毛家村水庫放空底孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備檢測與評估研究

再麗娜，耿紅磊，胡木生，方超群，王 穎

（1.水利部綜合事業(yè)局，北京100053；2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心，河南鄭州450044）

1 概述

毛家村水庫（云南省以禮河一級水電站）是世界第二，亞洲第一大土壩，位于云南省會澤縣城南9.5 km，金沙江右岸一級支流以禮河干流之上，水庫總庫容 5.53×108m3，有效庫容 4.72×108m3，是以禮河梯級電站調(diào)節(jié)流量的龍頭水庫。毛家村水庫放空底孔位于大壩右岸，屬放空水庫和水位在2 215.00 m高程以下時(shí)兼作電站旁通放水之用的建筑之一。洞內(nèi)順?biāo)鞣较蚯昂笱b設(shè)2扇同型號的平面滑動(dòng)閘門，前者為事故閘門，后者為工作閘門，分別由同型號的2臺液壓啟閉機(jī)進(jìn)行操作。毛家村水庫大壩放空底孔工程于1965年10月開始施工，1970年工程全部結(jié)束投入運(yùn)行。[1]

毛家村水庫大壩放空底孔閘門的主要功能是：放空水庫；溢洪道閘門安裝前，用于水庫泄洪；引水道關(guān)閉時(shí)，水庫水位又低于溢洪道底坎時(shí)，向下游供水?？梢钥闯觯趴盏卓组l門對水庫大壩安全運(yùn)行仍具有重要意義。

2015年第四輪水電站大壩安全定期檢查專家組提出，需對毛家村水庫放空底孔金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的安全檢測與評價(jià)，綜合評估毛家村水庫大壩放空底孔閘門的安全可靠性，提出除險(xiǎn)加固處理意見，確保閘門的安全運(yùn)行，并形成專題報(bào)告。目前，毛家村水庫放空底孔閘門存在的主要問題有：

1）建設(shè)時(shí)間較早，設(shè)計(jì)、制造及安裝均有一定局限性。

2）建成后未進(jìn)行過動(dòng)水啟閉運(yùn)行。因此，設(shè)備性能未進(jìn)行過驗(yàn)證，尤其高水頭平板閘門運(yùn)行中的補(bǔ)氣、振動(dòng)情況不確定。

3）設(shè)備銹蝕、老化嚴(yán)重，存在安全隱患。

4）設(shè)備檔案資料有缺失，難以對設(shè)備全面了解。

2 檢測及評估過程及成果

2.1 放空底孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備檢測

針對毛家村水庫放空底孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備存在的主要問題，采用先進(jìn)的檢測技術(shù)手段，對金屬結(jié)構(gòu)暴露的薄弱部位以及關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵部位，如：底孔閘門的門體、進(jìn)/出口段、前/后夾板及頂蓋、啟閉機(jī)及通氣管閥等金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。檢測包含巡視檢查、閘門外觀形態(tài)檢測、啟閉機(jī)性能狀態(tài)檢測、腐蝕檢測、材料檢測、無損探傷檢測、啟閉機(jī)考核（帶閘門的考核試驗(yàn)）和應(yīng)力檢測，以及利用水下機(jī)器人，摸清閘門門槽的狀況及門前淤積的情況[3]。上述檢測內(nèi)容，依據(jù)制定的檢測工作大綱有序開展檢測，現(xiàn)將此次檢測中采用先進(jìn)檢測手段進(jìn)行闡述。

2.1.1 水下機(jī)器人探查

由于閘門自擋水后一直沒有啟閉運(yùn)行的見證材料，閘門前淤積情況及閘門的前部結(jié)構(gòu)狀況未知，故此次檢測中采用水下機(jī)器人進(jìn)行事故閘門門前水下部位的探查。水下探查受現(xiàn)場條件的限制和廊道長度的制約，閘門所處位置水深約30 m，門前廊道長度約60 m。

此次采用的SEAMOR公司生產(chǎn)的STEEL?HEAD ROV水下機(jī)器人。該型號的水下機(jī)器人具有便捷、輕便和操作系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，且其耐壓深度為300 m，滿足此次水下探查的需求。STEELHEAD ROV采用標(biāo)準(zhǔn)的NTSC/PAL信號攝像頭，可以完成水下門槽及底檻的外觀檢測，并將視頻資料全部保存。這是遙控水下機(jī)器人首次應(yīng)用于長廊道后的鋼閘門設(shè)備檢測中，創(chuàng)新了檢測技術(shù)手段[4]。

2.1.2 美國FLUKE紅外熱像儀

由于放空底孔閘門服役超過50年，其啟閉設(shè)備老化嚴(yán)重，在此次設(shè)備檢測過程中采用FLUKE紅外熱像儀對壓啟閉機(jī)的電氣元件和液壓元件溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程中的異常狀況，確保液壓啟閉機(jī)運(yùn)行安全。此次采用的FLUKE紅外熱像儀能夠進(jìn)行非接觸式的、高分辨率的溫度成像，生成高質(zhì)量的圖像，可提供測量目標(biāo)的眾多信息，彌補(bǔ)了人類肉眼的不足，其圖像捕捉頻率為60 Hz，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求。

2.1.3 5060型數(shù)字式液壓PQT檢測儀

由于放空底孔閘門服役超過50年，且自擋水后一直沒有啟閉運(yùn)行的見證材料，因此此次液壓啟閉機(jī)考核過程中對液壓啟閉機(jī)的系統(tǒng)壓力和閘門前水壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用德國HYDRO?TECHDIK公司生產(chǎn)的5060式PQT測試儀，可以實(shí)現(xiàn)壓力等參數(shù)的數(shù)字顯示、時(shí)間曲線、XY曲線等實(shí)時(shí)或離線數(shù)據(jù)與曲線，壓力曲線圖見圖1。

圖1 放空底孔檢修閘門液壓啟閉機(jī)考核有桿腔壓力變化圖

2.2 放空底孔閘門安全復(fù)核計(jì)算

閘門的安全復(fù)核計(jì)算路線為：在INVENTOR中建立閘門三維模型→將模型導(dǎo)入WORK?BENCH→在WORKBENCH中對閘門進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析→結(jié)果后處理→基于計(jì)算結(jié)果評價(jià)該閘門的安全，并依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)NB 35055-2015《水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》對閘門啟閉力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

2.2.1 閘門計(jì)算模型

在INVENTOR中建立了閘門三維模型，由于閘門采用厚鋼板制造，多數(shù)鋼板寬厚比小于10，故采用實(shí)體單元對閘門進(jìn)行網(wǎng)格劃分，厚度方向劃分2～3層單元，選取六面體單元將閘門模型劃分為115 450個(gè)單元，656 162個(gè)節(jié)點(diǎn)。在WORK?BENCH環(huán)境下，模型總體坐標(biāo)系X軸正向?yàn)榇怪彼飨?，Z軸正向?yàn)樗飨?，Y軸正向豎直向上，X軸、Y軸、Z軸符合笛卡爾坐標(biāo)系右手螺旋法則。不同部件之間進(jìn)行綁定接觸設(shè)置，采用多點(diǎn)接觸算法。在WORKBENCH中進(jìn)行前處理、計(jì)算和后處理。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果后處理

對閘門腐蝕后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度安全復(fù)核計(jì)算，通過對工作閘門現(xiàn)場腐蝕檢測，綜合考慮了面板、導(dǎo)流板、下橫梁翼板等構(gòu)件的實(shí)測厚度平均值與蝕坑深度及蝕坑分布點(diǎn)的情況。圖2中(a)(b)(c)分別為閘門考慮腐蝕后在正常擋水工況下整體結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖、總變形云圖和最大剪應(yīng)力云圖。

2.2.3 閘門啟閉力計(jì)算復(fù)核

依據(jù)NB 35055-2015，閉門力計(jì)算公式為：

式中：FW為閉門力；G為閘門自重；nt為摩擦阻力安全系數(shù)；nG為閘門自重修正系數(shù)；Pt為上托力；Tzd為銅止水摩阻力。

計(jì)算求得閉門力Fw=1.331 1×106N。

啟門力計(jì)算公式為：

式中：Fq為啟門力；Ps為下吸力。

計(jì)算求得啟門力Fq=7.894×105N。閘門閉門力為1.331 1×106N，啟門力為7.894×105N，所選的啟閉機(jī)為220 t/200 t，滿足要求。

2.2.4 安全復(fù)核計(jì)算評價(jià)

圖2 閘門整體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果（考慮腐蝕后）

基于以上有限元計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合閘門設(shè)計(jì)時(shí)一般選取的應(yīng)力控制點(diǎn)，選出此次分析的計(jì)算結(jié)果提取點(diǎn)（見圖3），提取應(yīng)力、變形等作為強(qiáng)度、剛度評價(jià)的依據(jù)。另外，選取了結(jié)構(gòu)突變處的點(diǎn)、局部應(yīng)力峰值點(diǎn)和變形較大點(diǎn)等作為計(jì)算結(jié)果提取點(diǎn)。

應(yīng)力提取點(diǎn)點(diǎn)處的等效應(yīng)力與變形量見表1。

經(jīng)計(jì)算，考慮腐蝕后閘門結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力不超過70.3 MPa，強(qiáng)度滿足規(guī)范要求；閘門的變形不超過1.4 mm，滿足規(guī)范規(guī)定的最大撓度與計(jì)算跨度之比不大于1/750的要求；啟閉機(jī)容量為220 t/200 t（啟門力/閉門力），滿足閘門啟閉要求。

3 檢測及評估結(jié)果

毛家村水庫已服役50多年，針對國內(nèi)外尚無對此類水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的設(shè)備檢測及評估的先例，通過嚴(yán)密的組織、全面的檢測評估，得出放空底孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備檢測及評估結(jié)果如下：

圖3 提取點(diǎn)位置示意圖

表1 關(guān)鍵點(diǎn)處應(yīng)力與變形量

1）放空底孔事故門、工作門的布置合理、設(shè)備齊全；閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可滿足現(xiàn)行規(guī)范的強(qiáng)度、剛度要求；所選啟閉機(jī)滿足閘門的啟閉要求。閘門的布置與設(shè)計(jì)可滿足工程功能要求。

2）通過對放空底孔事故門、工作門的現(xiàn)場檢測及復(fù)核計(jì)算表明：主要設(shè)備基本完整，功能基本滿足運(yùn)行要求。閘門及啟閉機(jī)可滿足繼續(xù)擋水的要求，基本可滿足緊急工況下的泄水要求。

4 結(jié)論

該項(xiàng)目采用多維度、全方位的檢測及評估技術(shù)，創(chuàng)新了安全評估的技術(shù)手段，為大壩安全運(yùn)行提供了依據(jù)，為國內(nèi)同類工程提供了參考范例，為國內(nèi)在建工程提供了借鑒。該項(xiàng)目對放空底孔閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力、啟閉力、脈動(dòng)壓力等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行全面檢測，組建了一個(gè)立體安全檢測組織機(jī)構(gòu)，具有多單位、聯(lián)動(dòng)響應(yīng)、試驗(yàn)高效、全預(yù)警體系的組織特點(diǎn)，圓滿完成了此處檢測評估工作。