希尼爾水庫放水涵洞平面鋼閘門維修方案探討

周 翔

(塔里木河流域工程建設處，新疆 庫爾勒 841000)

1 工程概況

希尼爾水庫位于新疆巴州尉犁縣境內，是一座以灌溉為主的注入式反調節平原水庫。水庫設計洪水位913.46 m，校核洪水位913.60 m，總庫容9 800×104m3，正常蓄水位913.42 m，興利庫容8 632×104m3，死水位905.80m，死庫容1 000×104m3，正常蓄水位水庫水面積16.61 km2，工程規模為中型，工程級別為Ⅲ等。希尼爾水庫位于孔雀河流域，屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，年平均降水量56.4 mm，多年平均蒸發量2 772.8 mm，平均相對濕度為45%～47%，多年平均氣溫11.8℃。庫壩區出露地層主要為第四系沖洪積物、風積物等和新近系沉積物，其中第四系地層主要為全新統沖洪積砂土(中粗砂等)、砂礫石、粉土，層厚多在1.0～4.0 m之間。

希尼爾水庫始建于2000年，于2003年正式蓄水，經過多年運行，希尼爾水庫部分結構需要進行除險加固。水庫除險加固工程分二期施工，主要加固內容包括銑削攪拌水泥土防滲墻、混凝土蓋帽、復合土工膜鋪設、壩頂防浪墻與面板、放水閘弧形擋土墻、放水渠進口面板、放水涵洞平面鋼閘門檢修等。其中，放水涵洞平面鋼閘門為四主梁的潛孔式平面鋼閘門，鋼閘門材質采用Q345B，孔口尺寸為4.5 m×4.5 m，水頭高度25.2 m，閘門自重17.055 t，腹板前緣和后緣厚度分別為10和16 mm，腹板厚度14 mm，面板厚度12 mm。

2 時變可靠度理論

水工鋼閘門是一種復雜的超靜定體系結構，閘門體系的失效形式多種多樣，主要包括主梁失效、面板失效及邊梁失效3種，而主梁的應力值遠大于邊梁和面板所受的應力值，因此水工鋼閘門的可靠度可以直接由主梁結構的可靠度來計算。水工鋼閘門主梁結構失效主要是由銹蝕引起厚度減小而造成結構抗力降低，鋼閘門主梁銹蝕的速度并不是固定的，而是隨著運行時間的增加而逐漸變化的，即腐蝕速率為非線性變化[1-3]。水工鋼閘門在出廠之初，已涂刷防腐涂層，因而鋼閘門在運行初期(約為5a)的腐蝕量是十分微小的，之后腐蝕速率隨著運行時間增加而逐漸增大，最后慢慢趨于穩定。水工鋼閘門的自然腐蝕規律：

(1)

(2)

式中：d∞為鋼閘門腐蝕量的長期銹蝕厚度，一般取2～4 mm；d(t)為在時間t時的鋼閘門腐蝕厚度，mm；τc為涂層壽命，文中取5a；τt為過渡時間。

根據不同時刻鋼閘門的銹蝕量，可計算得到閘門的時變可靠度曲線，見圖1。

圖1 閘門時變可靠度曲線

根據《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程》(SL 101-2014)相關規定[4-5]，根據鋼閘門的銹蝕量可將水工鋼閘門的狀態劃分為A、B、C、D共4個等級。對應地根據銹蝕狀態也可以將水工鋼閘門的時變可靠度曲線劃分為Ⅰ～Ⅳ共4個階段：第Ⅰ階段為未發生銹蝕狀態，此時鋼閘門表面涂層基本完整，僅存在少量零星分布的蝕坑，此階段的長短取決于閘門防腐涂層的防腐周期，在這一階段時變可靠度并沒有低于閘門的目標可靠度，僅需要開展定期巡回檢查即可；第Ⅱ階段為一般腐蝕階段，此階段水工鋼閘門已經出現銹蝕現象，可靠度指標下降速度隨著運行時間增長而逐漸增快，銹蝕厚度一般在0.5～0.6 mm，此階段銹蝕時間較短，一般為1～1.5 a，在此階段需要對閘門進行噴砂除銹處理；第Ⅲ階段為較重腐蝕階段，時間一般在5 a左右，銹蝕厚度一般在1～2 mm，閘門構件已存在一定程度的削弱，可靠度會逐漸低于目標可靠度，如果要確保閘門結構安全性和增加使用壽命，除了進行除銹補漆涂鋁等處理，還需要對閘門進行小修處理，以確保閘門不進入或者延緩閘門進入第Ⅳ階段；第Ⅳ階段為閘門嚴重銹蝕階段，銹蝕厚度一般大于3 mm，在此階段需要對閘門進行大修處理。

3 閘門維修方案設計分析

3.1 目標可靠度

水工金屬結構構件的目標可靠度指標要求見表1。本工程級別為Ⅲ等，主要建筑物的閘門級別為3級，結構安全等級為Ⅱ級。根據表1對應的目標可靠度要求，放水涵洞平面閘門的目標可靠度取值應為3.2。

表1 水工金屬結構構件目標可靠度取值

3.2 時變結構可靠度曲線

按照50 a的閘門使用年限進行分析，對放水涵洞平面鋼閘門的時變結構可靠度曲線進行分析，結果見圖2。從圖2中可知，當放水涵洞平面閘門運行23 a后，時變可靠度將低于目標可靠度，閘門結構將處于失效狀態。雖然目前閘門運行時間不足20 a，但可靠度已經基本接近于3.2，如果不采取有效措施，將對水庫的安全運行產生影響。因此在除險加固時，提出對放水涵洞平面鋼閘門進行一次檢修。

圖2 放水涵洞平面鋼閘門時變可靠曲線

3.3 閘門維修方案設計

方案一：根據水工金屬結構傳統的檢修方法，一般小修間隔時間為4 a/次，大修間隔時間為8 a/次，每一次檢修的時間和項目均是固定不變的，假設每一次閘門涂層的保護有效期均是6 a。

方案二：在閘門Ⅰ～Ⅲ階段，均按照第二小節的方法進行檢修即可確保閘門的安全可靠性；在閘門第Ⅳ階段，每2a對平面閘門進行一次檢修，然后每6a對閘門進行一次大修，噴涂新的防腐層后不做其他檢修，待此次涂層完全失效后再進行下一次檢修，即在閘門運行7、10、19、28、37和46 a后進行小修，在閘門運行12、21、30、39和48 a后進行一次大修。

方案三：在閘門Ⅰ～Ⅲ階段，檢修方案與方案二相同；在閘門第Ⅳ階段，每3 a對平面閘門進行一次小修，每12 a對平面閘門進行一次大修，噴涂新的防腐層后不做其他檢修，待此次涂層完全失效后再進行下一次檢修，即在閘門運行7、10、20、23、26、37和40 a后進行小修，在閘門運行12、29和43 a后進行一次大修。

3.4 閘門維修方案對比

對3種放水涵洞平面鋼閘門檢修方案的時變可靠度進行計算，結果見圖3。從圖3中可以看到，對平面鋼閘門采取維修之后，時變可靠度呈階梯型下降。方案一時變可靠度理論在48 a后閘門為3.199 8<3.2，故不能完全滿足閘門50 a的使用年限要求；方案二在50 a后時變可靠度仍可以達到3.213 1>3.2，滿足閘門50 a的使用年限要求；方案三在28 a后時變可靠度為3.199 8<3.2，故也不能滿足閘門50 a的使用年限要求。

圖3 不同維修方案閘門時變可靠度對比

傳統檢修方案(方案一)下，需要進行10次小修和6次大修，方案二需要進行7次小修和6次大修，方案三僅需要進行7次小修和3次大修。傳統檢修方案不僅需要更多的檢修次數，而且僅能使閘門勉強達到50 a的有效使用年限，因此該方案是不經濟的；方案三雖然需要的大修次數最少，最為經濟，但卻只能確保28 a的有效使用年限；方案二相比傳統檢修方案，減少了小修次數3次，但可以將時變可靠度一直保持在3.2以上，因此是最合理的維修方案。

從2003年首次蓄水運行至今，希尼爾水庫已經運行19 a，因此根據方案二的維修方案，在本次除險加固工程中，應對放水涵洞平面鋼閘門采取小修措施。小修項目主要涉及門體表面檢查、大小主輪及反向輪檢查、閘門止水裝置檢查、閘門支撐檢查、鎖定裝置檢查、液壓裝置檢查、充水小門檢查、各處聯接螺栓檢查、焊縫檢查、閘門各構件外觀檢查及設備運行情況等11項[6-7]。

4 結 語

以希尼爾水庫除險加固工程為例，基于時變可靠度理論，對該水庫放水涵洞平面鋼閘門的檢修方案進行了探討，結論如下：

1)根據閘門銹蝕程度，將閘門劃分為未發生銹蝕、一般銹蝕、較重銹蝕和嚴重銹蝕4個階段。

2)根據水庫工程級別，確定放水涵洞平面鋼閘門的目標可靠度為3.2，在不進行維修的情況下，鋼閘門可靠度將在第23年后低于3.2。

3)根據時變可靠度理論，提出了3種閘門維修方案，通過不同維修方案下時變可靠度和經濟性對比，最終確定方案二為最合理的維修方案。根據方案二擬定的檢修方案，在本次除險加固工程中，需要對放水涵洞平面鋼閘門進行一次小修。