馬建軍，袁 偉，王緒建，劉 浩

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021）

1 工程概況

白山水電站座落在吉林省樺甸市紅石鎮(zhèn)白山社區(qū)，距吉林市約250 km，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的大型水電工程。

白山水電站樞紐布置主要由攔河壩、河床壩段泄洪建筑物、一期全地下廠房、二期引水隧洞及地面廠房、開關(guān)站等建筑物組成。泄洪建筑物為4個(gè)堰頂溢流孔（高孔）和3個(gè)深泄水孔（深孔），孔口尺寸分別為12 m×13 m（寬×高）、6 m×7 m（寬×高），高孔、深孔相間布置。白山水電站已投入運(yùn)行30多年，由于工程管理單位的精心維護(hù)和保養(yǎng)，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備一直運(yùn)行正常，未發(fā)生重大安全事故。為掌握水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的運(yùn)行性態(tài)，確保工程運(yùn)行安全，結(jié)合大壩安全定期檢查，對(duì)水工金屬結(jié)構(gòu)的安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，為主管部門決策提供科學(xué)依據(jù)。

2 檢測(cè)內(nèi)容和方法

根據(jù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合白山水電站金屬結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)鋼閘門和啟閉機(jī)著重進(jìn)行了以下檢測(cè)和分析：

1）閘門外觀檢測(cè)。外觀檢測(cè)以目測(cè)為主，配合使用量測(cè)工具，對(duì)閘門的外觀形態(tài)和銹蝕狀況進(jìn)行檢查。主要是檢查閘門整體及主要構(gòu)件的折斷、損傷和局部明顯變形情況。

2）閘門銹蝕量檢測(cè)。根據(jù)閘門主要構(gòu)件的銹蝕程度和銹蝕部位，銹蝕量檢測(cè)分別采用數(shù)字超聲波測(cè)厚儀、改制的游標(biāo)卡尺和涂層厚度測(cè)定儀等量測(cè)儀器和工具進(jìn)行。

3）閘門焊縫超聲波探傷。采用EPOCH2300型超聲波探傷儀進(jìn)行，距離—波幅曲線利用CSK-ⅢA試塊實(shí)測(cè)。

4）閘門材料檢測(cè)。檢測(cè)可以確定結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能和化學(xué)成分，鑒別材料牌號(hào)。

5）啟閉機(jī)檢測(cè)。主要是對(duì)啟閉機(jī)的現(xiàn)狀、運(yùn)行狀況和電氣參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。通過檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)啟閉機(jī)運(yùn)行中存在的問題，提出有效改進(jìn)措施，確保啟閉機(jī)的安全運(yùn)行。

6）閘門啟閉力檢測(cè)與計(jì)算分析。啟閉力檢測(cè)主要采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，檢測(cè)狀態(tài)應(yīng)盡可能接近設(shè)計(jì)狀態(tài)，若無(wú)法做到，則應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，最終獲得設(shè)計(jì)水位下閘門的啟閉力。

3 檢測(cè)結(jié)果

3.1 深孔弧門檢測(cè)范圍的確定

在閘門檢測(cè)過程中需要對(duì)閘門整體狀況、支鉸裝置狀況、主要構(gòu)件狀況、支臂與主縱梁之間連接狀況、閘門底止水裝置狀況、面板和主要構(gòu)件以及埋件銹蝕狀況進(jìn)行檢測(cè)分析。

3.2 深孔弧門銹蝕量檢測(cè)結(jié)果

對(duì)15號(hào)壩段深孔工作閘門進(jìn)行銹蝕量檢測(cè)，共獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)114個(gè)（每個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)均為3個(gè)以上測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值）。檢測(cè)結(jié)果見表1。

3.3 深孔弧門焊縫超聲波探傷檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)閘門受力狀況和焊縫類別，選定閘門主縱梁、橫梁、面板、支臂和吊耳板為探傷構(gòu)件。接受超聲波探傷的焊縫為：主縱梁后翼緣板對(duì)接焊縫、主縱梁腹板與后翼緣板T形連接焊縫、主縱梁腹板與面板T形連接焊縫、主縱梁后翼緣板與橫梁后翼緣板連接焊縫、橫梁腹板與主縱（邊）梁腹板T形連接焊縫、橫梁腹板與翼緣板T形連接焊縫、面板對(duì)接焊縫、支臂翼緣板對(duì)接焊縫、支臂腹板與翼緣板T形連接焊縫、支臂翼緣板與聯(lián)接板T形連接焊縫、支臂腹板與聯(lián)接板T形連接焊縫、吊耳板與聯(lián)接板T形連接焊縫等。焊縫探傷比例為：一類焊縫約70%，二類焊縫約50%。

表1 閘門主要構(gòu)件銹蝕量和銹蝕速率的平均值

焊縫超聲波探傷結(jié)果表明：

1）閘門主縱梁腹板與面板T形連接焊縫、主縱梁腹板與橫梁腹板T形連接焊縫局部存在未焊透制造缺陷，但未焊透深度未超過GB/T14173規(guī)范規(guī)定的要求，允許存在。其余所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)缺陷存在。

2）閘門所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

3.4 深孔弧門材料檢測(cè)結(jié)果

為減小材料檢測(cè)對(duì)閘門結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣條件，材料化學(xué)成分分析試樣取自閘門的橫梁后翼緣和縱梁后翼緣，見表2。

表2 化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果

閘門材料抗拉強(qiáng)度檢測(cè)是對(duì)閘門主要構(gòu)件進(jìn)行多個(gè)部位進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)構(gòu)件材料抗拉強(qiáng)度值取多個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值，見表3，4。

表3 閘門主要構(gòu)件抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

通過上述測(cè)試結(jié)果得出：

表4 碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分及抗拉強(qiáng)度

1）閘門材料的化學(xué)成分與低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345相符合。

2）閘門材料的抗拉強(qiáng)度與低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345相符合。

3）根據(jù)材料化學(xué)成分及抗拉強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果綜合分析，閘門材料為低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345，與設(shè)計(jì)圖紙相符。

3.5 深孔弧門強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算分析

根據(jù)該閘門結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，采用有限元ANSYS軟件對(duì)弧形閘門進(jìn)行有限元分析，為更真實(shí)反應(yīng)運(yùn)行狀況的真實(shí)情況，將閘門面板、主橫梁、主縱梁、小縱梁、小橫梁、支臂、底小梁劃分為20節(jié)點(diǎn)四面體（SOLID186）單元。通過solidworks建立閘門的三維模型，將三維模型導(dǎo)入ANSYS建立閘門結(jié)構(gòu)有限元分析模型，計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 482 430個(gè)，單元總數(shù)為290 100個(gè)。

3.5.1 荷載情況

閘門計(jì)算荷載主要考慮作用于閘門的靜水壓力和閘門自重。計(jì)算工況為設(shè)計(jì)工況，閘門的作用水頭為70 m。具體加載方式見圖1。

3.5.2 邊界計(jì)算

坐標(biāo)系定義為：Z軸沿水流方向，Y軸沿重力方向，X軸沿主橫梁軸向。

邊界約束施加，如圖2。

1）面板底部支承在地面上，施加Y方向固定約束；

2）閘門支鉸繞支鉸軸旋轉(zhuǎn)，支鉸軸允許繞X軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，其它自由度約束。

圖1 荷載情況

圖2 邊界約束

3.5.3 計(jì)算結(jié)果

模型計(jì)算結(jié)果見圖3-7所示。

圖3 閘門整體應(yīng)力云圖

圖4 閘門面板應(yīng)力云圖

圖5 閘門面板變形云圖

圖6 閘門支臂變形云圖

圖7 支臂應(yīng)力云圖

3.5.4 結(jié)果分析

1）門葉面板、中節(jié)門葉隔板、后翼緣、中節(jié)門葉橫梁結(jié)構(gòu)、底小梁大部分區(qū)域等效應(yīng)力值均小于材料Q345(16Mn)鋼的容許折算應(yīng)力值，滿足設(shè)計(jì)的要求；

2）邊節(jié)門葉主縱梁腹板與支臂連接處、橫梁后翼與主縱梁后翼相交處出現(xiàn)較大應(yīng)力集中，建議采取加固措施減小應(yīng)力值；

3）中節(jié)門葉隔板與橫梁后翼相交處小范圍內(nèi)應(yīng)力值偏高，其值大約在300 MPa，超出容許折算應(yīng)力，且接近于材料的屈服極限，建議對(duì)超標(biāo)部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

4 結(jié)語(yǔ)

閘門整體狀況完好，主要構(gòu)件未見損傷變形；閘門涂層基本完整，但閘門主要構(gòu)件局部區(qū)域老銹坑密集，銹蝕嚴(yán)重；閘門支臂與主縱梁之間連接完好，未見異常；閘門主要構(gòu)件焊縫超聲波探傷未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)和裂紋缺陷；閘門吊耳裝置零部件齊全，連接牢靠；閘門支鉸運(yùn)轉(zhuǎn)正常；閘門止水裝置完好，閘門不漏水。閘門復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明，閘門主要構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度基本滿足規(guī)范要求，局部連接部位出現(xiàn)極小范圍應(yīng)力集中，導(dǎo)致應(yīng)力超標(biāo)，從設(shè)計(jì)角度看并不影響正常使用。

根據(jù)閘門復(fù)核計(jì)算結(jié)果和檢測(cè)成果進(jìn)行綜合分析，深孔工作閘門可繼續(xù)使用，建議局部補(bǔ)強(qiáng)加固滿足安全運(yùn)行要求。