王 新1,2，胡亚安1,2，严秀俊1,2
(1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏，南京 210029；2. 南京水利科学研究院 通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏，南京 210029)
摘 要：针对高水头阀门顶止水破坏的主要影响因素，提出三种止水材料配方，设计具有相同条件的试验方法，采用水下棱石法开展止水材料抗冲磨试验；研发阀门顶止水1∶1切片试验装置，制作不同型式阀门顶止水试件，进行止水安装变形特性、不同水头压力变形特性试验。研究表明：止水表面冲磨破坏呈现波纹状特征，随材料硬度增大，止水表面冲磨趋于光滑、抗冲磨性能降低，相对而言，配方2抗冲磨性能略优；随着安装荷载或水头差的增大，止水变形近似线性增大，“半圆头型”止水相对较优；在高水头作用下止水变形较大，在止水现场安装时可考虑适当预留间距，以降低压缩变形及应力。
关键词：高水头船闸；阀门；顶止水；材料性能；切片试验
近年来，我国船闸建设呈现日益大型化、高水头发展趋势，建成一批具有代表性的高水头船闸，如葛洲坝、水口、五强溪、三峡、银盘等，其中三峡双线连续五级船闸，总水头达 113 m，中间级水头45.2 m，其规模与技术难度均达到世界最高水平。阀门是船闸输水系统的核心，高水头船闸普遍采用启闭性能较优的反弧门型式，由于运转频繁，且处于非恒定流复杂流场中，工作条件十分恶劣。止水是阀门上的重要部件，船闸运行一段时间后常出现阀门静止挡水状态时强烈自激振动现象[1]，即由阀门止水损坏漏水引起。阀门止水包括底止水、侧止水和顶止水，底止水自水口、三峡成功采用钢止水后一直沿用，效果很好；侧止水一般采用“Ω型”橡皮止水，基本表现为正常的摩擦损耗；反弧门顶止水主要有“P型”和“半圆头型”两种橡皮止水型式，工程实践表明，顶止水是输水阀门最容易损坏的部件，主要表现为撕裂、剪断、磨损、翻卷等破坏形式。葛洲坝[2]、三峡船闸反弧门顶止水频频损坏，对船闸运行安全及效率带来较大不利影响。
反弧门顶止水破坏的原因非常复杂，受止水的型式、材料、安装、工作条件等诸多因素影响。葛洲坝曾采用“P型”顶止水，经常因止水板与头部连接处应力集中被剪断，三峡船闸阀门采用“半圆头型”，美国也曾提出船闸反弧门不同顶止水型式的工作水头适应范围；阀门顶止水基本采用橡胶材料，为提高其强度并仍保持足够的韧性，曾开展过材料配方研究，对比过橡胶、尼龙、聚乙烯、橡塑合成材料等；顶止水的安装涉及止水与胸墙间初始间距的控制，如阀门处于关闭状态时顶止水要求预压3 mm～5 mm；阀门关闭挡水状态，顶止水在高水头作用下发生较大变形，与工作水头关系密切。相关研究多关于水工钢闸门止水的性能[3－7]，其止水型式及要求与船闸阀门存在很大差异，对于高水头阀门顶止水相关研究甚少。本文针对影响高水头船闸阀门顶止水使用寿命的几个因素，提出三种不同配方材料，研究止水材料的应力应变、抗冲磨特性，制作“P型”、“半圆头型”两种型式顶止水试件，研究顶止水的安装变形、不同水压作用下的变形特性，为顶止水的材料配方优化、安装控制等提供依据。
针对输水阀门顶止水提出三种不同配方橡胶材料，称为配方1、配方2和配方3(对应HC1～HC3)，进行材料基本力学、抗冲磨试验。材料的应力应变在万能材料试验机上进行，包括压缩和拉伸试验，根据检测要求制作试件。抗冲磨性能采用《水工混凝土试验规程》中的水下钢球法，提出以坚硬的带有棱角的玄武岩代替光滑的钢球作为冲磨磨料，对于柔性材料其冲磨效果更优[8－9]，为保证各试件试验条件一致，设计能够同时容纳3块试件的固定装置，如图1所示。在进行冲磨试验前，称量每块试件重量；每次放入1 kg磨料，冲磨试验共进行48 h，冲磨至24 h时停机，更换一次磨料；试验结束后，取出试件晾干，再次称量每块试件重量，计算抗冲磨参数，并用扫描电镜观测冲磨前后止水试件表面形貌变化。材料磨损率按下式计算：
式中：N为磨损率，单位面积上在单位时间内被磨损的质量； M0为试件冲磨前质量； Mt为历时t小时冲磨后试件的质量；t为试件受冲磨累计历时；S为试件受冲磨面积。
图1 抗冲磨试件设计
Fig.1 Design of abrasion test
利用三种配方材料制作“P型”和“半圆头型”两种阀门顶止水，并研发无缩尺效应的阀门顶止水1∶1切片试验装置[10]，如图2所示，开展不同材料、不同型式顶止水的安装变形、水压变形特性试验研究。
试验装置切片宽度 240 mm，按两个安装螺栓布置，装置压力可达到150 m水头以上，用于试验的顶止水试件见图 3。安装变形试验采用自制的扭力扳手，可实时显示记录安装的扭力值，止水安装分多个阶段加载，水压力作用试验也是水头从低到高逐步进行，止水的变形利用固定相机通过侧面有机玻璃观察窗观测，然后计算机处理得到变形轮廓和变形量。
图2 研发的顶止水1∶1切片试验装置
Fig.2 Design of slice test device for top seal with 1∶1 scale
图3 顶止水试件
Fig.3 Specimens of top seals of valves
利用邵尔硬度计测试了三种止水材料的硬度，每种材料试件测试3个不同位置，取平均值，测试结果见表 1，三种配方止水平均硬度差异明显，配方1～配方3由软到硬，处于三个基本等差的硬度级，分别为 60±5、70±5、80±5。
利用万能试验机进行止水材料抗拉和抗压试验[11]，获得不同配方材料的应力-应变关系见图4。止水橡胶材料本构关系体现出明显的非线性特性，变形模量变化与硬度基本对应，随硬度增大，变形模量逐渐增大。
表1 止水材料硬度
Table 1 Hardness of different top seal materials
图4 不同配方材料应力-应变关系
Fig.4 Stress-strain relationship of different top seal materials
按上述的抗冲磨试验方法制作试件，三种配方试件在相同冲磨条件下连续冲磨48 h，重复进行3组相同的试验，称量试件冲磨前后的重量，计算平均失重、蚀损率和抗冲磨强度。平均抗冲磨参数见表 2，可以看出，三种材料磨损量均不大，其中配方3失重相对较大，抗冲磨强度最小，配方2相对略优。采用环境扫描电镜观察三种配方止水材料冲磨前后的表面形貌，如图5～图7所示，可以看出，止水材料初始表面略显粗糙，存在随机分布的一些细小微粒，表面不是非常光滑平整，在冲磨48 h后，三种配方止水表面发生较大变化，均出现一定程度的蚀损，表现出较为规则的鱼鳞状或波纹状蚀损形貌，但三种配方材料之间蚀损特征存在一定的差异，配方1材料偏软，韧性较大，磨损破坏形貌较为粗糙，随着材料硬度的增大，材料的脆性增大，冲磨后材料表面越光滑，同时蚀损程度增大。综合抗冲磨强度和蚀损破坏形貌，配方2材料相对较优。
表2 平均抗冲磨参数
Table.2 Average abrasion resistance parameters
图5 配方一止水材料冲磨前后表面微观形貌对比
Fig.5 SEM comparison of top seal of HC1 before and after abrasion
图6 配方二止水材料冲磨前后表面微观形貌对比
Fig.6 SEM comparison of top seal of HC2 before and after abrasion
图7 配方三止水材料冲磨前后表面微观形貌对比
Fig.7 SEM comparison of top seal of HC3 before and after abrasion
首先考察不同配方顶止水的安装变形特性，包括两种初始状态安装试验，其一是安装前止水与胸墙相贴，主要考察止水与胸墙间的挤压变形，其二是安装前止水与门楣之间留有一定初始间隙，主要考察安装荷载下止水头部的自由伸长量。
各止水试件安装施加荷载的过程完全一致，分多个阶段进行，每达到一定安装荷载后，观测止水的变形。止水与门楣无初始间隙情况，在相同的安装荷载(145.4 N·m)下，三种配方半圆头型式止水的变形见图8，很明显，配方1变形最大，在压板压缩下，止水头部向外凸起变形，配方2变形适中，配方3变形最小，几乎没有发生变形；止水与门楣有初始间隙情况，不同配方材料“半圆头型”止水头部的伸长量随安装荷载的变化见图 9，止水的变形随安装荷载的增大而逐渐增大，近似线性关系，三种配方的变形规律同前，配方1变形最大，配方2适中，配方3最小，总体上反映了材料的变形模量差异，145.4 N·m安装扭矩作用下，止水头部的伸长量分别为2.6 mm、1.5 mm和0.7 mm。总体上看，随着安装荷载的增大，止水的变形逐渐增大，反映了不同材料性能的差异。材料过软变形偏大，材料过硬变形偏小，对止水密封效果均不利，配方2变形适中、相对较优。
图8 相同安装荷载下不同材料试件变形轮廓
Fig.8 Deformation shapes of different material specimens under same installation load
图9 不同材料试件变形与安装荷载的关系
Fig.9 Relationship between deformation and installation load for specimens of different materials
以配方2材料为基础，进行不同止水型式的水压力作用变形特性研究，包括“P型”止水和“半圆头型”止水，其中“P型”止水又包括正向安装和反向安装两种方式。止水与胸墙间预留初始间隙，模拟阀门开启过程中的初始小开度状态，在止水上下游压差作用下，止水与胸墙间窄缝发生高速射流空化，随着水头的增大，空化逐渐增强。
以“半圆头型”止水为例，在0 m、10 m、20 m、30 m、40 m和50 m水头作用下其变形如图10所示，可以直观看出，随着作用水头的逐渐增大，止水逐渐向胸墙方向变形(右下方向)，二者间距逐渐减小。通过图像处理，获得不同型式止水在各级水压力荷载下的变形轮廓见图11，各种型式顶止水在水压力作用下表现出基本一致的变形趋势，其中“半圆头型”止水和“P型”反装止水水头增大到50 m水柱，仍然保持稳定的缝隙射流，而“P型”正装止水在水头达到 30 m水柱时已经密封，三种型式止水变形与作用水头的关系见图 12，可以清晰看出，“P型”正装的止水变形最大，明显大于“半圆头型”和“P型”反装止水，而这两种型式变形规律较为接近，说明“P型”止水反装优于正装，但“P型”止水存在结构的应力集中问题，“半圆头型”止水在结构上具有一定优势。
图10 不同水压力下“半圆头型”顶止水变形
Fig.10 Deformation of semicircle head type top seal under different water heads
图11 不同水压力下止水的变形轮廓
Fig.11 Deformation shapes of different types of top seal under different water heads
图12 止水变形量与作用水头的关系
Fig.12 Relationship between deformation of different types of top seal and water head
配方2半圆头型止水在50 m水柱压力作用下变形 4.3 mm，再考虑安装变形 1.5 mm，阀门在挡水时总体向下游变形约 2 mm，则止水在挡水工况下总的变形将超过 7 mm，因此，在止水安装时可考虑预留一定初始间距，以减小止水的压缩变形，降低止水应力，有利于延长使用寿命。
针对高水头船闸阀门顶止水破坏的主要影响因素，提出三种止水材料配方，制作不同形式阀门顶止水试件，进行了顶止水抗冲磨性能和变形特性试验研究，得到以下结论：
(1) 在设计的相同试验条件下，不同止水材料水下棱石法抗冲磨试验表明，止水表面冲磨破坏呈现波纹状特征，随材料硬度增大，止水表面冲磨趋于光滑，抗冲磨性能降低；
(2) 研发阀门顶止水1∶1切片试验装置，不同顶止水安装变形及不同水头压力变形试验研究表明，随着安装荷载或水头差的增大，止水变形近似线性增大，配方2半圆头型止水相对较优；
(3) 在高水头作用下，止水变形较大，加之止水安装压缩变形、阀门变形等因素，建议在止水现场安装时适当预留间距，以降低止水变形和应力。
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TEST ON ABRASION RESISTANCE AND DEFORMATION CHARACTERISTICS OF THE TOP SEAL OF HIGH-HEAD VALVES
WANG Xin1,2, HU Ya-an1,2, YAN Xiu-jun1,2
(1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China;2. Key Laboratory of Navigation Structures, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)
Abstract:In terms of main effective factors of the damage issue of the top seal of high-head valves, three kinds of material formulas are proposed. A test method with the same test condition for all test specimens was designed.The underwater stone method was employed to carry out the abrasion resistance performance test. A 1∶1 scale slice test device was created and test specimens of different types of top seals were made. The test study on the deformation of top seals under fixing and different water heads was carried out. The study indicated that the damage feature of the top seal surface shows the wave style, and the larger the top seal hardness is, the smoother is the surface abrasion. Formula No.2 is relatively better. The deformation of the top seal increases linearly with the increase of the installation load and the water head. The top seal of semicircle head type is relatively better among all the top seals involved in the test. As the deformation of the top seal is large under high water head,some gap between the top seal and the breast wall is recommended when the top seal is installed to reduce its compression deformation and stress.
Key words:high-head ship lock; valve; top seal; material performance; slice test
中图分类号：U641.1
文献标志码：A
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2017.05.S015
文章编号：1000-4750(2018)Suppl-0349-06
收稿日期：2017-05-05；修改日期：2017-11-29
基金项目：国家自然科学基金项目(51479124，51779151)
通讯作者：王 新(1983―)，男，江苏人，青年教授，博士，从事通航建筑物研究(E-mail: xwang@nhri.cn).
作者简介：胡亚安(1965―)，男，湖北人，教授，博士，从事通航水力学研究(E-mail: yahu@nhri.cn).
严秀俊(1971―)，男，江苏人，教授，学士，从事通航水力学研究(E-mail: xjyan@nhri.cn).