第九水廠引水隧洞水工金屬結(jié)構(gòu)安全評價與問題處理

周上梯 張曉軍

（北京市密云水庫管理處 101512）

1 工程概況

密云水庫坐落于北京市密云縣境內(nèi)，總庫容43.75億m3，是華北地區(qū)最大的水庫。第九水廠引水隧洞（以下簡稱“引水隧洞”）位于密云水庫九松山副壩以東約1km處，屬北京市第九水廠二期取水工程，洞徑3.5m，洞長3078m，設(shè)計最大日供水能力100萬m3。密云水庫目前為北京唯一地表飲用水源地，引水隧洞作為其主要取水口，承擔(dān)著極其重要的供水任務(wù)。

根據(jù)《水庫大壩安全鑒定辦法》、《水庫大壩安全管理條例》的有關(guān)要求，水庫大壩（包括附屬輸泄水建筑物）6～10年需進(jìn)行安全檢查，引水隧洞于2009年5月18日進(jìn)行停水檢修，工期一個月。主要包括對隧洞水工金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)檢查、安全檢測、綜合評估、問題處理等。

2 檢測情況

引水隧洞水工金屬結(jié)構(gòu)主要由閘門、攔污柵、主洞末端鋼管段、支洞出口平壓系統(tǒng)等四大部分組成，詳細(xì)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 隧洞主要水工金屬結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

2.1 閘門和啟閉機(jī)檢測

引水隧洞進(jìn)口設(shè)有一扇事故檢修門，檢修支洞出口分別設(shè)有一扇檢修門和一扇工作門。

2.1.1 出口工作閘門和啟閉機(jī)

a.閘門外觀檢查。閘門側(cè)導(dǎo)輪多已銹蝕，轉(zhuǎn)動不靈活或不轉(zhuǎn)動；閘門焊縫局部存在少量飛濺物、焊瘤等外觀缺陷；頂止水局部存在輕微漏水現(xiàn)象，閘門運行過程中由于止水橡皮與止水座板摩擦引起閘門劇烈抖動和爬行現(xiàn)象；閘門表面涂層基本完好，整體存在輕微銹蝕，局部有較重或嚴(yán)重銹蝕。銹蝕統(tǒng)計情況見表2。

表2 工作閘門銹蝕情況統(tǒng)計表

b.閘門焊縫超聲波探傷。閘門支臂腹板與翼緣板T形連接焊縫均存在多處未焊透缺陷（缺陷最大當(dāng)量為RL+4dB），但均未超過《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗收規(guī)范》（DL/T5018—2004）的規(guī)定。其余所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在；閘門所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

c.閘門材料檢測。綜合閘門主要部件的化學(xué)成分分析、硬度以及抗拉強(qiáng)度的檢測結(jié)果，可以判定，閘門主要構(gòu)件所使用的材料為碳素鋼Q235。

d.閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力復(fù)核計算與分析。工作閘門是一種典型的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系，由一系列板、殼、梁、桿等構(gòu)件組合而成。正常工作時，閘門所承受荷載將通過各構(gòu)件的相互傳遞來共同承擔(dān)。面板、主橫梁、縱梁、支臂等構(gòu)件將發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、軸向拉壓等組合變形。因此，計算模型的選擇必須考慮到各構(gòu)件的幾何性質(zhì)、變形特征和受力方式以及相互作用關(guān)系等，以正確反映出閘門的整體作用以及各構(gòu)件的實際工作狀態(tài)。根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)形式和受力特點，將閘門面板、主橫梁、縱梁、邊梁、小橫梁、支臂臂桿、支臂垂直腹件離散為板單元，兩支臂間連接桿離散為桿單元，支鉸離散為實體單元。據(jù)此所建立的閘門有限元計算模型如圖1所示，計算模型的節(jié)點總數(shù)為15724個，單元總數(shù)為15234個。計算荷載主要考慮作用于閘門的靜水壓力、自重，閘門設(shè)計水頭為53m。

計算及復(fù)核結(jié)果表明：在設(shè)計水位下，閘門主橫梁、縱梁、邊梁的最大正應(yīng)力和最大折算應(yīng)力均已超過相應(yīng)的容許應(yīng)力值，但范圍均極小，閘門其余構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定均滿足安全運行要求。

圖1 閘門有限元計算模型

e.啟閉機(jī)運行狀況檢測。啟閉機(jī)附屬系統(tǒng)不健全，無負(fù)荷限制裝置，存在安全隱患；供電線路及電氣控制線路布置紊亂，部分護(hù)線套管銹蝕；電動機(jī)絕緣電阻、電流、電壓及溫升均滿足規(guī)范要求，電氣參數(shù)滿足安全運行要求。

f.閘門啟閉力檢測與計算分析。在閘門空載工況下，閘門實測最大啟門力為187.40kN，小于啟閉機(jī)的額定啟門力（500kN）。

2.1.2 進(jìn)口事故閘門和啟閉機(jī)

a.閘門外觀檢查。閘門主輪及連接部位和止水壓板及聯(lián)結(jié)螺栓局部存在一般銹蝕，有分散的銹斑和銹包，止水橡皮存在輕微摩損；閘門拉桿局部存在一般或較重銹蝕，表面有銹跡、銹斑和銹包，局部成片分布，拉桿銷軸有的存在較重銹蝕，表面布滿銹斑和銹包，鏟去可見有密集成片的銹坑，呈麻面狀分布，銹坑深度多為0.5～1mm；閘門表面涂層基本完好，整體輕微銹蝕，局部一般銹蝕。構(gòu)件表面局部有少量分散的銹跡斑、銹包，面板、主橫梁以及邊縱梁后翼緣上有分散的老銹坑，銹坑深度多為1～1.5mm。

b.閘門焊縫超聲波探傷。主橫梁后翼緣板與邊梁后翼緣板連接焊縫有兩處存在超標(biāo)的制造缺陷（未焊透），缺陷最大當(dāng)量為RL+4dB；主橫梁腹板與后翼緣板T形連接焊縫、主橫梁腹板與邊梁腹板T形連接焊縫有三處存在未焊透缺陷（缺陷最大當(dāng)量為RL+5dB），但均未超過規(guī)范《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗收規(guī)范》（DL/T5018—2004）的規(guī)定，其余所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在；閘門所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

c.啟閉機(jī)外觀檢測。啟閉機(jī)減速器低速級左側(cè)齒輪副大齒輪右端面有一齒齒槽下部存在一處孔洞缺陷，缺陷范圍長約40mm、寬約20mm，缺陷最大深度約8mm，表明減速器傳動齒輪副制造質(zhì)量差，存在安全隱患；啟閉機(jī)開式齒輪副大齒輪有一齒齒頂部位存在一處凹陷缺陷，缺陷大小約50mm×15mm×1.50mm（長×寬×深）；啟閉機(jī)卷筒端面存在多處鑄造孔洞缺陷；啟閉機(jī)定滑輪組右側(cè)滑輪右側(cè)輪緣有一片鑄造縮松缺陷，分布在長400mm、寬250mm的范圍內(nèi)，缺陷最大深度約15mm；啟閉機(jī)減速器存在潤滑油滲漏現(xiàn)象；啟閉機(jī)電氣控制線路布置紊亂。

2.1.3 支洞出口檢修閘門

出口閘門經(jīng)外觀檢查和儀器檢測，未有異常情況。

2.2 第九水廠輸水隧洞進(jìn)口攔污柵

2.2.1 柵體外觀檢查

上游側(cè)攔污柵左側(cè)第二根柵條存在變形，最大變形量約15mm，變形范圍長約700mm，變形位于距頂端約950mm處；柵體反向滑塊有磨損，局部存在銹蝕；攔污柵柵體吊耳輕微銹蝕，水下部位的鋼絲繩亦存在銹蝕，表面有較多的銹蝕斑；攔污柵柵體表面涂層基本完好，整體輕微銹蝕，局部一般銹蝕；柵體梁系構(gòu)件表面有少量分散的銹跡和銹斑，柵條上有少量分散的麻點銹斑，柵條與縱梁及底橫梁的連接部位多處存在銹蝕，有銹斑、銹包和銹皮；柵體構(gòu)件上亦有分散的老銹坑，局部較多，銹坑深度多為 1～1.5mm。

2.2.2 柵體銹蝕量檢測

攔污柵柵體銹蝕量頻數(shù)峰值位于0.60～0.70mm區(qū)間，且銹蝕量主要分布在0.20～0.90mm之間，其頻數(shù)為93.10%。表明攔污柵整體銹蝕狀況較輕；攔污柵柵體各主要構(gòu)件平均銹蝕量為0.45～0.76mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.17～0.21mm。表明攔污柵各主要構(gòu)件銹蝕程度基本相似；攔污柵總體平均銹蝕量為0.63mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.19mm，總體平均銹蝕速率為0.039mm/年，各主要構(gòu)件平均銹蝕速率為0.028～0.048mm/年。

2.2.3 柵體焊縫超聲波探傷

主橫梁腹板對接焊縫有兩處存在超標(biāo)的制造缺陷（未焊透），缺陷最大當(dāng)量為SL+6dB。其余所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在；所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

2.3 主洞出口鋼管段

隧洞主洞末端有51m長金屬管道與引水隧洞連接，樁號為2+852～2+903，原采用防腐漆進(jìn)行處理，2001年漆膜厚度檢測表明涂層厚度小于設(shè)計指標(biāo)。鑒于管道所處的潮濕環(huán)境，采用聚合物水泥砂漿類材料進(jìn)了處理。由于砂漿材料厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了原漆膜厚度，無法采用LAT—B涂層測厚儀進(jìn)行檢測。

根據(jù)實際情況采用對砂漿聚合物表面進(jìn)行觀察、配合敲擊的方法，判斷砂漿防腐層與鋼管壁的結(jié)合程度。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)：砂漿聚合物表面現(xiàn)場密布白色析出物點，用錘敲擊可明顯感覺白點周邊范圍存在空鼓，用鋼釬砸開空鼓區(qū)，有少量滲水流出。砂漿聚合物表面及砸開后情形如圖2所示。

圖2 鋼管段聚合物砂漿防腐層外觀

從檢測結(jié)果分析，底層砂漿與鋼管結(jié)合較好，起到了防銹效果，而表層砂漿與底層砂漿之間出現(xiàn)分離現(xiàn)象，鼓起并產(chǎn)生開裂。應(yīng)對表層砂漿進(jìn)行處理，處理過程中盡量避免對底層防腐砂漿產(chǎn)生破壞。

2.4 充水平壓系統(tǒng)

支洞出口充水平壓系統(tǒng)主要閥件已在2001年全部更換為進(jìn)口優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，實際運行效果比較理想，本次閥件設(shè)備檢查內(nèi)容包括：? 外觀檢測各閥件以及配套附屬零件的銹損狀況；? 通過實際操作檢測各閥件的功能運用靈敏程度、封水效果以及諸項設(shè)計指標(biāo)。經(jīng)過現(xiàn)場檢查和試運行，該系統(tǒng)銹蝕甚微，各部件工作正常，儀表指示準(zhǔn)確。

3 安全評價

3.1 閘門和啟閉機(jī)

為確保輸水隧洞安全運行，根據(jù)《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報廢標(biāo)準(zhǔn)》（SL226—1998）的規(guī)定，出口工作閘門應(yīng)進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)加固處理，其啟閉機(jī)運行狀態(tài)良好，滿足安全運行要求；進(jìn)口事故閘門外觀檢查與焊縫探傷檢測結(jié)果表明：該門可繼續(xù)安全使用，其啟閉機(jī)整體外觀形態(tài)基本完好，零部件齊全，運行狀態(tài)良好，但開式齒輪副大齒輪及卷筒端面亦存在鑄造缺陷；出口檢修閘門和啟閉機(jī)工作正常。

3.2 進(jìn)口攔污柵

攔污柵整體外觀形態(tài)較好，柵體無明顯損傷，焊縫探傷檢測結(jié)果表明：現(xiàn)有攔污柵可繼續(xù)使用。

3.3 出口鋼管段

SPC聚合物水泥砂漿防護(hù)效果良好，但砂漿底層與面層存在分離現(xiàn)象，需進(jìn)行局部修補(bǔ)。

3.4 充水平壓系統(tǒng)

外觀檢查及試運行結(jié)果表明，系統(tǒng)工作正常。

4 工程措施

4.1 出口工作閘門更新

檢測及復(fù)核計算結(jié)果表明：在設(shè)計水位下，出口工作閘門局部最大正應(yīng)力和最大折算應(yīng)力均已超過相應(yīng)的容許應(yīng)力值，需對該門進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)加固處理。結(jié)合頂止水漏水及閘門啟閉過程中產(chǎn)生較強(qiáng)振動的情況，考慮到引水隧洞的重要性，決定對該門實施報廢更新，并對頂止水和門楣埋件進(jìn)行了改進(jìn)。新門安裝完畢后，經(jīng)過試運行檢驗，啟閉平穩(wěn)、工作正常。

4.2 進(jìn)口事故門啟閉機(jī)開式大齒輪更換

進(jìn)口事故門啟閉機(jī)開式大齒輪存在鑄造缺陷，決定更換大齒輪，新齒輪與原舊齒輪尺寸一致，采用熱處理工藝，經(jīng)出廠檢測和現(xiàn)場試運轉(zhuǎn)，質(zhì)量合格，工作正常。

4.3 出口鋼管段防腐表層修復(fù)

采用SPC聚合物水泥砂漿加SPC聚合物涂層綜合處理工藝，對基面進(jìn)行處理后，依次分別涂刷SPC界面劑、SPC聚合物水泥砂漿和SPC聚合物涂層。主要施工方法為：?基面處理：用角磨機(jī)將原基面鑿毛，高壓水沖洗，形成新鮮基面；?抹面施工：先均勻涂刷一道SPC界面劑，用量為0.40～0.60kg/m2，再抹SPC聚合物砂漿，厚度約5mm，最后刮涂SPC聚合物涂層，用量4～5kg/m2，以上三種材料粉料、膠料配比分別為 0.8∶1、6.5∶1 和 2.5∶1；?養(yǎng)護(hù)：SPC聚合物砂漿硬化后，潮濕養(yǎng)護(hù)5～7天。防腐表層修復(fù)后，經(jīng)檢測，SPC聚合物砂漿和涂層在鋼管表面形成致密、彈性、抗?jié)B、抗凍的“薄殼”，具有良好的防護(hù)效果。

4.4 閘門及攔污柵防腐

閘門及攔污柵均為輕度銹蝕，但考慮到隧洞供水的重要性和6～10年才進(jìn)行一次停水檢修的特殊情況，決定對所有閘門攔污柵進(jìn)行防腐。施工工藝采用噴鋅防腐，包括表面預(yù)處理（噴砂除銹）、金屬熱噴涂（選用鋅絲）、涂料保護(hù)（涂層封閉）等三道工序，要求所有施工材料均為環(huán)保產(chǎn)品，不對水源構(gòu)成污染。

5 結(jié)語

第九水廠引水隧洞此次停水檢修情況經(jīng)檢修專家組現(xiàn)場踏勘和分析論證，認(rèn)定隧洞總體安全，經(jīng)局部維修處理后可以正常供水。

水工金屬結(jié)構(gòu)檢測與處理作為此次檢修的一項重要內(nèi)容，項目多、時間緊、任務(wù)重，經(jīng)各方共同努力，終于圓滿完成了各項任務(wù)，同時也積累了不少寶貴經(jīng)驗。在實施過程中，采用了不少先進(jìn)成熟的檢測方法與施工工藝，以高效、環(huán)保、耐久為目標(biāo)開展工作，切實保障了隧洞的工程安全、水質(zhì)安全和供水安全。?