閘門結(jié)構(gòu)可靠性分析與設計

林 良,廖 君（.溫州澤雅水庫管理站,浙江 溫州 3503；.浙江同濟科技職業(yè)學院,杭州 33）

閘門結(jié)構(gòu)可靠性分析與設計

林 良1,廖 君2
（1.溫州澤雅水庫管理站,浙江 溫州 325023；2.浙江同濟科技職業(yè)學院,杭州 311231）

摘 要：由于閘門工作環(huán)境的特殊性，使得閘門結(jié)構(gòu)設計涉及的因素很多；結(jié)合工程實例的具體情況，分析了閘門破壞事故產(chǎn)生的原因，對閘門結(jié)構(gòu)進行了可靠性分析和設計改進；在此基礎上，提出了閘門結(jié)構(gòu)設計時應注意的因素。

關鍵詞：閘門；結(jié)構(gòu)設計；可靠性分析

1 前言

閘門結(jié)構(gòu)設計的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)布置、荷載分析、內(nèi)力計算以及應力計算等。單純由于閘門結(jié)構(gòu)強度不足而引起閘門破壞的事故實例比較少見，多數(shù)事故是伴隨著其他因素的作用而產(chǎn)生的，如運行時出現(xiàn)了較大的動力荷載、制造材質(zhì)質(zhì)量低劣、工藝水平較低等。本文結(jié)合工程實例，分析了由于閘門的結(jié)構(gòu)設計方面缺陷而引起的事故，并結(jié)合實際進行了改進。

2 分洪閘弧形閘門破壞事故

2.1 工程簡介

該分洪閘是水流改道工程中的大型水閘，水閘計23孔，分設有10m×5m-5m弧形閘門，1＃～11＃孔為預應力鋼筋混凝土弧形閘門，12＃～23＃孔為鋼筋混凝土薄殼弧形閘門。均選用QPQ2×75kN卷揚啟閉機，按一機啟動3扇閘門的方式配置（其中10＃、11＃孔為一機啟兩門）。平時閘門操作頻繁，事故發(fā)生前經(jīng)受的最大水頭為3.98m。

薄殼弧形閘門的結(jié)構(gòu)型式比較復雜，鋼筋混凝土斜支臂的上下兩根肢桿支撐著上下兩根橫梁，擋水面板在橫梁之間為帶肋筒殼，在上橫梁以上為加肋板。計算筒殼時，縱向簡化為雙懸臂梁，按材料力學公式計算其縱向應力；橫向采用折板代替圓弧筒殼，兩邊固定在上下橫梁處，用力矩分配法計算橫向彎矩及應力。計算結(jié)果，縱向拉應力及主拉應力均小于4.2MPa。據(jù)此，設計上采用板厚50mm，截面中央配一層φ4mm鋼筋網(wǎng)。

2.2 事故概況

某日，上、下游水位分別為3.02m、- 0.85m，管理人員看到水漫門頂后，即啟動15＃～20＃諸孔閘門泄水，約2min后(閘門開度約0.4m)，15＃門葉殼面突然穿洞射水，同時發(fā)出很大的響聲，工作橋振動強烈，橋上啟閉鋼索跳動不已，幅度達到200mm左右。管理人員慌忙停機，幾分鐘后，其他人員聞聲趕來，打開全部閘門。在啟門過程中，由于振動強烈，12＃、13＃、14＃、15＃及16＃諸門葉殼面均被振破，穿洞射水。孔洞均位于門葉中央偏下方，面積均在lO㎡以上，典型的破壞情況如16＃閘門門葉，見圖1。門葉骨架基本完好，部分橫隔板、拱肋、下橫梁及支臂豎桿雖有裂縫，但不嚴重。

2.3 事故分析和處理

破壞原因是由于筒殼部分強度不夠引起的。設計中結(jié)構(gòu)計算方法過于簡化，不能真實反映筒殼的受力情況，且配筋量太小，布筋也不盡合理。在筒殼和上下橫梁及橫隔板交接處，應力情況比較復雜，一般都需要特別加強處理，而設計中并未予以重視。因此在閘門投入運行后不久，在筒殼的四周便出現(xiàn)了密集的裂縫，典型情況如18＃閘門門葉，見圖2。有的裂縫貫穿殼面，下游可見濕痕，這些裂縫一旦遇到強烈振動，極易破碎崩潰，這是原因之一。

其次是塘尾分洪閘在閘門小開度泄水時，下游形成淹沒水躍，漩滾直接沖擊門葉，產(chǎn)生了很大的動水作用力，激起門葉振動，促使已經(jīng)開裂的筒殼面板發(fā)生破壞。

事故后，把12＃～23＃諸孔門葉的筒殼面板全部改為鋼絲水泥網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在中央處增設兩道橫隔板以加強筒殼穩(wěn)定性。對所有裂縫作了適當修補，并改善了底止水及底緣形式。

閘門修復后運行多年，情況良好。

3 水庫溢洪道弧形閘門破壞事故

3.1 工程簡介

該水庫的溢洪道共計5孔，采用雙扉式閘門，其布置見圖3。下扉為10m×9m - 13m潛沒式弧形閘門，實腹式雙主橫梁、斜支臂焊接結(jié)構(gòu)，球形鉸。上扉為10m×4m -4m露頂式弧面定輪閘門，實腹式雙主橫梁，用2×375kN弧形門啟閉機操作。閘門的操作程序是：開門時先提升下扉，當開度達到7,5m左右時，下扉的吊座接觸到上扉的底部，隨后便連同上扉一起上升。關門時則相反。上扉猶如活動胸墻。

溢洪道建成后，由于水庫庫容較小，故運用比較頻繁，且閘門大都在局部開啟條件下運行。閘門發(fā)生事故前，每孔閘門的開門泄水累計總時數(shù)均在10000h以上。如5＃門在事故前曾操作587次，運行10480h，3＃門則更多，操作次數(shù)達961次。

3.2 事故概況

（1）某日，溢洪道門前水頭12 .76m，當5＃門提升到0.76m時，突然一聲巨響，弧形閘門右支臂上下肢桿在中部(離主橫梁連接點約3.5m)向下彎曲，左支臂隨之扭曲破壞。左右兩支臂與支鉸相連的螺栓全部拉斷，兩個吊座從門葉上撕下，門葉翻轉(zhuǎn)，連同支臂被水流沖到下游。事后檢查發(fā)現(xiàn)支承牛腿的混凝土表面有裂縫；上扉閘門的右下角變形，向上游位移約10cm。

（2）某日，庫水位與門頂齊平，并仍在繼續(xù)上漲，乃開門泄洪。先提2＃門，開度0.5m。接著提升3＃門，當開到0.34m時，突然一聲巨響，弧形閘門右支臂在離主橫梁約3.5m處，上、下肢桿向下彎曲、斷裂，隨之左支臂上、下肢桿也在離主橫梁約3m處分別向上、向下彎折。左支臂與支鉸的6個連接螺栓拉斷5個，殘留的一個螺栓將一截肢桿掛在牛腿上。右支臂與支鉸的連接螺栓全部拉斷，門葉連同支臂被水流沖到下游。啟閉機卷筒上的鋼絲繩壓板受鋼絲繩牽動，轉(zhuǎn)向90度，鋼絲繩被拉斷后隨門葉沖走。左、右牛腿均有深度不大的裂紋。上扉閘門左下角，距閘墩0.8m處，向上游方向凸出100mm左右，變形范圍約300mm。

3.3 事故分析及處理

事故的主要原因是支臂強度不足。經(jīng)核算，僅靜水壓力一項，支臂應力已達到158.4MPa。支臂肢桿為箱形截面，翼緣板寬300mm（豎直方向），腹板高664mm(水平方向)，在長約9.5m的支臂全長間雖有4根豎撐桿，但斷面過小（為I20工字鋼），且均直接焊接在腹板上，起不到增強支臂在平面內(nèi)穩(wěn)定的作用。閘門局部開啟時，容易產(chǎn)生振動和由此引起的動應力。

其次，失事后對支鉸位置作了量測，3＃、5＃門的左右支鉸不同心、鉸軸偏斜，誤差均已超過了安裝容許值，且是5套閘門中誤差最大的2套，因此對支臂還會產(chǎn)生相當大的安裝應力。

第一次事故后，因未作事故原因分析，僅按原設計圖紙重制了一套新門。第二次事故后，重制3＃門時改進了支臂的結(jié)構(gòu)設計，大幅度提高了支臂結(jié)構(gòu)的強度，同時對其他各孔閘門也更換了支臂。

加固后，運用情況正常。

4 水電站溢流壩弧形閘門破壞事故

4.1 工程簡介

該水電站的溢流壩上設有4孔9m x12m -11.8m弧形閘門，采用實腹式三主橫梁、三肢斜支臂焊接結(jié)構(gòu)，鋼材牌號SS-41。選用固定式卷揚啟閉機操作，門葉構(gòu)造見圖4。靠近電站引水口的44孔為排漂孔，其弧形閘門的頂部附設有排漂小門。

弧形閘門的結(jié)構(gòu)比較單薄，門重37t，按孔口面積計算，單位孔口面積的門重僅0.34t /m2，較一般常見的弧形閘門約輕19%，屬于輕型結(jié)構(gòu)。

4.2 事故概況

建成當年開始蓄水，很快達到正常高水位。隨后一般用3＃門作小開度泄水，調(diào)節(jié)庫水位以維持在120.5m高程，最大開度為0.5m。

4.3 事故分析及處理

事故調(diào)查除現(xiàn)場調(diào)查外，還進行了現(xiàn)場水壓試驗、門葉材質(zhì)分析及結(jié)構(gòu)計算。調(diào)查結(jié)果認為破壞的原因是由于門葉支臂過于單薄，強度不足，在水壓力的作用下失穩(wěn)而破壞。

門葉支臂為三肢桿斜支臂，肢桿節(jié)間連接構(gòu)件只有豎撐桿，整體性差。經(jīng)驗算，按兩端鉸接分析的壓桿長細比分別為λ上肢為208，λ中肢為174，λ下肢為163，均已超過規(guī)范規(guī)定的容許長細比[A]為120。另外，實測到14、28門葉支臂各肢桿均有因構(gòu)件自重而產(chǎn)生的初始撓度10～20mm，這對壓桿設計來說，是一個不容忽視的原因。計算表明，支臂支桿因水壓力而引起的應力，在無初始撓度時為75～80MPa,而有初始撓度時為180～200MPa。

實驗測得門葉支臂肢桿的軸向壓力為59.2 MPa(上肢)及72.6 MPa(下肢)，彎曲壓力為41.6 MPa(上肢)及52.3 MPa(下肢)。按計算規(guī)范核算，其合成應力已超過壓桿容許應力的4.3倍(上肢)及3.5倍(下肢)。

從門葉構(gòu)造上考慮，支臂肢桿間的豎撐作用不大。底部止水為方形，外形不理想，在小開度泄水時，會引起較大的振動。試驗表明，弧形閘門在這種場合，正處于動力不穩(wěn)定區(qū)域。

事故后，對4孔閘門作了全面的改造和加固處理。

5 結(jié)論

結(jié)合工程實例的分析，閘門的結(jié)構(gòu)設計應注意以下幾點：

（1）閘門的結(jié)構(gòu)布置要結(jié)合土建、機械等方面的情況全面考慮，布局要合理，作用力的傳遞途徑要明確，結(jié)構(gòu)的計算圖式要盡可能符合閘門真實的工作狀況。

（2）要充分了解閘門未來的運行工況，對作用在閘門上的各類荷載和力要分析正確，當存在有可能發(fā)生較大而又無法精確估算的作用力，特別是動水作用力時，結(jié)構(gòu)布置和安全度的選取要特別慎重。

（3）閘門結(jié)構(gòu)的各類構(gòu)件都要有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。

（4）結(jié)構(gòu)的節(jié)點布置十分重要，要簡單明快，過分繁瑣復雜的節(jié)點容易引起各構(gòu)件相互牽制，作用力不明確，形變能力低，容易引起應力集中和復雜的應力狀態(tài)，不利于閘門結(jié)構(gòu)的工作。

（5）當套用現(xiàn)成的工程設計或標準設計圖紙時，要對原設計的設計條件和運行要求作深入了解，要盡可能去實地現(xiàn)場考察該閘門的實際制作情況和運行情況，必須杜絕盲目套用設計圖紙的做法。

參考文獻：

[1]范崇仁等.水工鋼結(jié)構(gòu)(第二版)[M].北京:水利電力出版社 ，1988.

[2]劉惟信.機械可靠性設計 [M] .北京: 清華大學出版社，2006

作者簡介：林良（1962-）,浙江溫州人，大專，助理工程師，從事水利工程技術(shù)管理與維護工作。