周上梯 張曉軍

（北京市密云水庫管理處 101512）

1 工程概況

密云水庫坐落于北京市密云縣境內(nèi)，總庫容43.75億m3，是華北地區(qū)最大的水庫。第九水廠引水隧洞（以下簡(jiǎn)稱“引水隧洞”）位于密云水庫九松山副壩以東約1km處，屬北京市第九水廠二期取水工程，洞徑3.5m，洞長3078m，設(shè)計(jì)最大日供水能力100萬m3。密云水庫目前為北京唯一地表飲用水源地，引水隧洞作為其主要取水口，承擔(dān)著極其重要的供水任務(wù)。

根據(jù)《水庫大壩安全鑒定辦法》、《水庫大壩安全管理?xiàng)l例》的有關(guān)要求，水庫大壩（包括附屬輸泄水建筑物）6～10年需進(jìn)行安全檢查，引水隧洞于2009年5月18日進(jìn)行停水檢修，工期一個(gè)月。主要包括對(duì)隧洞水工金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)檢查、安全檢測(cè)、綜合評(píng)估、問題處理等。

2 檢測(cè)情況

引水隧洞水工金屬結(jié)構(gòu)主要由閘門、攔污柵、主洞末端鋼管段、支洞出口平壓系統(tǒng)等四大部分組成，詳細(xì)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 隧洞主要水工金屬結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

2.1 閘門和啟閉機(jī)檢測(cè)

引水隧洞進(jìn)口設(shè)有一扇事故檢修門，檢修支洞出口分別設(shè)有一扇檢修門和一扇工作門。

2.1.1 出口工作閘門和啟閉機(jī)

a.閘門外觀檢查。閘門側(cè)導(dǎo)輪多已銹蝕，轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活或不轉(zhuǎn)動(dòng)；閘門焊縫局部存在少量飛濺物、焊瘤等外觀缺陷；頂止水局部存在輕微漏水現(xiàn)象，閘門運(yùn)行過程中由于止水橡皮與止水座板摩擦引起閘門劇烈抖動(dòng)和爬行現(xiàn)象；閘門表面涂層基本完好，整體存在輕微銹蝕，局部有較重或嚴(yán)重銹蝕。銹蝕統(tǒng)計(jì)情況見表2。

表2 工作閘門銹蝕情況統(tǒng)計(jì)表

b.閘門焊縫超聲波探傷。閘門支臂腹板與翼緣板T形連接焊縫均存在多處未焊透缺陷（缺陷最大當(dāng)量為RL+4dB），但均未超過《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》（DL/T5018—2004）的規(guī)定。其余所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在；閘門所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

c.閘門材料檢測(cè)。綜合閘門主要部件的化學(xué)成分分析、硬度以及抗拉強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果，可以判定，閘門主要構(gòu)件所使用的材料為碳素鋼Q235。

d.閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力復(fù)核計(jì)算與分析。工作閘門是一種典型的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系，由一系列板、殼、梁、桿等構(gòu)件組合而成。正常工作時(shí)，閘門所承受荷載將通過各構(gòu)件的相互傳遞來共同承擔(dān)。面板、主橫梁、縱梁、支臂等構(gòu)件將發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、軸向拉壓等組合變形。因此，計(jì)算模型的選擇必須考慮到各構(gòu)件的幾何性質(zhì)、變形特征和受力方式以及相互作用關(guān)系等，以正確反映出閘門的整體作用以及各構(gòu)件的實(shí)際工作狀態(tài)。根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，將閘門面板、主橫梁、縱梁、邊梁、小橫梁、支臂臂桿、支臂垂直腹件離散為板單元，兩支臂間連接桿離散為桿單元，支鉸離散為實(shí)體單元。據(jù)此所建立的閘門有限元計(jì)算模型如圖1所示，計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為15724個(gè)，單元總數(shù)為15234個(gè)。計(jì)算荷載主要考慮作用于閘門的靜水壓力、自重，閘門設(shè)計(jì)水頭為53m。

計(jì)算及復(fù)核結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)水位下，閘門主橫梁、縱梁、邊梁的最大正應(yīng)力和最大折算應(yīng)力均已超過相應(yīng)的容許應(yīng)力值，但范圍均極小，閘門其余構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定均滿足安全運(yùn)行要求。

圖1 閘門有限元計(jì)算模型

e.啟閉機(jī)運(yùn)行狀況檢測(cè)。啟閉機(jī)附屬系統(tǒng)不健全，無負(fù)荷限制裝置，存在安全隱患；供電線路及電氣控制線路布置紊亂，部分護(hù)線套管銹蝕；電動(dòng)機(jī)絕緣電阻、電流、電壓及溫升均滿足規(guī)范要求，電氣參數(shù)滿足安全運(yùn)行要求。

f.閘門啟閉力檢測(cè)與計(jì)算分析。在閘門空載工況下，閘門實(shí)測(cè)最大啟門力為187.40kN，小于啟閉機(jī)的額定啟門力（500kN）。

2.1.2 進(jìn)口事故閘門和啟閉機(jī)

a.閘門外觀檢查。閘門主輪及連接部位和止水壓板及聯(lián)結(jié)螺栓局部存在一般銹蝕，有分散的銹斑和銹包，止水橡皮存在輕微摩損；閘門拉桿局部存在一般或較重銹蝕，表面有銹跡、銹斑和銹包，局部成片分布，拉桿銷軸有的存在較重銹蝕，表面布滿銹斑和銹包，鏟去可見有密集成片的銹坑，呈麻面狀分布，銹坑深度多為0.5～1mm；閘門表面涂層基本完好，整體輕微銹蝕，局部一般銹蝕。構(gòu)件表面局部有少量分散的銹跡斑、銹包，面板、主橫梁以及邊縱梁后翼緣上有分散的老銹坑，銹坑深度多為1～1.5mm。

b.閘門焊縫超聲波探傷。主橫梁后翼緣板與邊梁后翼緣板連接焊縫有兩處存在超標(biāo)的制造缺陷（未焊透），缺陷最大當(dāng)量為RL+4dB；主橫梁腹板與后翼緣板T形連接焊縫、主橫梁腹板與邊梁腹板T形連接焊縫有三處存在未焊透缺陷（缺陷最大當(dāng)量為RL+5dB），但均未超過規(guī)范《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》（DL/T5018—2004）的規(guī)定，其余所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在；閘門所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

c.啟閉機(jī)外觀檢測(cè)。啟閉機(jī)減速器低速級(jí)左側(cè)齒輪副大齒輪右端面有一齒齒槽下部存在一處孔洞缺陷，缺陷范圍長約40mm、寬約20mm，缺陷最大深度約8mm，表明減速器傳動(dòng)齒輪副制造質(zhì)量差，存在安全隱患；啟閉機(jī)開式齒輪副大齒輪有一齒齒頂部位存在一處凹陷缺陷，缺陷大小約50mm×15mm×1.50mm（長×寬×深）；啟閉機(jī)卷筒端面存在多處鑄造孔洞缺陷；啟閉機(jī)定滑輪組右側(cè)滑輪右側(cè)輪緣有一片鑄造縮松缺陷，分布在長400mm、寬250mm的范圍內(nèi)，缺陷最大深度約15mm；啟閉機(jī)減速器存在潤滑油滲漏現(xiàn)象；啟閉機(jī)電氣控制線路布置紊亂。

2.1.3 支洞出口檢修閘門

出口閘門經(jīng)外觀檢查和儀器檢測(cè)，未有異常情況。

2.2 第九水廠輸水隧洞進(jìn)口攔污柵

2.2.1 柵體外觀檢查

上游側(cè)攔污柵左側(cè)第二根柵條存在變形，最大變形量約15mm，變形范圍長約700mm，變形位于距頂端約950mm處；柵體反向滑塊有磨損，局部存在銹蝕；攔污柵柵體吊耳輕微銹蝕，水下部位的鋼絲繩亦存在銹蝕，表面有較多的銹蝕斑；攔污柵柵體表面涂層基本完好，整體輕微銹蝕，局部一般銹蝕；柵體梁系構(gòu)件表面有少量分散的銹跡和銹斑，柵條上有少量分散的麻點(diǎn)銹斑，柵條與縱梁及底橫梁的連接部位多處存在銹蝕，有銹斑、銹包和銹皮；柵體構(gòu)件上亦有分散的老銹坑，局部較多，銹坑深度多為 1～1.5mm。

2.2.2 柵體銹蝕量檢測(cè)

攔污柵柵體銹蝕量頻數(shù)峰值位于0.60～0.70mm區(qū)間，且銹蝕量主要分布在0.20～0.90mm之間，其頻數(shù)為93.10%。表明攔污柵整體銹蝕狀況較輕；攔污柵柵體各主要構(gòu)件平均銹蝕量為0.45～0.76mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.17～0.21mm。表明攔污柵各主要構(gòu)件銹蝕程度基本相似；攔污柵總體平均銹蝕量為0.63mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.19mm，總體平均銹蝕速率為0.039mm/年，各主要構(gòu)件平均銹蝕速率為0.028～0.048mm/年。

2.2.3 柵體焊縫超聲波探傷

主橫梁腹板對(duì)接焊縫有兩處存在超標(biāo)的制造缺陷（未焊透），缺陷最大當(dāng)量為SL+6dB。其余所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在；所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

2.3 主洞出口鋼管段

隧洞主洞末端有51m長金屬管道與引水隧洞連接，樁號(hào)為2+852～2+903，原采用防腐漆進(jìn)行處理，2001年漆膜厚度檢測(cè)表明涂層厚度小于設(shè)計(jì)指標(biāo)。鑒于管道所處的潮濕環(huán)境，采用聚合物水泥砂漿類材料進(jìn)了處理。由于砂漿材料厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了原漆膜厚度，無法采用LAT—B涂層測(cè)厚儀進(jìn)行檢測(cè)。

根據(jù)實(shí)際情況采用對(duì)砂漿聚合物表面進(jìn)行觀察、配合敲擊的方法，判斷砂漿防腐層與鋼管壁的結(jié)合程度。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)：砂漿聚合物表面現(xiàn)場(chǎng)密布白色析出物點(diǎn)，用錘敲擊可明顯感覺白點(diǎn)周邊范圍存在空鼓，用鋼釬砸開空鼓區(qū)，有少量滲水流出。砂漿聚合物表面及砸開后情形如圖2所示。

圖2 鋼管段聚合物砂漿防腐層外觀

從檢測(cè)結(jié)果分析，底層砂漿與鋼管結(jié)合較好，起到了防銹效果，而表層砂漿與底層砂漿之間出現(xiàn)分離現(xiàn)象，鼓起并產(chǎn)生開裂。應(yīng)對(duì)表層砂漿進(jìn)行處理，處理過程中盡量避免對(duì)底層防腐砂漿產(chǎn)生破壞。

2.4 充水平壓系統(tǒng)

支洞出口充水平壓系統(tǒng)主要閥件已在2001年全部更換為進(jìn)口優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，實(shí)際運(yùn)行效果比較理想，本次閥件設(shè)備檢查內(nèi)容包括：? 外觀檢測(cè)各閥件以及配套附屬零件的銹損狀況；? 通過實(shí)際操作檢測(cè)各閥件的功能運(yùn)用靈敏程度、封水效果以及諸項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢查和試運(yùn)行，該系統(tǒng)銹蝕甚微，各部件工作正常，儀表指示準(zhǔn)確。

3 安全評(píng)價(jià)

3.1 閘門和啟閉機(jī)

為確保輸水隧洞安全運(yùn)行，根據(jù)《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》（SL226—1998）的規(guī)定，出口工作閘門應(yīng)進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)加固處理，其啟閉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好，滿足安全運(yùn)行要求；進(jìn)口事故閘門外觀檢查與焊縫探傷檢測(cè)結(jié)果表明：該門可繼續(xù)安全使用，其啟閉機(jī)整體外觀形態(tài)基本完好，零部件齊全，運(yùn)行狀態(tài)良好，但開式齒輪副大齒輪及卷筒端面亦存在鑄造缺陷；出口檢修閘門和啟閉機(jī)工作正常。

3.2 進(jìn)口攔污柵

攔污柵整體外觀形態(tài)較好，柵體無明顯損傷，焊縫探傷檢測(cè)結(jié)果表明：現(xiàn)有攔污柵可繼續(xù)使用。

3.3 出口鋼管段

SPC聚合物水泥砂漿防護(hù)效果良好，但砂漿底層與面層存在分離現(xiàn)象，需進(jìn)行局部修補(bǔ)。

3.4 充水平壓系統(tǒng)

外觀檢查及試運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)工作正常。

4 工程措施

4.1 出口工作閘門更新

檢測(cè)及復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)水位下，出口工作閘門局部最大正應(yīng)力和最大折算應(yīng)力均已超過相應(yīng)的容許應(yīng)力值，需對(duì)該門進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)加固處理。結(jié)合頂止水漏水及閘門啟閉過程中產(chǎn)生較強(qiáng)振動(dòng)的情況，考慮到引水隧洞的重要性，決定對(duì)該門實(shí)施報(bào)廢更新，并對(duì)頂止水和門楣埋件進(jìn)行了改進(jìn)。新門安裝完畢后，經(jīng)過試運(yùn)行檢驗(yàn)，啟閉平穩(wěn)、工作正常。

4.2 進(jìn)口事故門啟閉機(jī)開式大齒輪更換

進(jìn)口事故門啟閉機(jī)開式大齒輪存在鑄造缺陷，決定更換大齒輪，新齒輪與原舊齒輪尺寸一致，采用熱處理工藝，經(jīng)出廠檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)轉(zhuǎn)，質(zhì)量合格，工作正常。

4.3 出口鋼管段防腐表層修復(fù)

采用SPC聚合物水泥砂漿加SPC聚合物涂層綜合處理工藝，對(duì)基面進(jìn)行處理后，依次分別涂刷SPC界面劑、SPC聚合物水泥砂漿和SPC聚合物涂層。主要施工方法為：?基面處理：用角磨機(jī)將原基面鑿毛，高壓水沖洗，形成新鮮基面；?抹面施工：先均勻涂刷一道SPC界面劑，用量為0.40～0.60kg/m2，再抹SPC聚合物砂漿，厚度約5mm，最后刮涂SPC聚合物涂層，用量4～5kg/m2，以上三種材料粉料、膠料配比分別為 0.8∶1、6.5∶1 和 2.5∶1；?養(yǎng)護(hù)：SPC聚合物砂漿硬化后，潮濕養(yǎng)護(hù)5～7天。防腐表層修復(fù)后，經(jīng)檢測(cè)，SPC聚合物砂漿和涂層在鋼管表面形成致密、彈性、抗?jié)B、抗凍的“薄殼”，具有良好的防護(hù)效果。

4.4 閘門及攔污柵防腐

閘門及攔污柵均為輕度銹蝕，但考慮到隧洞供水的重要性和6～10年才進(jìn)行一次停水檢修的特殊情況，決定對(duì)所有閘門攔污柵進(jìn)行防腐。施工工藝采用噴鋅防腐，包括表面預(yù)處理（噴砂除銹）、金屬熱噴涂（選用鋅絲）、涂料保護(hù)（涂層封閉）等三道工序，要求所有施工材料均為環(huán)保產(chǎn)品，不對(duì)水源構(gòu)成污染。

5 結(jié)語

第九水廠引水隧洞此次停水檢修情況經(jīng)檢修專家組現(xiàn)場(chǎng)踏勘和分析論證，認(rèn)定隧洞總體安全，經(jīng)局部維修處理后可以正常供水。

水工金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)與處理作為此次檢修的一項(xiàng)重要內(nèi)容，項(xiàng)目多、時(shí)間緊、任務(wù)重，經(jīng)各方共同努力，終于圓滿完成了各項(xiàng)任務(wù)，同時(shí)也積累了不少寶貴經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)施過程中，采用了不少先進(jìn)成熟的檢測(cè)方法與施工工藝，以高效、環(huán)保、耐久為目標(biāo)開展工作，切實(shí)保障了隧洞的工程安全、水質(zhì)安全和供水安全。?