平面鋼閘門運行期主要問題及處理措施

(安徽省水利水電勘測設計院工程質量檢測所，安徽 合肥 230002)

閘門是水工建筑物主要的組成部分，其運行情況關系到整個樞紐工程建筑物的安全，工程綜合效益的充分發揮，以及下游城鄉居民的安危。所以保證閘門安全可靠的運行是重要且具有實際效益的技術課題。

平面鋼閘門因其結構簡單，制造、安裝復雜程度低，操作、維護方便且有互換性等優點，使其成為應用最為廣泛的閘門型式之一。本文介紹的平面鋼閘門，是針對應用于河道節制閘、水庫或泵站進、出水孔口上的低水頭(H<25m)直升式定輪(滑動)閘門。

1 平面鋼閘門典型結構

按照構件布置的作用，閘門門葉結構主要由面板、梁格、縱橫向聯結系、吊耳、行走支承和止水等部分組成。其中梁格指主梁、邊梁及次梁組合的門葉骨架，縱橫向聯結系指增加門葉剛度的實腹隔板、桁架等。而閘門系統除直接用于封堵孔口的門葉外，還包括用以傳力、導向、封水的門槽埋固件和啟閉設備。

2 運行期間存在的主要問題及原因

根據閘門的運行工況、結構部件的破壞型式與性質分析，平面鋼閘門(以下簡稱“閘門”)運行期間存在以下幾個主要問題。

2.1 閘門啟閉卡阻或墜落

閘門在啟閉過程中，除門重外,還有支承的摩擦阻力、止水摩擦阻力、下吸力、門頂的水注重或加重塊、持住力和門底上托力等。

因此，閘門在實際運行過程中會出現啟閉力增大,甚至超過啟閉設備的荷載極限,使閘門在門槽內發生卡阻或制動，異常情況下甚至會拉斷鋼絲繩或壓潰吊耳，造成閘門墜落的情況。

2.1.1 行走支承腐蝕

圖1 支承滑塊踏面腐蝕

閘門運行多年后，滑動支承的主滑塊踏面會磨損和腐蝕，嚴重的則呈麻面狀，見圖1，致使支承接觸行走時摩擦阻力增大；定輪閘門的主滾輪會因輪軸與軸套間配合間隙被腐蝕層充填而轉動不靈活或無法轉動，使得滾動支承變成滑動支承，從而使接觸摩擦系數增大。其中滾輪支承的滯動現象最為常見。閘門滾輪軸通常設計為40Cr鍛件，盡管軸表面鍍有50～100μm鉻層用以防腐蝕，但只有當鍍層致密無孔隙時才能對基體產生保護作用。而鉻層鍍覆時，會存在一定密度的針孔，鉻層脆性較大，當局部處受到壓縮或沖擊時，極易發生裂紋。在這種情況下，滾輪軸接觸到水分即會通過鉻層孔隙，滲到基體金屬表面，產生陽極腐蝕而生成鐵銹，并通過鉻層的孔隙溢出表面，形成蝕點。隨著時間的延續，蝕點不斷擴大、集聚，直至遍及整個工件表面，膨脹填充在軸套與軸間縫隙里，一定程度或完全限制了滾輪軸轉動狀態。

2.1.2 梁格內泥沙淤積

電站、水庫深孔工作門，為便于止水設置多采用上游一側布置梁格，由于使用功能的需要，閘門孔口底坎位置較低，加之孔口封水不能完全密閉，致使庫區大水面的泥沙順走勢匯聚于門前，沉積在主梁腹板和兩側邊柱間內倉。加重了門體自重，一定程度上約束了部分內置滾輪的轉動，使得行走摩阻力增大，造成閘門開啟時瞬時荷載陡升，因超限保護而無法正常運行。在特定工況下(高水位差、水位變化區鋼絲繩銹損、無超限保護等)甚至會發生鋼絲繩拉斷而閘門墜落的情況。

2.1.3 門槽內雜物卡塞

開敞式孔口采用的露頂平面鋼閘門，其邊梁內置或懸臂式裝配的支承均需行走在結合部位的門槽主、反軌上，由于門槽頂端無遮蔽設施或不便設施遮擋，上部結構施工時，極易造成散落混凝土固結在軌道工作面或主滾輪外露踏面上，破壞軌道工作面的平面度或阻止滾輪轉動；施工掉落的砌體邊角棄料或其他人為拋扔的石塊卡塞在門體與門槽側墻間，使得門槽左、右側安全限位間隙偏向一側，閘門啟升時，產生楔緊塊效用而將閘門卡死在門槽內。

此外，閘門安裝時，門體放入門槽后，為方便底部閘孔間其他施工通行，閘門需保持一定開度，但上部啟閉設備未連接或已連接，為防止隨意操作，往往會在門底門槽內支頂木樁或型鋼。汛期施工時，一旦圍堰漫頂或破口，就會造成閘門無法關閉。

除上述幾點外，對雙向封水的閘門而言，為實現完全密閉的要求，止水橡膠與止水座面采用了過大的預壓量(>3.0mm)，也會增大閘門啟閉時的摩擦阻力；門葉底緣形式設計不當，閘門啟閉時，傾斜面上就會出現負壓，而產生很大的下吸力；閘門門葉的扭曲及支承踏面的平面度超出極限偏差時，加之配合處其他部位偏差的累計，也可能會造成閘門振動或運行卡頓。

2.2 門葉及構件局部腐蝕

水利工程用平面鋼閘門，其空間構架的不同部位構件，所處環境條件和保養條件均不盡相同，根據大量的金屬結構安全檢測實例來看，閘門后期運行的不同階段，門葉及構件腐蝕程度及分布位置存在明顯差異。運行10年及以上的鋼閘門，會充分顯現不同的使用工況和腐蝕狀態，普遍腐蝕的情況較少，多為局部腐蝕，主要發生在主梁與邊柱梁后翼板內側、腹板以及門葉底緣部位、面板水位變化區等。產生局部腐蝕的原因有以下幾點：

2.2.1 構件表面防腐蝕質量不足

目前，水工鋼閘門防腐蝕措施通常包括：基體表面預處理、金屬熱噴涂、涂料涂裝(封閉)等。其中涂層系統的選配則根據閘門的使用工況和環境條件來確定。

在平面鋼閘門結構中，除面板外，因梁格及聯結系的布置，會形成很多窄小、隱蔽部位，如：邊柱梁內倉、主梁及次梁后翼板內側面等。在閘門制造階段防腐蝕處理時，由于其結構空間相對窄小，約束了作業條件，就會造成母材表面預處理(除銹等級、粗糙度)不足，使得基體金屬涂層厚度及結合強度難以保證。根據金屬涂層的防腐蝕機理，該部位受電化學反應作用周期會明顯縮短；同時涂層與基體間結合狀態不好，容易產生剝離、開裂現象，這些誘因都會導致防腐蝕涂層對金屬基體保護過早失效，而產生破壞性局部腐蝕。

2.2.2 運行工況與環境條件影響

深孔工作閘門或潛孔式閘門，過閘水流流速較快，通過門槽時，流態突變；小開度時，閘門底緣瞬時產生的急速水流；或側止水因滲漏產生的急速水流，在狹窄、圍擋的空間內極易對邊柱梁、底梁等構件產生空蝕或沖蝕，加速構件的局部腐蝕。

此外，閘門部分區域構件(如：露頂式閘門面板、主梁上界面、門葉底緣水平次梁上凹槽等)常處于干濕交替環境條件下，在這種環境中,涂層水解程度較全浸環境中更高,且干燥過程中氧的補充加速了陰極區的反應,促進了金屬基體的腐蝕,使得涂層附著力變差。另外,在干濕交替循環作用下,由于涂層與基體漲縮不一致引起的內應力也加速了涂層的劣化過程。其次，水質環境較差(如：氯離子、硫酸根離子含量超標)，也會加劇影響區構件的腐蝕。

2.2.3 后期維護、保養措施不足

水工金屬結構運行管理規程規定，鋼閘門應定期進行外觀和性能狀態檢查。對涂層破壞部位及腐蝕構件進行修復或補強，但實際處理措施往往過于粗略簡單，有些部位構件也難以進行維護。主要表現在以下幾個方面：

a.破壞的防腐蝕涂層清理方式不當。實際維護工作中，經常只是使用鋼絲刷或砂輪機人工進行簡單清理，表面質量很難達到涂裝要求，致使補刷后的涂層在短期內就產生龜裂、剝落現象。應該分不同的情形，對涂層破壞部位進行清理。

b.涂層材料選配不適合。從實地檢查來看，中小型工程所設平面鋼閘門，多采用防銹漆或磁漆對原涂層破壞區進行修補，然而不是所有的油漆系統都是等效的，所以會造成修補后使用周期短、效果差。

2.3 閘門局部漏水

閘門在承受設計水頭的壓力時，通過任意1m長的水封范圍內漏水速度不應超過0.1L/s。其中，電站和泵站進水口檢修閘門對此要求則更為嚴格。但實際運行中，各種使用功能的閘門存在不同程度漏水現象普遍，主要有以下幾個原因：

2.3.1 止水橡膠老損、變形

水工平面鋼閘門，多采用柔性(橡膠)水封，由于此類材料的特性，隨著使用時間延長、環境侵蝕會正常老化，長期承受高水壓封閉的橡膠工作面彈性會明顯降低，且解除壓力后將形成塑性變形，削弱橡膠水封的止水壓縮量。

橡膠水封是作用在門槽軌道、門楣工作面上的，門楣處水封預壓量過大、門楣與軌道間連接焊縫未磨平或有銳邊、錯位，閘門啟閉時極易產生撕裂。

2.3.2 橡膠止水面預壓量不足

止水座面、橡膠止水面平面度公差較大(>2.0mm)，工作水位偏低，橡膠老化、彈性壓縮性能降低等，這些技術條件和環境條件單獨或疊加存在都可能導致橡膠止水面預壓量滿足不了止水封閉要求。

2.3.3 滾輪軸裝配間隙滲漏

在閘門側止水設計布置于邊梁后翼板上的情形下，易發生滾輪軸裝配間隙滲漏而形成該部位滲漏的原因是軸與軸孔的配合精度不符合要求，見圖2。熱加工的閘門，其鏜制的軸孔在應力重新分布后，一側兩端軸孔同軸度就會產生變化，不易裝配(拆卸)，所以就會用間隙配合取代過度配合來實現基本組裝，而這個裝配間隙卻成了高壓水流的滲漏通道。

圖2 滾輪軸間隙滲漏

2.4 構件間連接焊縫斷裂

焊縫及其熱影響區與母材相比，其斷裂韌度較低，而閘門的水平向遭受異常沖擊或振動就會造成焊縫金屬斷裂。如：排澇泵站抽排突然停機后，前池水流流速急劇變化，引起涵洞內壓強發生大幅度交替升降，而產生水擊；深孔泄洪洞工作門泄水時，閘門快速關閉后，同樣原理產生的水錘撞擊閘門并引起門葉強烈振動。

3 處理措施及建議

就上述閘門運行期產生的主要問題，提出以下幾點處理措施或建議：

3.1 減小閘門啟閉時非正常摩阻力

3.1.1 更換銹損行走支承

銹損滑塊不宜修復再使用,更換的滑塊宜使用耐磨抗腐蝕新型復合材質(如鋼基或銅基復合板、鑄造油尼龍等)；拆卸轉動不靈活的主滾輪，對主軸破壞鉻層進行表面處理后重新鍍鉻封閉，磨損的軸套應更新，宜采用銅基鑲嵌(球墨潤滑)的襯套，恢復閘門行走支承的正常功能。

3.1.2 清除梁格內沉積泥沙

深孔口上、下游端分別設置進、出口工作門，利用兩者間的交替使用，定期進行沖沙、清淤，進水口工作門應定期進行孔口水面清理、維護。

3.1.3 清理門槽內雜物及施工支護

開敞式閘孔應常態化巡檢閘門槽，條件允許的情況下，可不定期進行全行程或短行程啟閉運行，以查驗門槽工作區是否正常。如發現卡塞物，應及時清理。

閘門投入使用前，在上部結構施工結束后，應全面清理門槽內雜物、軌道工作面及滾輪支承上附著物；施工或檢修期間，閘門臨時開度的支護應設置在門槽外一定的安全距離，且應綁扎牽引繩索，以保證異常情況下，支護裝置可以撤出，孔口可及時封閉。建議露頂式閘門門頂或門槽頂端應設置活動式遮擋蓋板，防止墜物卡塞。

此外，在不影響使用功能的情況下，合理調整橡膠止水的預壓量、完善門葉底緣的結構布置型式。

3.2 合理補強閘門構件再防腐

3.2.1 正確選用表面處理方式

?對基體采用涂料涂裝進行防腐的，其破壞區域涂層應清理至基體，面積不大于0.5m2且分散分布的區域可采用手工除銹；對于單個破壞面積大于0.5m2或密集成片的，應采用噴砂或噴丸處理，上述兩種處理方法均要保證表面粗糙度不小于50μm。

?在基體采用復合涂層(金屬層+漆膜)防腐的情況下，如果涂層破壞區域金屬涂層發生鼓起、剝離或浸出蝕點，則應按上述措施和規范要求，對基體表面進行處理與修復，如果只是封閉漆膜破壞的，要在此基礎上擴大一定面積。清除干凈殘留漆膜，露出完整的金屬涂層即可。

3.2.2 合理選配防腐蝕涂料

涂層破壞區域應遵循原設計對涂料結構層的油漆種類、層數的要求進行再防腐涂裝。無原設計文件或無據可查的，要區分待修復構件所處的環境(水上、水下、水位變化區及水質、底質性質)分別選配涂料系統。但值得注意的是，淡水中的鋼閘門構件，選擇涂料再防腐時，均應選配環氧富鋅類底漆。

3.3 改善閘門構件防腐蝕條件

3.3.1 事前控制閘門防腐蝕質量

為減少或延緩閘門產生腐蝕，需加強制造階段閘門防腐蝕質量控制，保證其符合設計及規范要求。其中，對由于施工條件所限而造成的金屬涂層局部厚度偏薄部位，應使用性能相近的涂料進行補強；涂料涂裝的，應嚴格控制涂層的針孔率，發現針孔數應小于檢查總數的20%，并用砂紙或砂輪機打磨補涂。

3.3.2 減少產生局部腐蝕的條件

根據閘門重要性和運行水頭，合理設計底檻、門槽型式，改善孔道的水力學條件；調整閘門止水零部件安裝精度，消除因縫隙滲漏而產生急速水流，在一定程度上可消除空蝕或氣蝕發生的條件。再者，合理布置主梁腹板漏水孔型式，以利于其上界面集水及時排泄，避免產生干濕交替的條件。

3.4 修復閘門漏水

除橡膠水封破損、嚴重變形需按要求更換、重新安裝外，對于工作面預壓量不足或分布不均勻的，可通過調整止水螺栓的擰距來調整止水面形態，使之與止水座面充分貼合、預壓；支承滾輪軸部位有止水要求的，在軸帽內側可加設封水橡膠墊板，見圖3；發現水封與座面間有雜物的，要及時清理。這些均可減少或消除閘門的縫隙滲漏。

圖3 滾輪軸端部止水裝置

3.5 保護閘門焊縫的完整性

合理調度運行、改善閘門孔口附近調壓井的型式和規格，以降低運行過程中涵洞內水流產生水擊或水錘的壓強值，削弱其對閘門焊縫的破壞影響。

為增強焊縫抵抗外力或應力破壞的能力，應減少施焊階段焊縫的返工次數(碳素結構鋼不宜超過2次)，以降低焊縫熱影響區的冷裂紋和延遲裂紋產生的隱患，避免加劇焊縫組織的均勻性和力學性能的下降；對焊縫及其周圍部分進行局部回火消除焊接殘余應力；對焊縫明顯咬邊、未焊滿、端部缺口要補焊填滿且平緩過度，消除焊縫及影響區的應力集中現象。

4 結 語

水工平面鋼閘門在實際運行中產生的問題是多樣且復雜的，其中腐蝕、變形是影響閘門正常使用的兩種主要破壞型式。對于不同的工況條件和維護水平，上述相關問題及其影響程度會存在很大差異。

為提高閘門使用的耐久性和可靠性，應對制造階段的組裝、焊接、防腐蝕質量，安裝階段的各部位結構件的形位公差或偏差、試運行狀態等內容進行嚴格控制、檢驗和驗收；運行中要定期檢查、及時科學地維護、檢修閘門。