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 長沙 410007)

0 引 言

中國水利工程大多建于20世紀50～70年代，弧形閘門等金屬結(jié)構(gòu)裝備超過300萬t。弧形閘門作為擋水建筑物，與大壩的運行安全密切相關(guān)，尤其是超期運行多年的在役弧形閘門，對水庫大壩的安全評級影響較大。多年來的安全評價大多僅以超過固定資產(chǎn)折舊年限而確定報廢，與實際情況并不相符，并且存在一定浪費。

因此，本文以水府廟水庫大壩弧形閘門金屬結(jié)構(gòu)的安全評價為例，研究超期多年的弧形閘門對水庫大壩案例評級的影響。

1 工程概況

水府廟水庫位于湘江一級支流漣水中游，雙峰縣、湘鄉(xiāng)市、婁星區(qū)三地交界處。1958年9月動工修建水庫，1959年9月大壩建成，1960年7月水庫蓄水。壩址以上控制流域面積3 160 km2，占漣水流域面積的44%，水庫總庫容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、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，次要建筑物為3級，設(shè)計洪水標準為100 a一遇，校核洪水標準為1 000 a一遇。

水府廟水庫大壩為漿砌石重力壩，壩頂軸線全長242.05 m，其中溢流壩段長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，底坎高程88.80 m，閘墩厚1.50 m，采用15 t索纜式啟閉機操作，操作方式為全開全關(guān)的動水啟閉。弧形閘門先后于2013年和2017年進行了大修，加固了部分桿件，目前可以正常運行?；⌒涡购殚l門嚴格按照《閘門啟閉機運行維護規(guī)程》做好維護保養(yǎng)工作。

2 弧形閘門現(xiàn)狀及存在的主要問題

對溢流壩15扇工作閘門及其啟閉機進行了巡視檢查、外觀檢查，詳見圖1～3，并根據(jù)現(xiàn)場情況隨機抽取1，3，4，5，10號工作閘門進行了腐蝕等檢測與無損探傷[1-3]，具體情況如下。

(1) 溢流壩15扇工作閘門外觀形態(tài)基本完好，門體無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，支臂無明顯變形和缺件現(xiàn)象，止水裝置正常。1～15號閘門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《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術(shù)規(guī)程》均評定為A級、被檢二類焊縫內(nèi)部質(zhì)量滿足標準要求。閘門主要構(gòu)件腐蝕量、涂層厚度檢測結(jié)果分別見表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 閘門面板防腐涂層脫落Fig.2 Anti-corrosion coating of the gate panel comes off

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

(2) 閘室、閘墩等未見明顯裂縫、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號工作閘門腐蝕量檢測結(jié)果

表2 1，3，4，5，10號工作閘門涂層厚度檢測結(jié)果

(3) 對1～15號工作閘門進行啟閉操作，閘門啟閉過程一切正常，無卡阻、噪音，且啟閉過程中啟閉機溫度正常，兩吊點同步。經(jīng)外觀檢查，啟閉機整體情況正常，但存在以下問題：① 機架、制動器、減速器、鋼絲繩等部件外觀均有輕微老化、磨損及腐蝕；② 鋼絲繩表面缺乏機油防腐;③ 傳動齒輪也無防腐、潤滑措施。

3 泄洪閘安全評價

3.1 抗洪能力評價

水府廟水庫為山丘區(qū)水庫，屬Ⅱ等工程，其主要建筑物為2級，次要建筑物為3級，本次復(fù)核其設(shè)計標準為100 a一遇(1%)，校核標準為1 000 a一遇(0.1%)，下游消能防沖工程設(shè)計洪水為50 a一遇洪水。溢流堰設(shè)計最大過流能力6 550 m3/s，比水庫設(shè)計洪水位(95.72 m)時的最大下泄流量4 350 m3/s大34%；比水庫校核洪水位(97.11 m)時的最大下泄流量5 810 m3/s大11%。因此，水府廟水庫溢流堰在渲泄設(shè)計和校核洪水最大下泄流量時，不會危及泄洪建筑物本身及水庫大壩的安全。

3.2 滲流安全評價

水府廟水庫大壩為漿砌石重力壩，根據(jù)現(xiàn)場檢查結(jié)果及歷年運行情況，未發(fā)現(xiàn)滲流異?，F(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)安全評價

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

(1) 閘墩裂縫控制驗算?；￠T支座附近閘墩局部受拉區(qū)裂縫控制需滿足下列要求。Ⅰ閘墩受兩側(cè)弧門支座推力作用時：

Fs≤0.7ftkbB

(1)

Ⅱ閘墩受一側(cè)弧門支座推力作用時：

(2)

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

閘墩受兩側(cè)弧門支座推力作用時，其受力為

F=0.7×1.78×103kPa×1.1 m×1.5 m

=2056 kN

閘墩受一側(cè)弧門支座推力作用時，其受力為：

由上述計算可知，兩種工作狀態(tài)下均有Fs≤F，說明牛腿設(shè)計寬度滿足抗裂要求。

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

(3)

Ⅱ閘墩受一側(cè)弧門支座推力作用時：

(4)

閘墩受兩側(cè)弧門支座推力作用時：

閘墩受一側(cè)弧門支座推力作用時：

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

3.4 金屬結(jié)構(gòu)安全評價

根據(jù)弧形閘門現(xiàn)場檢查結(jié)果，閘門現(xiàn)場示意詳見圖4，水府廟水庫大壩弧形鋼閘門未發(fā)現(xiàn)明顯變形，啟閉機能正常使用，閘門能正常開啟，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)致閘門擋水不密實。

圖4 弧形閘門現(xiàn)場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)計洪水位)：94.00 m；設(shè)計水頭：5.20 m；閘門高度：5.20 m；孔口數(shù)量：15孔；操作條件：動水啟閉；吊點間距：7.60 m；啟閉機：前拉式固定卷揚機。

3.4.2 基本結(jié)構(gòu)布置

水府廟水庫大壩弧形閘門采用支臂雙主橫梁式焊接結(jié)構(gòu)?；￠T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。在閘門底主梁靠近邊梁的位置設(shè)置兩個吊耳，與啟閉機吊具通過吊軸相連接，采用2×150 kN固定式卷揚機操作。

閘門的門葉結(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 荷載計算

閘門在關(guān)閉位置的靜水壓力，由水平水壓力和垂直水壓力組成，荷載計算簡圖詳見圖5，計算公式及總水壓力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 弧形閘門荷載計算示意Fig.5 Diagram of load calculation for radial gate

作用在閘門上的總水壓力詳見表3。

表3 作用在閘門上的總水壓力計算

正常運行時，總水壓力P=1 085.62 kN，總水壓力作用方向計算公式如下：

tanβ=Vs/Ps=93.375/1 081.6=0.086

因此，計算可得，β=4.91°。

3.4.4 結(jié)構(gòu)計算

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邊中點彎曲應(yīng)力系數(shù)；α為彈塑性調(diào)整系數(shù)(b/a>3時，α=1.4；b/a≤3時，α=1.5)；q為面板計算區(qū)格中心的壓力強度，N/mm2；a，b分別為面板計算區(qū)格的短邊和長邊長度，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)，本次水府廟水庫弧形閘門容許應(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)報廢標準》規(guī)定，對在役閘門進行結(jié)構(gòu)強度驗算時，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)，對達到或超過折舊年限的閘門取0.90，水府廟水庫弧形閘門已在役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)核計算結(jié)果詳見表4。

表4 面板厚度復(fù)核計算

分析可知，由于長期使用，面板強度降低且出現(xiàn)一定銹蝕；經(jīng)測定，銹蝕厚度約1 mm，故實際厚度變?yōu)? mm。根據(jù)復(fù)核計算結(jié)果，面板最小厚度余量δ=9.1 mm，滿足要求。

3.4.4.2 主框架結(jié)構(gòu)

弧形閘門主框架結(jié)構(gòu)的計算[6]示意(圖6)應(yīng)能反映實際結(jié)構(gòu)的主要受力和變形性能，又能使計算簡便。對弧門空間桿件結(jié)構(gòu)的平面簡化，采用水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)Autobank計算。

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

強度計算條件：σmax≤[σ]，計算構(gòu)件的軸力詳見圖7，應(yīng)力計算結(jié)果詳見表5。分析可知，應(yīng)力計算結(jié)果均小于許用值，說明各桿件應(yīng)力滿足要求。

圖7 弧形閘門計算構(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)力計算結(jié)果

以上應(yīng)力計算結(jié)果均小于許用值，說明各桿件應(yīng)力滿足要求。

4 結(jié) 論

雖然水府廟水庫弧形閘門金屬結(jié)構(gòu)已超過報廢折舊年限，但弧形閘門及其啟閉機運行狀況、現(xiàn)狀基本正常，啟閉機選型滿足設(shè)計啟閉要求，受檢閘門面板局部輕微銹蝕，埋件輕度磨損、銹蝕，被檢二類焊縫內(nèi)部質(zhì)量滿足規(guī)范要求，安全檢測結(jié)果為“基本安全”。計算閘墩受拉區(qū)射向配筋滿足受力要求，閘墩牛腿設(shè)計寬度滿足抗裂要求；復(fù)核計算弧門面板、主橫梁的強度、剛度、穩(wěn)定性及閘門啟閉力等，工作門的面板最大折算應(yīng)力、主梁最大計算拉(壓)應(yīng)力、主梁最大計算撓度均在允許范圍內(nèi)；閘門的啟閉力、持住力均小于啟閉機額定容量，能實現(xiàn)正常啟閉閘門，閘門閉門力為負值，無需加重可實現(xiàn)正常閉門。

綜上，水府廟水庫大壩弧形閘門運行和維護狀況良好，未達到SL 226-98《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報廢標準》規(guī)定的報廢條件，未嚴重影響工程正常運行，因此，水府廟水庫大壩泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)基本安全。