摘要：通过对P45水封反向止水过程进行仿真计算，阐述在极端情况下对P形水封反方向止水性能的应用可行性，为解决相关问题提供了一个简单易行的方法。
1 工程概况
某泵站进水口检修闸门初期相关资料如下：孔口尺寸3.5m×3.5m（宽×高，下同），设计水头9.42m，单向止水，动水启闭。设计采用潜孔式平面滚动闸门，装配4个ø600悬臂轮，采用P45水封下游止水，如图1所示。
1.门叶结构 2.水封 3.悬臂轮 4.配重块 5.侧轮
图1 闸门总图
在该闸门制造完毕且相应门槽浇筑完成的情况下，工程设计工况发生变动，要求其具有双向止水功能（原设计方向定义为主方向，新增方向定义为反方向），因此需对其进行设计修改。
2 解决方案
因该检修闸门和相应门槽已完工，受空间和结构的制约，已无法将P45水封更改为双P形水封或者在闸门无水封一侧增加一道水封进行止水。
考虑到以下因素：
（1）对闸门进行重新设计、制造会浪费大量的人力、物力和财力；
（2）闸门使用频率较低；
（3）新增工况中反向设计水头较低，小于2m水头。
故选择利用P形水封的反向止水性能，具体措施如下：
（1）将门槽主轨、门楣上的止水座板由4mm厚度更换为6mm，令闸门在承受主方向水头时水封预压缩量由4mm增加到6mm;
（2）在门槽反轨上加焊4块8×120×200 的不锈钢钢板，钢板中心与闸门悬臂轮的中心一一对应，此时闸门与反轨的间隙在接触部位由10mm减为2mm。在保证安全闭门的前提下，令闸门在承受反方向水头时水封预压缩量为4mm，利用P形水封的反向止水性能止水。
3 P形水封仿真计算
3.1 仿真计算的基本理论
水封类橡胶类材料有其独特的力学性能：超弹性，体积不可压缩性、大变形等。在受到水压力作用下，橡皮止水元件会产生大变形，使得用传统实验方法难以定量地分析出橡皮止水元件的应力应变关系值；运用非线性有限元分析方法对止水橡皮封水全过程进行仿真计算能够得到比较满意的结果。
3.2 影响水封水密性的三要素:
（1）止水元件封头与止水面板的接触宽度；
（2）封头对止水面板的压缩量；
（3）封头对止水面板的接触应力。
在已知库水压力、止水元件材料的反弹应力等共同作用下，上述三要素可以作为判别水封水密性好坏的判据。
3.3 仿真计算的有限元力学模型建立
橡皮止水元件设置在闸门面板上，刚性压板固定橡皮止水元件。当闸门承受反方向水头时，预压4mm的水封封头与止水座板相挤、摩擦达到治水的目的。
橡皮止水元件采用超弹性单元HYPER74号单元，该类单元采用混合位移——应力表示形式，适用于大变形、接近体积不可压缩的橡胶类材料。
面板、刚性压板、止水座板采用弹性单元PLANE183。在橡皮止水元件与止水座板接触的部位设置接触対单元TARGE169和CONTA172。
仿真计算过程分三个荷载步。第一步，橡皮止水元件安装和预压过程，荷载采用位移荷载，即止水座板向止水封头移动对橡皮止水元件进行预压；第二步，施加零水荷载；第三步，按水头计算，施加反方向设计水头荷载，模拟P45水封的反向止水过程，有限元模型如图2所示。
图2 P形水封有限元模型
3.4 计算结果
考虑面板和止水座板零位移约束，摩擦系数取0.5，反方向作用水头，结果如表1所示。
表1 反向水头作用结果
2m水头作用下，水封的接触应力云图如图3所示。
图3 2m反向水头作用下水封接触应力计算结果
由仿真计算结果可知，在2m的反向水头作用下，P45水封的封头与止水面板之间满足水封水密性的要求，能够应用于工程实践当中。
4 结语
1.仿真计算结果表明，在2m的反方向设计水头作用下，预压4mm的P45水封满足水封水密性要求，在极端情况下对P形水封反向止水性能的应用是可行的。
2.在不同方向的水压变换作用下，P形水封会产生极为复杂的变形，磨损与老化加剧，耐久性与安全性能降低，正常情况下不宜采用。
参考文献：
[1] 刘礼华，欧珠光，陈五一，方寒梅.高压闸门水封的非线性计算理论与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.
[2] 刘细龙，陈福荣.闸门与启闭设备[M].北京：中国水利水电出版社，2003
论文作者:付明伟
论文发表刊物:《基层建设》2016年27期
论文发表时间:2017/1/6
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