陡河水庫金屬結構安全評價分析

崔立軍

（唐山市陡河水庫事務中心，河北 唐山 063021）

陡河水庫于1955年開始興建，1956年建成并投入運用，工程建設經歷了續建、震后修復和除險加固等階段。水庫現有金屬結構設備主要有：溢洪道升臥式平面定輪工作閘門2扇及其固定卷揚式啟閉機2臺；輸水洞平面檢修閘門2扇及其固定卷揚式啟閉機2 臺，平面工作閘門2 扇及其固定卷揚式啟閉機2臺。目前，輸水洞工作閘門已經運行超過60 a，溢洪道閘門也已運行近50 a。經過幾十年運行以后，由于受銹蝕和磨損等因素影響，不可避免地造成輸水洞工作閘門和溢洪道閘門安全系數的降低。

1 安全評價依據

陡河水庫金屬結構設備安全分析評價全部按新的調洪標準和現行規范進行：按1 000 a 一遇洪水進行設計，10 000 a 一遇洪水位進行校核；按《水利水電工程鋼閘門設計規范》（SL74-2013）、《水利水電工程啟閉機設計規范》（SL41-2011）和《水利水電工程金屬結構報廢標準》（SL226-98）執行。

陡河水庫金屬結構分析計算是按照原圖紙并結合河南華水工程質量檢測有限公司編制的《陡河水庫大壩安全鑒定現場檢測報告》中閘門的銹蝕情況進行的，銹蝕厚度分析該部件的最大銹蝕量和平均銹蝕量。

2 安全鑒定復核計算方法

2.1 水壓力計算

水壓力計算公式為：

式中：r為水的容重（kN/m3）；p為閘門中心所受水壓力強度（kN/m2）；h為閘門所受荷載高度（m）。

2.2 面板折算應力驗算

面板折算應力驗算公式為：

式中：σMY為垂直于主梁軸線面板支承長邊中點的局部彎曲應力（N/mm2）；σmx為面板沿主梁軸線的局部彎曲應力（N/mm2）；σox為對應于面板驗算點的主梁上翼緣的整體彎曲應力（N/mm2）；α為彈塑性調整系數。

2.3 主梁應力驗算

主梁應力驗算公式為：

式中：M為所驗算截面的彎矩（N·mm）；wj為凈截面的抵抗矩（mm3）；其余變量含義同上。

2.4 主梁剛度驗算

主梁剛度應力驗算公式為：

式中：q為梁的均布荷載（kN/m）；l0為梁的計算跨度（m）；E為彈性模量（kN/m2）；I為等截面梁的截面慣性矩（m4）；[F]為梁的容許撓度（mm）。

2.5 小橫梁應力驗算

小橫梁應力驗算公式為：

式中：M為連續梁的最大彎矩（N·mm）；W為截面的抵抗矩（mm3）；其余變量含義同上。

2.6 啟門力計算

啟門力計算公式為：

式中：nT為摩擦阻力安全系數；Tzd為支承摩阻力（kN）；Tzs為止水摩阻力（kN）；Px為下吸力（kN）；nG為計算啟門力用的閘門自重修正系數；G為閘門自重（kN）；Gj為加重塊重量（kN）；Ws為作用在閘門上的水柱重量（kN）。

3 溢洪道安全評價分析

溢洪道位于輸水洞左側，于1971年建成，設有2扇工作閘門，為升臥式定輪鋼閘門。工作閘門孔口尺寸（寬×高）12 m×7 m，底檻高程34.0 m，最大設計擋水頭6.37 m，設計水位40.37 m。閘門采用平面焊接鋼閘門，主次梁結構采用雙主橫梁同層布置，為雙吊點，面板支承在小橫梁、縱梁、邊梁與主橫梁組成的梁格上，面板與梁格直接焊縫。主橫梁為焊接工字形截面組合梁，縱梁為焊接T字形截面組合梁，小橫梁為槽鋼。根據原設計圖紙，溢洪道工作閘門主要構件材料為16 Mn 鋼，相當于現在的Q345 鋼。閘門支承型式采用4套懸臂滾輪，主軸材質為45鋼，主輪采用ZG45，止水型式采用前止水。啟閉機選用2臺2×250 kN 手電兩用固定卷揚式啟閉機，啟閉力500 kN，運用方式為動水啟閉。

溢洪道自1971年建成以來，只有1977年最高水位達到34.03 m，僅僅超過堰頂高程0.03 m，所以溢洪道閘門和啟閉機實際沒有正式運用過。1985 年，只是對閘門進行了噴沙除銹和涂氯化橡膠漆防腐處理；1995 年，只是更換了溢洪道工作閘門電氣開關柜至啟閉機的電纜；2007 年上半年，更新了溢洪道配電柜及啟閉機控制柜。

3.1 現場安全檢測

根據對陡河水庫金屬結構進行的現場檢測，發現溢洪道工作閘門和固定卷揚式啟閉機存在下列問題：①溢洪道工作閘門主次梁等主要構件局部銹蝕，連接螺栓銹蝕；②閘門整體焊縫質量較差，多個部位存在焊縫缺陷和焊接變形；③止水橡皮老化、龜裂；④主輪銹蝕；⑤啟閉機動滑輪罩銹蝕、開裂、變形；⑥埋件局部銹蝕。

3.2 計算分析

3.2.1 基本參數

孔口尺寸（寬×高）為12.0 m×7 m，設計水頭6.37 m。閘門采用平面焊接鋼閘門，主材為Q345，運行條件為動水啟閉；啟閉設備選用2×250 kN 手電兩用固定卷揚式啟閉機。

根據金屬結構現場檢測，面板厚度8.92 mm，主梁腹板厚度10.4 mm、下翼緣厚度18.3 mm，邊梁腹板厚度10.5 mm、翼緣厚度19 mm，吊耳板厚度16 mm。

根據《水利水電工程鋼閘門設計規范》（SL74-2013）中相關規定，對于大中型工程的工作閘門和重要事故閘門來說，其容許應力應乘以0.90～0.95 的調整系數，本工程設備使用年限均超過大型水利水電工程金屬結構折舊年限30 a，根據《水利水電工程金屬結構報廢標準》（SL226-1998）3.2強度條件的規定，閘門進行強度驗算時材料的容許應力應按使用年限進行修正，達到和超過折舊年限取0.9的使用年限修正系數。根據上述要求，閘門材料的容許應力修正系數為k=0.95×0.90=0.855。

閘門結構復核計算成果，詳見表1。

表1 閘門結構復核計算成果

依據復核計算結果分析，發現溢洪道閘門的面板、主梁、邊梁、小橫梁、支承滾輪的強度、剛度滿足規范要求，均小于規范允許值，但9 支承輪輪軸、輪軸浮動板、吊耳板等零部件強度不滿足規范要求。

3.2.3 啟閉機容量復核計算

經計算，在設計條件下最大啟門力為491 kN，閉門力為-81.9 kN，閘門依靠自重能夠關閉。啟閉機容量滿足設計要求。

4 輸水洞安全評價

輸水洞位于攔河壩左壩頭鳳山山坡，入口為2 個長方形的進水洞口，洞口尺寸為1.75 m×3 m（寬×高），配置2 扇平面定輪鋼工作閘門，工作閘門前均配備了檢修閘門。

輸水洞于1956 年建成并投入運行。建庫以來，僅僅對輸水洞工作閘門、啟閉機進行了如下改造：1989年提高保壩標準后，更換了啟閉機，加固了進水塔，并在頂部新建了啟閉機房；對閘門進行了如下維護：1985年，對閘門進行了噴沙除銹和涂氯化橡膠漆防腐處理；1992年，更換底封水，并換頂、側封水為橡膠封水；2002年，再次對閘門進行噴沙除銹和涂料防腐處理。

輸水洞工作閘門為潛孔式平面定輪鋼閘門，閘門主材選用A3F 鋼材（相當于現在的鋼Q235），孔口尺寸（寬×高）為1.75 m×3.0 m，門葉結構全部用鉚釘連接，為木封水。啟閉設備于1989年更換為400 kN固定卷揚式啟閉機。

輸水洞檢修閘門1960 年由原來的混凝土閘門改建為潛孔式平面滑動鋼閘門，孔口尺寸（寬×高）為1.8 m×3.5 m，啟閉設備于1989 年更換為250 kN固定卷揚式啟閉機。2002 年，對閘門進行噴砂除銹和涂料防腐處理。

“等等，你們在拿走金銀之前，也要問問我的泥刀！”大胡子工匠立在桌旁，右手捏著泥刀，雙腳扎起了弓步，他的三個兄弟也抽出泥刀跟在他身后，長安匠作門，泥水刀法，渾水摸魚，砍頭如砍磚，殺人如起樓，筑屋蓋房用得著，爭場打架也用得著的。做房子的時候用泥刀兢兢業業，打架的時候用泥刀，那是威風凜凜。

4.1 現場安全檢測結論

根據現場檢測結果，發現輸水洞檢修閘門、工作閘門及固定卷揚式啟閉機存在下列問題：①根據《水利水電工程鋼閘門設計規范》（SL74-2013）3.2.2 的規定，泄水孔工作閘門的上游應設置事故閘門，工作閘門前檢修閘門現狀為靜水啟閉的平面滑動鋼閘門，不滿足現行設計規范要求；②工作閘門面板、主次梁等主要構件存在麻面、局部銹蝕；③工作閘門個別鉚釘頭銹蝕，個別連接鉚釘有銹損；④工作閘門主輪可靈活轉動，但滾輪表面有銹跡、銹皮脫落。

4.2 計算分析

4.2.1 檢修閘門

（1）基本參數。孔口尺寸（寬×高）為1.8 m×3.5 m，門型為潛孔式平面滑動鋼閘門，主材為Q235，底坎高程22.545 m，設計水頭11.455 m，閘門操作運行方式為靜水啟閉，啟閉機為250 kN固定卷揚式啟閉機。

根據現場檢測，面板厚度10.57 mm，主梁腹板厚度10.6 mm、翼緣厚度13.8 mm，邊梁腹板厚度13.6 mm、翼緣厚度10.7 mm，吊耳板厚度27 mm。

本工程設備使用年限均超過大型水利水電工程金屬結構折舊年限30 a，根據《水利水電工程金屬結構報廢標準》（SL226-98）3.2強度條件的規定，閘門進行強度驗算時材料的容許應力應按使用年限進行修正，達到和超過折舊年限時取0.9的使用年限修正系數。

（2）閘門結構復核計算成果，詳見表2。復核計算結果表明，閘門面板厚度、主梁跨中最大彎應力、主梁撓度均小于規范允許值。

表2 閘門結構復核計算成果

（3）啟閉機容量復核計算。經計算，在設計條件下最大啟門力為121 kN，閘門為靜水關閉。啟閉機容量為250 kN，滿足設計要求。

4.2.2 工作閘門

（1）基本參數。輸水洞工作閘門為潛孔式平面定輪鋼閘門，由上、下兩節組成，上、下節閘門之間采用膠木止水，孔口尺寸（寬×高）為1.75 m×3 m，主材為Q235，底坎高程22.545 m，設計水頭17.825 m。閘門門葉為鉚接結構，梁格布置形式為同層布置。面板支承點主要集中在主橫梁、縱梁和邊梁組成的梁格上，主橫梁、縱梁和邊梁均為角鋼鉚接而成的工字形截面組合梁。閘門的整體主要由8 個主輪支承。啟閉機為400 kN 卷揚式啟閉機。閘門操作運行方式為動水啟閉。

根據陡河水庫大壩安全鑒定現場檢測，面板厚度13.4 mm，主梁腹板厚度13.4 mm、翼緣厚度13.4 mm，邊梁腹板厚度13.5 mm、翼緣厚度13.7 mm。

根據《水利水電工程鋼閘門設計規范》（SL74-2013）中的相關規定，對于大中型工程的工作閘門和重要事故閘門來說，其容許應力應乘以0.90～0.95的調整系數。本工程設備使用年限均已超過大型水利水電工程金屬結構折舊年限30 a。根據《水利水電工程金屬結構報廢標準》（SL226-1998）3.2強度條件的規定，閘門進行強度計算時材料的容許應力應按使用年限進行修正，達到和超過折舊年限時取0.9的使用年限修正系數。根據上述要求計算，閘門材料的容許應力修正系數為k=0.95×0.90=0.855。

（2）閘門結構復核計算成果，詳見表3。復核計算結果表明，閘門面板、主梁等應力滿足規范允許應力。

表3 閘門結構復核計算成果

（3）啟閉機容量復核計算。經計算，在設計條件下最大啟門力為314 kN，閉門力為-27 kN，閘門依靠自重能夠關閉。啟閉機容量滿足設計要求。

5 結論及建議

5.1 溢洪道

溢洪道工作閘門外觀整體狀況基本尚好，閘門的面板、主梁、邊梁、小橫梁、支承滾輪的強度、剛度滿足規范要求，但主次梁等主要構件、主輪、閘門連接螺栓、埋件均存在銹蝕現象；止水橡皮存在老化現象；支承輪輪軸、輪軸浮動板、吊耳板等零部件強度不滿足規范要求，且閘門已經運行近50 a，超過折舊年限。建議對閘門盡快加固或改造，對閘門的輪軸浮動板、吊耳進行補強，并更新支承輪輪軸。對溢洪道金屬結構設備存在的缺陷及損壞部件進行維修更換，并及時進行閘門防腐維護處理。

雖然啟閉設備外觀尚可，但設備也已經運行近50 a，超過折舊年限，一些零部件或成品目前已老舊、淘汰，建議更換啟閉設備安全保護裝置，平時加強運行管理，及時發現問題及時解決。

5.2 輸水洞

輸水洞工作閘門、檢修閘門及啟閉設備外觀整體狀況基本尚好，零部件（含止水裝置零部件）齊全，連接牢靠，閘門容許應力和剛度均滿足規范要求，啟閉機容量也滿足要求。但鑒于閘門已經運行超過60 a，啟閉設備也已運行超過30 a，超過或接近折舊年限，并且檢修閘門為靜水啟閉的平面滑動鋼閘門，不滿足現行設計規范要求，同時工作閘門面板、主次梁等主要構件存在麻面、局部銹蝕、閘門連接鉚釘銹損現象，啟閉設備一些零部件或成品目前已淘汰。建議盡快加固或改造。輸水洞金屬結構更新改造前，及時進行閘門防腐維護處理，并加強設備的運行管理，制定閘門啟閉應急預案，保證設備安全運行。