 Variation of siltlayer after anti-clogging test

图9 淤堵试验中水头差-流量曲线Fig.9 Curves of drainageflow vs. water head differ-ence in anti-clogging test

在试验初始阶段(水头差<5 cm)，排水流量较小，之后随着水头差的增加，淤泥层内逐渐形了几条过水通道(如图8所示)，流量以较快的速度增大。图9为逆止阀在无淤积和淤积20 cm条件下的排水流量与水头差的关系曲线，试验初期，有淤积的情况下排水流量较小，当水头差达到一定数值时，两者的排水流量基本相当。流量曲线的变化规律与试验中观察到的现象一致，试验表明，淤积物属水力沉积，密度较小，逆止阀在一定水头差作用下是可以打开排水的，只要颗粒物未进入阀芯内，则不会影响逆止阀的正常运行。虽然淤积后，逆止阀的开启水头增大，但由于衬砌板上也被淤积物覆盖，重量增加，抵抗浮托破坏的能力增强，结构仍然是安全的，不需要再设计专门的防淤积措施。

4.2.5 安装简便

采用符合国家标准的管径或孔径的外观尺寸以及即插即用的安装方式，施工简单，直接压入即可；维护非常方便，还为产品的升级换代提供了条件。

4.3 型号规格和性能指标

压差放大式逆止阀有3种型号，分别与标准型号的水管或钻孔相配合，其主要性能指标详见表1。

表1 型号规格和性能指标

5 工程应用

该种新型逆止阀的研发已经成熟，目前在渠道工程、隧洞工程中得到了推广和利用。

5.1 渠道工程中的应用

压差放大式逆止阀在渠道工程的推广主要集中在南水北调中线工程，渠道普遍采用了混凝土衬砌层加土工膜的结构形式进行防渗。在渠道检修期间或季节性原因引起的地下水水位变动期间，地下水水位可能骤然高于渠道内水位，渠道衬砌层可能因为过高的压力差而浮动破坏。设计采用了逆止式排水系统来增强渠道的抗浮稳定性：当渠道内水位过高时，地下水通过集水系统汇入PVC管处，PVC管内设置的逆止阀打开，地下水进入渠道中，达到排水减压的目的；当渠道内水位高于地下水水位时，逆止阀关闭，渠道内的水不能通过逆止阀进入地下，从而防渗。

逆止阀布置的数量和形式是通过相关渗流分析确定，安装示意图如图10(a)所示，安装后效果见图10(b)。目前南水北调中线工程安装此逆止阀已运行，工程运行情况良好。

图10 渠坡上的逆止阀安装示意图及实物

5.2 引水隧洞工程中的应用

逆止阀在隧洞工程中的作用原理和在渠道工程中的作用原理类似，不再赘述。

某引水隧洞位于膨胀岩地区，受地下水压力和膨胀力作用，引水隧洞内侧墙出现了倾倒破坏，为消除水压力并防止内水渗入膨胀岩内，在侧墙上设置了排水孔，并安装了CKF75-12型压差放大式逆止阀，如图11所示。

图11 隧洞侧墙上的逆止阀安装示意图及实物Fig.11 Diagram of check valves installedon tunnel wall

安装方法为：在侧墙上钻孔，直径75 mm；将逆止阀压入，并与周边挤紧；采用密封胶将表面逆止阀与钻孔的间隙密封。

施工完成后，即可观察到逆止阀内有水不断流出，表明侧墙后有较高地下水位，该工程处理后，运行情况良好。

5.3 工程应用分析

综上所述，逆止阀可应用于涉水工程中即需要排水减压又需要防渗的结构中。如渠道边坡和渠底衬砌层、堤防和河道的护坡结构层、上游坝坡的水位升降区的结构层、引水隧洞全断面的衬砌结构层、航闸底板以其他涉水建筑物的防渗结构层。

6 结 论

(1) 根据工程实际情况，分析了现有逆止阀产品存在的主要问题，提出了相应的解决方法。

(2) 针对现有逆止阀的不足之处，提出新型逆止阀的研制思路，对关键问题进行了研究和论证，并成功研制了压差放大式逆止阀。

(3) 将压差放大式逆止阀成功应用于渠道工程和引水隧洞工程，取得了良好的效果，可为类似工程的处理提供借鉴和参考。

[1] 曹渝波，李师贤.逆止阀在螺丝湾水电站引水隧洞中的应用[J].云南水电技术,2005,134(1):38-40.

[2] 孙凤芹,丛全日,李文会.逆止阀在湖区防渗中的应用[J].黑龙江水利科技,2007,35(3):160-161.

[3] 黄 炜，肖万格，姚 雄. 南水北调中线总干渠高地下水位内排渗控研究[J].人民长江，2010，41(16): 55-58.

[4] 张国明，朱克斌，张国庆.逆止阀在灌区渠道防渗滑坡治理中的应用[J].河南水利与南水北调，2014，(14): 35-36.

[5] 王流泉，董晓燕，高秀芳.南水北调中线总干渠京石段渠道衬砌抗浮稳定设计方案讨论[J].南水北调与水利科技，2006，(8): 5-7.

[6] 毛敏飞.压差放大式逆止阀在南水北调中线工程中的应用[J].甘肃水利水电科技，2014，50(6): 53-56.

(编辑：姜小兰)

Development and Engineering Application of Reverse Check ValveBased on Differential Pressure Amplification

CHENG Yong-hui1,2, GONG Quan1,2, GUO Peng-jie1,2

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 2. National Research Center on Dam Safety Engineering Technology, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

Drainage system and pressure reduction measures are usually adopted to treat the uplift of anti-seepage structure of water transfer project caused by long route and varying groundwater table. Check valve-drainage system in which reverse check valve plays a key role makes one of the best choice for its one-way flow performance. Existing reverse check valves have an inflexible opening and shutoff process, a poor long term performance, a meticulous construction operation, and must be accurately installed in a certain direction. To solve these problems, a novel reverse check valve based on differential pressure amplification is researched and developed in consideration of application conditions. The principle of opening and shutoff is improved; and new shutoff type and anti-clogging method are put forward. Opening and shutoff of the new check valve is only driven by amplified differential water pressure, and no other external force is needed, thus, it can be installed in every direction. Differential pressure amplification components and arc close structure are developed to improve the reliability and flexibility of opening and shutoff. Anti-clogging structure is designed and anti-fatigue problem is considered to ensure the long-term performance. The new reverse check valve can be widely used in the drainage system of canal, slope protection of dike and river course, groundwater table change belt of dam, water conveyance tunnel and other water-involving structures.

water conservancy projects; differential pressure amplification; reverse check valve; seepage prevention; stability against floating

2016-03-09；

2016-05-03

国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAB10A04，2011BAB10A06)

程永辉(1977-)，男，山东博兴人，高级工程师，硕士，主要从事地基处理及边坡加固方面的研究工作，(电话)027-82927236(电子信箱) chengyh@mail.crsri.cn。

郭鹏杰(1987-),男， 河南周口人，工程师，硕士，主要从事地基处理及边坡加固方面的研究工作，(电话)027-82828063(电子信箱)guopengjie0602@163.com。

10.11988/ckyyb.20160295

2017,34(6):149-154

TV68

A

1001-5485(2017)06-0149-06