趙山渡水電站主槽區弧形泄洪閘門的安全復核

潘巍偉，張曉武

（浙江珊溪水利水電開發股份有限公司，浙江 溫州325300）

0 引言

趙山渡水電站是飛云江干流中游河段珊溪水利樞紐工程的重要組成部分，水庫總庫容3414萬m3，主要建筑物由泄洪閘、河床式電站廠房、左岸及右岸混凝土重力壩、輸水總干渠進水閘等組成。泄洪閘與發電廠房采用空箱隔墩相連接，樁號0+000～閘右0+009為5m，空箱式隔墩寬9.5m，長49.13m，150號鋼筋混凝土澆筑。底板厚3.0～2.0m，兩側200號鋼筋混凝土邊墩厚1.2m。上游部位設2道200號鋼筋混凝土擋水墻，墻頂高程25.5m。主槽區泄洪閘堰頂高程8.5m，閘室段長36.5m。除16號孔左側閘墩厚2.6m外，其余閘墩厚1.8m。閘底板厚度7.5～4.5m，溢流面板厚度1.0m，設弧形鋼閘門，閘門尺寸（寬×高）12m×14m，配液壓式啟閉機2×1000kN。上游護坦長5.1m，厚0.5m，頂高程7.5～4.0m。消力池長40.0m，消力池底板高程3.5m，池深3.0m，底板厚2.0m。下游護坦長20.0m，護坦頂高程6.5m，護坦厚度0.8m。下游海漫長68.0m，海漫頂高程6.5m，海漫厚度0.8m。防沖槽長23.0m，底高程1.0m。

1 問題提出

趙山渡水利樞紐工程是2002年7月通過單位工程驗收，至今已經運行超過17年。泄洪閘是工程的主要金屬結構，關系到防洪安全和發電效益。泄洪閘若存在問題，防洪安全直接受到嚴重影響。同時在豐水期，要降低水位運行，發電效益也明顯降低。經過運行人員的長期觀測記錄，主槽區（10～16號孔）泄洪閘的問題較多，必須作全面的檢測、復核和評估，找出問題，以便提出整改和修復措施，進行下一步的工作。

2 主要技術條件

主槽區泄洪閘閘門運行已有17年，根據SL226-1998《水利水電工程金屬結構報廢標準》，本次主槽區泄洪閘檢測、評估和鑒定使用年限修正系數K取用0.92，應力調整系數取0.95。

（1）材料16Mn鋼允許應力：

[σ]=0.92×0.95×230=201.02N/mm2

[τ]=0.92×0.95×135=117.99N/mm2

（2）梁系容許相對擾度：

（3）閘門為實腹式焊接鋼結構，泄洪閘左側主槽區共設7扇弧形鋼閘門，弧門寬12m，門高14m，底檻高程8.5m，總水壓力本次復核為13247kN。門型為雙主橫梁，斜支臂型主框架，支承采用圓柱鉸。支鉸高程20.5m，側止水采用L型橡皮止水，底止水采用刀型水封。每扇閘門各設2×1000kN雙缸液壓啟閉機1臺。啟門速度0.7m/min，工作行程7.2m。

（4）計算條件：①計算假定：閘門的結構采用平面體系，計算時忽略面板和縱向梁系曲率的影響，按容許應力法進行計算。②計算工況：本次復核泄洪道進口弧形閘門計算工況為上游按100年一遇設計水位22.0m，下游無水，動水啟門瞬間。主要包括以下荷載：閘門自重、在設計水頭下的靜水壓力、在設計水頭下的動水壓力和啟閉力。弧形工作閘門各部件要承受不同程度的動力荷載，依據SL74-2013《水利水電工程鋼閘門設計規范》的規定，動力系數可取K=1.0～1.2。本次復核動力系數取K=1.05，應力調整系數取0.95。

3 技術復核

3.1 閘門面板復核

進行面板驗算時，忽略弧形門面板曲率的影響，按近似平板進行驗算。面板的局部彎曲應力除頂底區格按三邊固定一邊簡支進行計算，其他區格皆按四邊固定的彈性薄板承受均布荷載進行計算。水平次梁（或主梁）與水平次梁為面板區格，編號從上至下分別為1號～16號梁格。

面板厚度δ按下式計算：

式中：

Ky-彈塑性薄板支承長邊中點彎應力系數；

a-彈塑性調整系數，SL74-2013《水利水電工程鋼閘門設計規范》規定，當面板計算區格的長邊與短邊之比b/a＞3時，取a=1.4；當b/a≤3時，取a=1.5；

q-面板計算區格中心的水壓力強度；

[σ]-鋼材的抗彎容許應力，取201.02MPa。

經計算，復核工況下面板各區格所需厚度見表1。

從表1可以看到，面板計算所需最大厚度位于6號區格，δ=10.47mm。原設計面板厚度12mm，本次工程檢測主槽區閘門面板最小蝕余厚度為11.66mm，面板厚度滿足規范要求。

表1 面板各區格所需厚度表

取6號區格計算其折算應力σzh：

式中：

σmy-垂直于主梁軸線方向面板支承長邊的局部彎曲應力；

σmx-面板沿主梁軸線方向的局部彎曲應力，σmx=μσmy，其中μ為泊桑比，取 0.3；

σox-對應于面板驗算點的主梁上翼緣的整體彎曲應力；

[σ]- 抗彎容許應力，取 201.02MPa。

計算得折算應力σzh=201.7MPa＜[σzh]=1.1α[σ]=331.68MPa，式中α為彈塑性調整系數，取1.4，面板強度滿足規范要求。

3.2 主橫梁復核

主橫梁由與面板相貼的前翼緣、腹板和后翼緣組成。根據結構布置計算，上主梁截面為控制截面，選取上主梁進行應力計算。主梁跨中斷面和支座斷面最大應力均發生在啟門瞬間，設計工況下主梁應力成果見表2。由表2可見，跨中斷面前后翼緣最大正應力均小于容許應力[σ]=201.02MPa。設計工況主梁最大剪應力τ=92.5MPa，小于容許剪應力 [τ]=117.99MPa。主梁按受均布荷載的等截面梁計算其最大撓度為0.68cm，小于[f]=[L0/600]=2cm，主梁撓度滿足規范要求。

表2 主橫梁應力計算成果

3.3 支臂復核

經計算，支臂的最不利工況為啟門瞬間，計算成果見表3。由表3可見，支臂在彎矩作用平面外和彎矩作用平面內的最大應力值均小于容許應力[σ]=201.02MPa，因此支臂處于整體穩定狀態。

3.4 主框架復核

弧形閘門實腹式主橫梁的單位剛度與支臂單位剛度的比值K0按下式計算：

K0=（IL0×h）/（Ih×L0）

式中：IL0-框架主橫梁截面慣性矩；

Ih-框架支臂截面慣性矩；

L0-框架主橫梁計算跨度，即主梁中和軸線與支臂軸線交點之間的距離；

h-框架支臂長度，即鉸點至主梁中和軸線的距離。

SL74-2013《水利水電工程鋼閘門設計規范》規定：對斜支臂弧形閘門，K0=3～7；經計算，本閘門K0=5.65，滿足現行規范要求。

3.5 啟閉力復核

根據規范（SL74-2013），啟閉力復核計算采用下列公式計算：

式中：r0、r1、r3、r4- 分別為轉動鉸摩阻力、止水摩阻力、閘門自重、上托力和下吸力對弧型閘門轉動中心的力臂，m；

R1、R2-分別為加重（或下壓力）和啟門力對弧型閘門轉動中心的力臂，m；

nT-摩擦阻力安全系數；

nG-計算閉門力時的閘門自重修正系數；

n′G-計算持住力和啟門力時的閘門自重修正系數；

G-閘門自重，kN；

Gj-加重塊重量，kN；

Px-下吸力，kN；

Pt-上托力，kN；

Tzd-支承摩阻力，kN；

Tzs-止水摩阻力，kN。

經計算，閘門不能依靠自重閉門，閘門開啟所需的啟門力為1865kN，原啟閉機容量為2×1000kN，能滿足要求。

4 結論

經計算和復核，得出如下結論：

（1）閘門不能依靠自重閉門，因此實際運行中閘門增加了鑄鐵及混凝土配重塊250kN，已能滿足閘門下門需要。在閘門相對開度為0.2時，設計工況下閘門所需的持住力為765.6kN。啟門力按靜水水位差為1m計算，閘門開啟所需的啟門力為675kN。原啟閉機容量為2×1000kN，啟閉機容量滿足要求。但是從現場檢測情況來看各孔存在主滾輪轉動不靈活，防腐涂層脫落、表面銹蝕等現象。建議應及時對該部位進行檢修及防腐處理。否則主滾輪銹蝕不動，閘門啟閉由滾動摩擦變成滑動摩擦，要求啟閉力將相應變大，會影響閘門正常啟閉。

（2）閘門各部件為輕微腐蝕，閘門焊縫未發現超標缺陷，工作閘門、檢修閘門啟閉機完好，運行正常。閘門經復核驗算部件強度與穩定性，啟閉機啟閉力均滿足規范要求。

（3）啟閉機運行基本正常。油壓裝置尚存在以下缺陷：主槽區閘門3號油箱頂蓋管路滲油、空氣呼吸器破損；操作柜上電動機啟動操作按鈕與所啟動電動機不對應。以上缺陷建議處理，以免產生誤操作。