小南川水庫弧形工作鋼閘門安全檢測與評估

趙益佳，曹平周，張 賀，蔡 亮，曾 鵬

(1.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098；2.中建三局工程設計有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引 言

鋼閘門是水利工程的重要組成部分，對水利工程的安全運行有著重要的影響。對于長期服役的鋼閘門來說，進行安全檢測是十分必要的[1]。在設計荷載工況下，鋼閘門的最大應力不應大于材料的容許應力，否則鋼閘門將是不安全的，需要采取相應措施對鋼閘門進行維修、加固，甚至將鋼閘門報廢或者更新[2]。水工金屬結構安全檢測的技術規程SL 101-2014將安全檢測的內容明確為巡視檢查、外觀檢查、啟閉機性能狀態檢測、腐蝕檢測、材料檢測、無損探傷、應力檢測、結構振動檢測、啟閉機檢測、啟閉機考核、水質等特殊項目的檢測和安全復核計算12項內容。強度和剛度是用于評價閘門安全性能的重要指標，閘門的強度和剛度可以通過原型觀測得到，也可以用三維有限元法計算得到。有限元方法采用空間薄壁結構理論，建立的模型能反映閘門的幾何形狀、工作特點，作為原型觀測的有效補充和檢驗手段，可以發揮重要作用[3]。

小南川水庫始建于1979年，1984年7月底建成投入運行至今已30余年。但自投入使用以來從未對弧形工作鋼閘門進行過安全鑒定評估，存在一定安全隱患。本文對小南川水庫弧形工作鋼閘門進行了現場安全檢測，運用有限元軟件ANSYS對弧形工作鋼閘門的受力狀態進行了模擬計算。根據結構應變實測結果與模擬計算結果，對弧形工作鋼閘門的安全狀況進行評價，并提出消除隱患的措施和建議，為主管部門決策提供科學依據，為類似工程提供技術參考。

1 工程概況

青海省小南川水庫是一座攔河兼注入式山區水庫，水庫壩址以上控制流域面積為150 km2，總庫容1 180 萬m3，控制面積0.188 萬hm2，受益總人口達2.7萬余人。水庫投入運行后，于1996年4月動工進行修復，1998年8月完工。2002年6月對小南川水庫進行了加固改造，2004年9月15日進行了竣工驗收。歷次修復工程并未對水庫金屬閘門進行過更換。

弧形工作鋼閘門為小南川水庫孔口的工作閘門，控制孔口的開關，設置在分水閘門的上游，要求在動水條件下啟閉，可部分開啟以控制流量。閘門采用螺桿式啟閉機控制。

2 弧形工作鋼閘門現場安全檢測

2.1 現場安全檢測內容與方法

(1)外觀檢測。外觀檢測主要是通過觀察，借助鋼卷尺、游標卡尺、放大鏡、數碼相機等工具， 對閘門門體、閘門支承及行走裝置、閘門止水裝置及埋件等進行檢查，主要檢查各結構部件的變形、裂縫、損傷、脫落、磨損以及腐蝕等情況[4,5]。

(2)門體材料及尺寸檢測。采用SHE280高精度里氏硬度計對小南川水庫鋼閘門面板及梁系鋼材強度的變化情況進行檢測，評價是否滿足設計和規范對材料的力學性能要求。采用NDT-710超聲波金屬厚度測試儀及游標卡尺對閘門面板厚度、工字梁翼緣及腹板厚度進行抽樣檢測，判斷其是否滿足設計要求。

(3)腐蝕檢測。閘門構件受到腐蝕后，構件截面面積減少，截面應力相應增大，從而容易導致整體結構強度和剛度的下降，縮短閘門的使用壽命。鋼閘門腐蝕狀態檢測，主要是采用NDT-710超聲波金屬厚度測試儀、QUC-200型數顯式磁性測厚儀、深度游標卡尺對閘門的鋼板厚度、涂層厚度和蝕坑深度進行測量。主要目的是確定鋼閘門面板及梁系的蝕余厚度和確定其銹蝕厚度。

(4)焊縫檢測。焊縫檢測和無損探傷的主要目的是檢查焊縫是否存在影響閘門安全和使用的較大缺陷。采用SH610超聲波探傷儀對焊縫進行超聲波探傷檢測，評判焊縫是否出現重大缺陷，焊縫質量及其性能是否能滿足繼續安全運行的要求。

(5)應力檢測。弧形工作鋼閘門為水庫孔口的控制閘門，該閘門在運行過程中的應力狀態關系到下游的安危。閘門應力檢測采用電測方法，采用DH3818靜態應變測試儀進行檢測，通過在閘門構件上黏結電阻應變片來進行檢測數據采集。通過采集數據對弧形工作鋼閘門在設計水位下整個啟閉過程的應力變化進行計算，評價閘門的安全性。

(6)啟閉機性能檢測。啟閉機性能測試通過外觀的檢查和對其運行狀況的測試，檢查各機構、電氣元件及啟閉機的運行狀態。通過反復閘門啟閉操作，觀測啟閉機的運行狀況，采用VC830L數字萬用表、ZC110D-9型絕緣電阻表對這閘門的啟閉機電氣元件進行檢測，采用DT260D型鉗形表對電動啟閉機工作狀態時電流等因素進行檢測，考察是否在額定范圍之內。

2.2 現場安全檢測現象與數據分析

2.2.1 外觀檢測

圖1為弧形工作鋼閘門的外觀形態。鋼閘門的門體無變形、扭曲，形態正常。面板、支臂均無明顯損傷。背水面吊耳、面板、縱梁、橫梁防銹漆脫落嚴重，構件發生腐蝕。在支撐梁與面板的區隔內，淤積一些泥土，該區域結構腐蝕較為嚴重。支臂局部防銹漆發生起皮。在閘門完全關閉后，閘門四周依然會發生局部漏水，底部會出現嚴重的噴水情況。

圖1 弧形工作鋼閘門的外觀形態Fig.1 Appearance form of working steel radial gate

弧形工作鋼閘門支座如圖2所示，支座鋼結構及錨栓防銹漆噴涂不均勻，局部防銹漆未噴到或已經剝落，存在局部起皮和銹蝕；支座錨板形態完好，無變形，附近混凝土存在麻面，但不影響支座的安全性和使用。門槽如圖3所示，門槽表面存在磨損，但不影響正常使用。吊桿如圖4所示，螺桿外部金屬保護殼表面防銹漆發生起皮；吊桿經過涂油處理，狀態良好。但吊耳處防銹漆已經完全剝落，需要進行補漆。

圖2 弧形工作鋼閘門支座Fig.2 The bearing of the working steel radial gate

圖3 弧形工作鋼閘門門槽Fig.3 The portal groove of the working steel radial gate

2.2.2 門體材料及尺寸檢測

鋼材的力學性能會隨時間的推移而發生變化，鋼材的強度是影響鋼閘門承載能力的主要指標之一。本次檢測對弧形工作鋼閘門門體尺寸和支臂尺寸進行量測，弧形工作鋼閘門實測數據見圖5及表1。

圖4 弧形工作鋼閘門吊桿Fig.4 The hanger of the working steel radial gate

圖5 弧形工作鋼閘門尺寸(單位：mm)Fig.5 The size of the working steel radial gate

構件名稱尺寸件數/個平均硬度/HLD抗拉強度/MPa縱梁A1580 mm×300 mm×23 mm×22 mm3466609橫梁A2580 mm×580 mm×25 mm×22 mm2486670輔梁A3100 mm×400 mm×15 mm7--支臂300 mm×400 mm×21.5 mm4427489

對比設計圖紙可知，閘門鋼板由于銹蝕導致的厚度變化很小。弧形工作閘門的設計建造年代為20世紀70年代末，對比設計圖紙可知，閘門鋼板由于銹蝕導致的厚度變化很小，滿足《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程》(SL 101-2014)的要求。

小南川水庫金屬結構設計選用鋼材為鋼3(A3)，性能與現行規范的Q235相當，Q235鋼材的抗拉強度σb在370～500 MPa之間。由表1可知，弧形工作鋼閘門縱梁、橫梁抗拉強度大于500 MPa，支臂抗拉強度處于Q235鋼材的抗拉強度范圍內，故弧形工作鋼閘門材料性能滿足鋼3(A3)的要求。說明歷經30余年的使用，小南川水庫弧形工作鋼閘門金屬結構材料性能變化不大，仍滿足設計要求。

2.2.3 腐蝕檢測

弧形工作鋼閘門背水面不承受水的沖刷作用，根據《水工金屬結構防腐蝕規范》(SL 105-2007)規定，應按照SL105表C-4水下(潮濕)水工金屬結構進行涂裝，底層60 μm，中間層80 μm面層200 μm，漆膜厚度為340 μm[6]。實測中發現縱梁A1、橫梁A2、輔助梁A3防銹涂層剝落嚴重，支臂涂裝厚度為127 μm，未達到設計要求的厚度。并且同一構件上的涂層涂裝厚度差異較大，經過外觀檢查發現一些橫、縱梁的翼緣內表面和腹板變面局部僅噴涂底漆，未噴涂面漆，不能滿足《水工金屬結構防腐蝕規范》(SL 105-2007)的要求。

2.2.4 焊縫檢測

小南川水庫弧形工作鋼閘門設計采用三級質量焊縫。我國規范《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB 50205-2001)以及《水工金屬結構焊接通用技術條件》(SL 36-2016)對三級質量焊縫僅要求進行人工檢查[7-8]。本次檢測對鋼閘門進行了人工檢查，根據人工檢查的情況，結合鋼閘門的特點，對鋼閘門面板對接焊縫采用超聲波探傷進行抽檢，采用鋸齒形掃查。

根據《焊縫無損檢測超聲波檢測技術、檢測等級和評定》(GB/T 11345-2013)繪制DAC曲線，判定線、定量線和評定線的靈敏度按B級質量檢驗等級分別取為-4、-10和-16 dB。現場超聲波探傷，部分抽檢位置發現超出Φ3×40-10 dB當量的缺陷，典型的焊縫超聲波檢測波形如圖7所示。焊縫檢測結果表明，閘門焊縫表觀存在一定缺陷，經超聲波探傷檢測，焊縫內部存在少量缺陷，整條抽檢焊縫上無缺陷密集分布區域，無較嚴重的表觀和內部缺陷，滿足規范《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB 50205-2001)以及《水工金屬結構焊接通用技術條件》(SL 36-2016)對三級焊縫的要求。

圖6 超出對比缺陷的焊縫超聲波檢測波形Fig.6 The wave form exceeding the contrasting on ultrasonic testing of welds

2.2.5 啟閉機性能檢測

弧形工作鋼閘門采用螺桿式啟閉機，為電動、手搖兩用，啟閉機啟閉靈活。配備電動機額定功率為11 kW，工作電壓為380 V。啟閉機表面輕微銹蝕，其他啟閉機傳動系統、滑輪組、吊具等外觀基本完好，均涂油保護，狀態良好。根據檢測數據，經計算弧形工作鋼閘門工作峰值功率為23.9 kW，穩定工作功率為9.12 kW，滿足《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程》(SL 101-2014)對啟閉機的安全使用要求。

3 弧形工作鋼閘門計算分析

根據弧形工作鋼閘門的受力特點和現場條件，在閘門支臂的根部和中部布置3個應變采集點，每個采集點沿閘門支臂縱向在力臂外側一上一下布置兩對應變片，如圖7所示。

圖7 弧形工作鋼閘門應變采集點位置Fig.7 Position of strain acquisition point of the working steel radial gate

3.1 鋼閘門水壓力計算

小南川水庫正常蓄水位高程為2 697 m，弧形工作鋼閘門的門底高程為2 660 m，水頭差Hs0=37 m。根據《水利水電工程鋼閘門設計規范》(SL 74-2013)表D.0.1中計算公式，弧形工作鋼閘門承受水壓力計算公式如下[9]：

上游水平分力：

(1)

式中：Ps為上游水平分力；γ為水的容重；Hs為上游水頭；h為閘門高度(計算到頂止水)；B為孔口寬度。

上游豎直分力：

(2)

式中：Vs為上游垂直分力；R為弧門面板曲率半徑。

下游無對弧形工作鋼閘門的水壓力作用。水壓力合力為：

(3)

圖8和圖9分別為弧形工作鋼閘門完全關閉和開啟角度為α時的尺寸參數，其中支座鉸心高程為2 965.100 m。由圖8和圖9可知：

圖8 弧形工作鋼閘門完全閉合尺寸參數Fig.8 Completely closed size parameters of the working steel radial gate

圖9 閘門開啟角度為α時尺寸參數Fig.9 Size parameters when the angle of the gate opening is α

閘門鋼板由于銹蝕導致的厚度變化很小，相應構件的強度和剛度驗算滿足設計要求。由于門葉的抗彎剛度遠大于單根支臂的抗彎剛度，因此可將支臂簡化為如圖10的受力模型，并且將水壓力沿支臂方向平均分配給四根支臂：N=1/2Pcos7°≈0.25P，進而將支臂簡化為如圖11的計算模型，并利用有限元 分析軟件ANSYS進行計算。表2為支臂模擬計算荷載，其中G法與G切為支臂自重沿支臂法向和切向的分量(限于篇幅，每隔5°給出一組荷載數據)。

圖10 弧門受力模型Fig.10 Arc force model

圖11 支臂計算模型Fig.11 Gate arm model

表2 支臂計算荷載Tab.2 Calculating load of gate arm

3.2 計算結果分析

有限元軟件ANSYS的計算結果如圖12所示。在實測中，考慮下游渠道供水的需求和條件，閘門局部啟閉。圖13為支臂上應變采集點實測值。在實測中，考慮到現場人員和設備的安全以及下游供水的需求，閘門未完全開啟，僅開至10°左右。將實測值與計算值對比，計算值具有良好的擬合性。

通過圖12中的擬合結果可知，閘門從完全關閉(α=0°)至完全開啟(α=35°)的過程中，閘門最大拉應變為13.80 με，出現在下支臂與閘門交界處的上翼緣，此時閘門開啟角度α=32°。閘門支臂上最大的壓應變為138.3 με，對應σ=εgE=28.5 N/mm2

圖12 支臂應變-開啟角度α關系曲線Fig.12 The relationship between the strain and the opening angle α of the arm

圖13 支臂應變采集點實測值Fig.13 The measured value of the strain acquisition point of the arm

3.3 校核洪水位弧形工作鋼閘門應力分析

運用有限元軟件ANSYS建立校核洪水位2 699 m下的弧形工作鋼閘門模型，并對閘門開啟過程中的應力變化進行分析[10-12]，計算結果見圖14(限于篇幅，僅給出開啟角度為0°、20°和35°時的計算結果圖)。《水利水電工程鋼閘門設計規范》(SL 74-2013)規定，閘門抗拉、抗壓、抗彎容許應力為[σ]=150 MPa，局部承壓容許應力[σcd]=240 MPa，在整個啟閉過程中閘門最大彎曲應力為σmax=105 MPa<[σ]，最大局部應力為σcdmax=211 MPa<[σcd]。分析結果表明弧形工作鋼閘門滿足規范《水利水電工程鋼閘門設計規范》(SL 74-2013)對強度的要求。

圖14 校核洪水位下弧形工作鋼閘門啟閉過程中應力變化Fig.14 Stress change during the opening and closing of the arc working steel gate under the flood level

3.4 耳板計算

閘門的設計起閉力為50 t，關門力為20 t，運用有限元軟件ANSYS對該工況下的耳板進行計算，結果見圖15。在起閉狀態下耳板最大應力σmax=62 MPa<[σ] =150 MPa；在關門狀態下，耳板最大應力σmax=25 MPa<[σ] =150 MPa，滿足規范《水利水電工程鋼閘門設計規范》(SL 74-2013)要求。

圖15 弧形工作鋼閘門吊耳應力分析Fig.15 Stress analysis of the working steel radial gate

4 結 語

鋼閘門是水利工程的重要組成部分，對水利工程的安全運行有著重要的影響。對于長期服役的鋼閘門來說，進行安全檢測是十分必要的。經檢測，小南川水庫弧形工作鋼閘門自投入使用30余年來，弧形工作鋼閘門門體形狀完好，整體銹蝕程度不嚴重，止水橡皮嚴重老化，局部缺損；鋼材性能變化不大，焊縫無較嚴重的表觀和內部缺陷，滿足相應規范的要求。弧形工作鋼閘門在完全開啟到完全關閉的過程中，閘門各部分應力均滿足相應規范要求，閘門整體滿足安全使用要求，經過防腐處理和更換止水后可繼續投入使用。

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