鐵甲水庫弧形工作閘門安全評價

陸繼鑫，沈長越，李曉林，徐 馳，朱笑然，錢世綱

(1.遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽興禹水利建設工程質量檢測有限公司，遼寧 沈陽 110006)

水工金屬結構通常包括閘門、啟閉機及其他附屬設施，其功能主要是攔截水流、控制流量、調節水位、排放漂浮物等，是水利工程安全可靠運行的重要組成部分[1- 6]。我國是世界上已建水利工程最多的國家，很多水利工程修建于20世紀50—70年代，由于當時資金、技術、施工工藝等因素的限制，建設質量參差不齊，特別是水工金屬結構包括閘門、啟閉機與控制設備，目前多數已陳舊老化，存有較大安全隱患，很大程度上威脅著下游人民的生命財產安全[7- 12]。

金屬結構安全評價工作是對水庫大壩中的金屬結構設備進行安全評估的重要的工作，溢洪道的弧形工作閘門作為水庫下泄通道的控制工程，定期對其開展安全評價，對保證水庫大壩安全至關重要[13]。根據規范要求，閘門安全評價工作由現場安全檢測工作及理論復核工作兩部分組成[13]。2018年對鐵甲水庫進行安全評價工作，其中，弧形工作閘門安全評價為C級，大壩鑒定為三類壩。

1 工程背景

鐵甲水庫位于丹東市振興區湯池鎮萬寶村，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發電、養魚等綜合利用的一座大(2)型水利樞紐工程，水庫校核洪水標準2000年一遇，校核洪水位93.59m，相應庫容2.56億m3；設計洪水標準為200年一遇，設計洪水位92.23m；正常高水位89.10m，死水位75.10m[14]。

溢洪道為正堰陡坡式，堰頂高程為86.60m，溢洪道寬56m，凈寬52m，最大泄量為1537m3/s，堰上設置10.4m×5.2m(寬×高)弧形鋼閘門5扇，采用雙吊點前拉式弧門卷揚機啟閉，啟閉機額定容量為2×100kN，動水啟閉，調節流量。

鐵甲水庫自1964年竣工投入使用，至今已運行50余年。雖然在2011年10月進行溢洪道改建工程中，對弧形工作閘門進行除銹、噴鍍鋅及涂料封閉等防腐措施。但該閘門已超過規范規定的30年報廢折舊年限，需要進行安全檢測對閘門現狀進行數據采集及安全復核計算[15]。弧形閘門迎水側及背水側現狀圖如圖1—2所示。

圖1 溢洪道弧形閘門迎水側

圖2 溢洪道弧形閘門迎水側

2 弧形閘門安全檢測

2.1 外觀普查

外觀普查是對檢查對象最直觀直接的檢測手段。鐵甲水庫溢洪道共設5扇弧形鋼閘門，通過外觀普查，閘門的外觀整體良好，面板、橫梁、支臂等金屬構件無變形、扭曲等現象，閘門的面板和上主梁腹板部分區域有銹蝕，迎水面面板底部銹蝕較為嚴重。閘門腐蝕現狀如圖3—4所示。

圖3 溢洪道弧形閘門迎水側

圖4 溢洪道弧形閘門迎水側底部

2.2 涂層厚度及蝕余厚度檢測及分析

鐵甲水庫溢洪道的5扇弧形工作閘門均為1964年出廠，運行至今已50余年，運行年限過長，同時根據規范要求，有必要對閘門鋼構件的涂層厚度及蝕余厚度進行檢測，檢測得到的數據能夠為后續理論復核計算提供實測依據。對溢洪道5扇閘門均進行實際檢測，抽樣檢測率為100%，符合規范要求。閘門各鋼構件的涂層厚度檢測結果見表1，5扇閘門鋼構件的蝕余厚度檢測統計結果見表2。

表1 溢洪道閘門鋼構件涂層厚度檢測結果表 單位：μm

溢洪道共設5扇弧形工作閘門，以上數據均為分別對5扇閘門進行數據采集后整理而成。閘門外觀整體良好，無變形、扭曲，弧形閘門面板、上主梁腹板部分區域有銹蝕，迎水面面板底部銹蝕較為嚴重。閘門結構表面防腐蝕涂層平均厚度為202μm，面板蝕余厚度平均值為7.27mm，主梁結構蝕余厚度平均值約為15.45mm，支臂20號槽鋼翼緣和腹板的蝕余厚度平均值分別約為6.59mm和10.46mm。

3 弧形工作閘門安全復核計算

3.1 基本資料

本閘門為焊接鋼結構表孔弧形工作閘門，采用雙主梁斜支臂圓柱鉸，梁系結構采用疊層布置，啟閉設備采用前拉式弧門卷揚啟閉機，容量為2×100kN。操作要求為動水啟閉，調節流量。該閘門設計水位為91.55m，底坎高程86.60m，設計水頭為4.95m，考慮超高因素，閘門高度取值為5.2m。復核計算時以靜水壓力為主要荷載作為計算的依據。閘門支鉸中心距閘門底坎垂直距離4.95m，支鉸中心高程為91.55m，面板曲率半徑為6.0m。

閘門門葉部分主要材料為CT3，支臂部分主要材料為CT3。該閘門已運行50余年，根據規范的有關規定，使用年限修正系數K取0.9[15]。

表2 溢洪道5扇閘門鋼構件蝕余厚度檢測統計結果表

閘門材料CT3，原蘇聯鋼材代號，中國材料取為Q235A(尺寸分組為第1組)，允許抗拉(壓)應力為[σ]=160×0.9×0.95=136.8MPa，抗剪應力為[τ]=95×0.9×0.95=81.2MPa，允許變形[f]=[L/600]=10.03mm。

3.2 面板復核計算

面板厚度按下式計算：

(1)

式中，Ky—彈塑性薄板支承長邊中點彎應力系數；q—面板計算區格中心的水壓力強度，MPa；α—彈塑性調整系數，b/a>3時，α=1.4；b/a≤3時，α=1.5；a、b—面板計算區格的短邊和長邊長度，mm；[σ]—鋼材的抗彎容許應力，[σ]=136.8MPa[16]

根據閘門的主次梁框格布置，將面板分為上(1#及2#)、中(3#及4#)、下(5#)三段，共5塊區格，每塊面板厚度計算結果見表3。

表3 閘門面板厚度計算結果表

根據以上計算結果，并考慮一定的防銹蝕余度，面板厚度取為δ=10mm。實測面板蝕余厚度最大值為7.84mm，最小值6.70mm，平均值為7.27mm，均不滿足強度條件。

3.3 主框架單位剛度比復核

根據閘門主框架銹蝕的檢測成果，主梁前、后翼緣和腹板蝕余厚度最小值為分別為15.35、15.12、15.03mm，支臂結構中，20a槽鋼翼緣和腹板的蝕余厚度最小值分別為為10.08mm和6.12mm。因此，弧形鋼閘門復核計算以主梁前后翼緣和腹板厚度取15mm；支臂結構中20a槽鋼翼緣取10mm，腹板厚度取6mm。主梁和支臂的斷面尺寸如圖5—6所示。

圖5 主梁斷面尺寸圖

圖6 支臂斷面尺寸圖

經計算主橫梁的慣性矩Ix=84385.5cm4，支臂的慣性矩Ihx=4287.6cm4。主框架尺寸如圖7所示。

表4 主框架計算荷載表

表5 主梁及支臂強度、剛度計算結果表

圖7 主框架尺寸圖

其中主框架基本尺寸有計算跨度b=6020mm，a=1875mm，c=2190mm，h=5456mm，夾角α=tan-1(a/h)=18.97°，經計算支臂長度h′=h/cosα=5769mm。主框架單位剛度比計算公式為[16]：

(2)

經計算K0=18.9，根據規范規定，斜支臂弧形閘門的主框架剛度比K0=3～7。支臂可能存在強度不足，需進一步復核。

3.4 主框架的強度及穩定復核

以主橫梁及斜支臂組成的主框架，在水壓力+最大啟閉力Q=100kN組合疊加作用下的瞬時狀態為最危險工況。此狀態下計算荷載結果列于表4。

分別對主梁及支臂的強度，剛度進行復核計算，計算結果見表5。

根據上述結果可以得到：

(1)σL，σ1，σ2均小于材料允許抗拉(壓)應力[σ]=136.8MPa，τ小于材料允許抗剪應力[τ]=81.2MPa，但數值非常接近，主梁的懸臂端撓度及跨中撓度均小于允許撓度[f]=10.03mm。

(2) 支臂強度小于[σ]=136.8MPa，強度滿足要求，但在彎矩作用平面內和彎矩作用平面外穩定應力均大于允許抗拉(壓)應力[σ]=136.8MPa計算均不滿足要求。

4 結語

(1) 弧形鋼閘門面板經計算，需要厚度為10mm，面板蝕余厚度經檢測最大值為7.84mm，已不滿足強度要求，閘門面板應更換。

(2) 主梁強度、剛度、整體穩定性滿足要求，但抗剪強度儲備不足。

(3) 支臂強度滿足要求，在彎矩作用平面內和彎矩作用平面外穩定性計算均不滿足要求，承受設計水頭支臂將發生失穩，支臂必須更換。

根據以上，整扇閘門因腐蝕、強度、剛度等條件需要更換的構件數達到30%以上，且工作年限超過規范規定的30年報廢折舊年限，所以該閘門已滿足報廢條件，建議更換整扇閘門。