水府廟水庫(kù)弧形閘門(mén)金屬結(jié)構(gòu)安全性態(tài)分析

趙偉明，譚 軍，申志高，薛世福

(湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 引 言

中國(guó)水利工程大多建于20世紀(jì)50～70年代，弧形閘門(mén)等金屬結(jié)構(gòu)裝備超過(guò)300萬(wàn)t。弧形閘門(mén)作為擋水建筑物，與大壩的運(yùn)行安全密切相關(guān)，尤其是超期運(yùn)行多年的在役弧形閘門(mén)，對(duì)水庫(kù)大壩的安全評(píng)級(jí)影響較大。多年來(lái)的安全評(píng)價(jià)大多僅以超過(guò)固定資產(chǎn)折舊年限而確定報(bào)廢，與實(shí)際情況并不相符，并且存在一定浪費(fèi)。

因此，本文以水府廟水庫(kù)大壩弧形閘門(mén)金屬結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)為例，研究超期多年的弧形閘門(mén)對(duì)水庫(kù)大壩案例評(píng)級(jí)的影響。

1 工程概況

水府廟水庫(kù)位于湘江一級(jí)支流漣水中游，雙峰縣、湘鄉(xiāng)市、婁星區(qū)三地交界處。1958年9月動(dòng)工修建水庫(kù)，1959年9月大壩建成，1960年7月水庫(kù)蓄水。壩址以上控制流域面積3 160 km2，占漣水流域面積的44%，水庫(kù)總庫(kù)容5.26億m3，正常蓄水位94.00 m，是一座以灌溉為主，兼顧發(fā)電、防洪、航運(yùn)、供水等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程，屬Ⅱ等工程，其主要建筑物為2級(jí)，次要建筑物為3級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a一遇。

水府廟水庫(kù)大壩為漿砌石重力壩，壩頂軸線(xiàn)全長(zhǎng)242.05 m，其中溢流壩段長(zhǎng)141.75 m，溢流段設(shè)置了15扇8 m×5.2 m(寬×高)的鋼質(zhì)弧形泄洪閘門(mén)，底坎高程88.80 m，閘墩厚1.50 m，采用15 t索纜式啟閉機(jī)操作，操作方式為全開(kāi)全關(guān)的動(dòng)水啟閉。弧形閘門(mén)先后于2013年和2017年進(jìn)行了大修，加固了部分桿件，目前可以正常運(yùn)行。弧形泄洪閘門(mén)嚴(yán)格按照《閘門(mén)啟閉機(jī)運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》做好維護(hù)保養(yǎng)工作。

2 弧形閘門(mén)現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題

對(duì)溢流壩15扇工作閘門(mén)及其啟閉機(jī)進(jìn)行了巡視檢查、外觀檢查，詳見(jiàn)圖1～3，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況隨機(jī)抽取1，3，4，5，10號(hào)工作閘門(mén)進(jìn)行了腐蝕等檢測(cè)與無(wú)損探傷[1-3]，具體情況如下。

(1) 溢流壩15扇工作閘門(mén)外觀形態(tài)基本完好，門(mén)體無(wú)明顯變形和扭曲情況，面板和其余受力結(jié)構(gòu)焊縫外觀基本完整，支臂無(wú)明顯變形和缺件現(xiàn)象，止水裝置正常。1～15號(hào)閘門(mén)主橫梁及支臂部分防腐面漆完整，面板(迎水側(cè))面漆均有局部脫落現(xiàn)象，脫落處表面輕微銹蝕，閘門(mén)埋件(兩側(cè)軌道)表面輕度磨損、表面銹蝕[4-5]。被檢受力結(jié)構(gòu)腐蝕程度根據(jù)SL 101-2014《水工鋼閘門(mén)和啟閉機(jī)安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》均評(píng)定為A級(jí)、被檢二類(lèi)焊縫內(nèi)部質(zhì)量滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。閘門(mén)主要構(gòu)件腐蝕量、涂層厚度檢測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)表1～2。

圖1 閘槽及閘板部位出現(xiàn)銹蝕Fig.1 Corrosion appears on the gate groove and gate parts

圖2 閘門(mén)面板防腐涂層脫落Fig.2 Anti-corrosion coating of the gate panel comes off

圖3 閘門(mén)軌道埋件銹蝕Fig.3 Corrosion of embedded parts of gate track

(2) 閘室、閘墩等未見(jiàn)明顯裂縫、滲水、沖刷、氣蝕現(xiàn)象，閘墩上游側(cè)均存在輕微麻面現(xiàn)象，15孔溢流道底局部均存在沖刷、鈣質(zhì)離析現(xiàn)象。

表1 1，3，4，5，10號(hào)工作閘門(mén)腐蝕量檢測(cè)結(jié)果

表2 1，3，4，5，10號(hào)工作閘門(mén)涂層厚度檢測(cè)結(jié)果

(3) 對(duì)1～15號(hào)工作閘門(mén)進(jìn)行啟閉操作，閘門(mén)啟閉過(guò)程一切正常，無(wú)卡阻、噪音，且啟閉過(guò)程中啟閉機(jī)溫度正常，兩吊點(diǎn)同步。經(jīng)外觀檢查，啟閉機(jī)整體情況正常，但存在以下問(wèn)題：① 機(jī)架、制動(dòng)器、減速器、鋼絲繩等部件外觀均有輕微老化、磨損及腐蝕；② 鋼絲繩表面缺乏機(jī)油防腐;③ 傳動(dòng)齒輪也無(wú)防腐、潤(rùn)滑措施。

3 泄洪閘安全評(píng)價(jià)

3.1 抗洪能力評(píng)價(jià)

水府廟水庫(kù)為山丘區(qū)水庫(kù)，屬Ⅱ等工程，其主要建筑物為2級(jí)，次要建筑物為3級(jí)，本次復(fù)核其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇(1%)，校核標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a一遇(0.1%)，下游消能防沖工程設(shè)計(jì)洪水為50 a一遇洪水。溢流堰設(shè)計(jì)最大過(guò)流能力6 550 m3/s，比水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位(95.72 m)時(shí)的最大下泄流量4 350 m3/s大34%；比水庫(kù)校核洪水位(97.11 m)時(shí)的最大下泄流量5 810 m3/s大11%。因此，水府廟水庫(kù)溢流堰在渲泄設(shè)計(jì)和校核洪水最大下泄流量時(shí)，不會(huì)危及泄洪建筑物本身及水庫(kù)大壩的安全。

3.2 滲流安全評(píng)價(jià)

水府廟水庫(kù)大壩為漿砌石重力壩，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果及歷年運(yùn)行情況，未發(fā)現(xiàn)滲流異常現(xiàn)象，但壩體滲透系數(shù)偏大，且溢流壩下游壩面有滲水現(xiàn)象。

3.3 結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

溢流壩段設(shè)15孔8 m×5.2 m(寬×高)弧形鋼閘門(mén)，閘墩長(zhǎng)15 m，厚1.5 m，牛腿附近扇形受拉鋼筋配8Φ30 mm。弧形閘門(mén)支座結(jié)構(gòu)驗(yàn)算采用SL 191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)公式及規(guī)定進(jìn)行。

(1) 閘墩裂縫控制驗(yàn)算。弧門(mén)支座附近閘墩局部受拉區(qū)裂縫控制需滿(mǎn)足下列要求。Ⅰ閘墩受兩側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí)：

Fs≤0.7ftkbB

(1)

Ⅱ閘墩受一側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí)：

(2)

上式中：Fs為由荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的閘墩一側(cè)弧門(mén)支座推力值，支座推力值556 kN(其中水推力509 kN，浮力47 kN)；b為弧門(mén)支座寬度，b=1.1 m；B為閘墩厚度，B=1.5 m；e0為弧門(mén)支座推力對(duì)閘墩厚度中心線(xiàn)的偏心距，e0=1.4 m；ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，ftk=1.78 MPa。

閘墩受兩側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí)，其受力為

F=0.7×1.78×103kPa×1.1 m×1.5 m

=2056 kN

閘墩受一側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí)，其受力為：

由上述計(jì)算可知，兩種工作狀態(tài)下均有Fs≤F，說(shuō)明牛腿設(shè)計(jì)寬度滿(mǎn)足抗裂要求。

(2) 閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋面積驗(yàn)算。Ⅰ閘墩受兩側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí)：

(3)

Ⅱ閘墩受一側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí)：

(4)

閘墩受兩側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí)：

閘墩受一側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí)：

由上述計(jì)算可知，兩種工作狀態(tài)下均有Fs≤F，因此，閘墩受拉區(qū)射向配筋均滿(mǎn)足受力要求。

3.4 金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

根據(jù)弧形閘門(mén)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，閘門(mén)現(xiàn)場(chǎng)示意詳見(jiàn)圖4，水府廟水庫(kù)大壩弧形鋼閘門(mén)未發(fā)現(xiàn)明顯變形，啟閉機(jī)能正常使用，閘門(mén)能正常開(kāi)啟，但部分閘槽及閘板出現(xiàn)銹蝕；止水膠條有一定老化現(xiàn)象，導(dǎo)致閘門(mén)擋水不密實(shí)。

圖4 弧形閘門(mén)現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Site map of the arc gate

3.4.1 基本參數(shù)

孔口形式：露頂式；孔口寬度：8.0 m；底檻高程：88.80 m；正常高水位(設(shè)計(jì)洪水位)：94.00 m；設(shè)計(jì)水頭：5.20 m；閘門(mén)高度：5.20 m；孔口數(shù)量：15孔；操作條件：動(dòng)水啟閉；吊點(diǎn)間距：7.60 m；啟閉機(jī)：前拉式固定卷?yè)P(yáng)機(jī)。

3.4.2 基本結(jié)構(gòu)布置

水府廟水庫(kù)大壩弧形閘門(mén)采用支臂雙主橫梁式焊接結(jié)構(gòu)。弧門(mén)半徑R=7.0 m，支鉸高度H2=5.527 m。支鉸采用圓柱鉸，側(cè)水封為“L”型橡皮水封，底水封為“刀”型橡皮水封。在閘門(mén)底主梁靠近邊梁的位置設(shè)置兩個(gè)吊耳，與啟閉機(jī)吊具通過(guò)吊軸相連接，采用2×150 kN固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)操作。

閘門(mén)的門(mén)葉結(jié)構(gòu)材料采用Q235(A3)，支鉸材料為鑄鋼ZG310-570，材料容許應(yīng)力如下(應(yīng)力調(diào)整系數(shù)0.95)。

Q235：許用應(yīng)力[σ]=165 MPa，許用擠壓應(yīng)力[σp]=240 MPa；剪切應(yīng)力[τ]=115 MPa。ZG310-570：[σ]=140 MPa，[τ]=105 MPa。

3.4.3 荷載計(jì)算

閘門(mén)在關(guān)閉位置的靜水壓力，由水平水壓力和垂直水壓力組成，荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖詳見(jiàn)圖5，計(jì)算公式及總水壓力P如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

上式中：Ps為上游水平分力，kN；Vs為上游垂直分力，kN；Px為下游水平分力，kN；Vx為下游垂直分力，kN；Hs為上游水頭，m；Hx為下游水頭，m；R為弧形面板曲率半徑，m；B為孔口寬度，m；h為閘門(mén)高度，m；γ為水的容重，10 kN/m3；β為總水壓力作用方向與水平方向的夾角。

圖5 弧形閘門(mén)荷載計(jì)算示意Fig.5 Diagram of load calculation for radial gate

作用在閘門(mén)上的總水壓力詳見(jiàn)表3。

表3 作用在閘門(mén)上的總水壓力計(jì)算

正常運(yùn)行時(shí)，總水壓力P=1 085.62 kN，總水壓力作用方向計(jì)算公式如下：

tanβ=Vs/Ps=93.375/1 081.6=0.086

因此，計(jì)算可得，β=4.91°。

3.4.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.4.4.1 面板

面板厚度按下列公式[2]初選：

(10)

式中：kY為彈塑性薄板支承長(zhǎng)邊中點(diǎn)彎曲應(yīng)力系數(shù)；α為彈塑性調(diào)整系數(shù)(b/a>3時(shí)，α=1.4；b/a≤3時(shí)，α=1.5)；q為面板計(jì)算區(qū)格中心的壓力強(qiáng)度，N/mm2；a，b分別為面板計(jì)算區(qū)格的短邊和長(zhǎng)邊長(zhǎng)度，mm，從面板與主(次)梁的連接焊縫算起；[σ]表示材料Q235的許用應(yīng)力，取165 MPa。

大中型工程的工作閘門(mén)容許應(yīng)力應(yīng)乘以0.90～0.95的調(diào)整系數(shù)，本次水府廟水庫(kù)弧形閘門(mén)容許應(yīng)力的調(diào)整系數(shù)取0.95；又根據(jù)《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對(duì)在役閘門(mén)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，容許應(yīng)力還應(yīng)再乘以0.90～0.95的使用年限修正系數(shù)，對(duì)達(dá)到或超過(guò)折舊年限的閘門(mén)取0.90，水府廟水庫(kù)弧形閘門(mén)已在役40余年，因此，修正系數(shù)綜合取0.95×0.90=0.85。面板厚度復(fù)核計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 面板厚度復(fù)核計(jì)算

分析可知，由于長(zhǎng)期使用，面板強(qiáng)度降低且出現(xiàn)一定銹蝕；經(jīng)測(cè)定，銹蝕厚度約1 mm，故實(shí)際厚度變?yōu)? mm。根據(jù)復(fù)核計(jì)算結(jié)果，面板最小厚度余量δ=9.1 mm，滿(mǎn)足要求。

3.4.4.2 主框架結(jié)構(gòu)

弧形閘門(mén)主框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算[6]示意(圖6)應(yīng)能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的主要受力和變形性能，又能使計(jì)算簡(jiǎn)便。對(duì)弧門(mén)空間桿件結(jié)構(gòu)的平面簡(jiǎn)化，采用水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)Autobank計(jì)算。

圖6 弧形閘門(mén)主框架結(jié)構(gòu)計(jì)算示意(單位：mm)Fig.6 Calculation diagram of the main frame structure of the radial gate

強(qiáng)度計(jì)算條件：σmax≤[σ]，計(jì)算構(gòu)件的軸力詳見(jiàn)圖7，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表5。分析可知，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均小于許用值，說(shuō)明各桿件應(yīng)力滿(mǎn)足要求。

圖7 弧形閘門(mén)計(jì)算構(gòu)件軸力示意(單位：kN)Fig.7 Axial force diagram of the calculated components of the radial gate

表5 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

以上應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均小于許用值，說(shuō)明各桿件應(yīng)力滿(mǎn)足要求。

4 結(jié) 論

雖然水府廟水庫(kù)弧形閘門(mén)金屬結(jié)構(gòu)已超過(guò)報(bào)廢折舊年限，但弧形閘門(mén)及其啟閉機(jī)運(yùn)行狀況、現(xiàn)狀基本正常，啟閉機(jī)選型滿(mǎn)足設(shè)計(jì)啟閉要求，受檢閘門(mén)面板局部輕微銹蝕，埋件輕度磨損、銹蝕，被檢二類(lèi)焊縫內(nèi)部質(zhì)量滿(mǎn)足規(guī)范要求，安全檢測(cè)結(jié)果為“基本安全”。計(jì)算閘墩受拉區(qū)射向配筋滿(mǎn)足受力要求，閘墩牛腿設(shè)計(jì)寬度滿(mǎn)足抗裂要求；復(fù)核計(jì)算弧門(mén)面板、主橫梁的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及閘門(mén)啟閉力等，工作門(mén)的面板最大折算應(yīng)力、主梁最大計(jì)算拉(壓)應(yīng)力、主梁最大計(jì)算撓度均在允許范圍內(nèi)；閘門(mén)的啟閉力、持住力均小于啟閉機(jī)額定容量，能實(shí)現(xiàn)正常啟閉閘門(mén)，閘門(mén)閉門(mén)力為負(fù)值，無(wú)需加重可實(shí)現(xiàn)正常閉門(mén)。

綜上，水府廟水庫(kù)大壩弧形閘門(mén)運(yùn)行和維護(hù)狀況良好，未達(dá)到SL 226-98《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的報(bào)廢條件，未嚴(yán)重影響工程正常運(yùn)行，因此，水府廟水庫(kù)大壩泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)基本安全。