淺談除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)改造的若干問題與設(shè)計(jì)

申景濤，董旭榮

（1.陜西省水利廳，陜西 西安 710004；2.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710000）

1 研究背景

在20 世紀(jì)60年代～80年代投入運(yùn)行的水利水電工程中，存在如花涼亭水庫運(yùn)行50 多年，已屬三類病險(xiǎn)水庫，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備年久失修，主要承載構(gòu)件的應(yīng)力、穩(wěn)定性指標(biāo)已達(dá)不到現(xiàn)規(guī)范要求，啟閉設(shè)備不具備安全運(yùn)行條件［1]；再如江西省觀音山水庫［2]、河北省張家口云州水庫［3]鋼閘門均存在水封磨損開裂，閘門漏水嚴(yán)重，閘門埋件銹蝕嚴(yán)重，啟閉設(shè)備容量不足，行程不夠，高度指示裝置損壞等問題。

金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備如攔污柵、鋼閘門、壓力管道及啟閉機(jī)等，由于長(zhǎng)期在潮濕、水中以及干濕交替的惡劣環(huán)境中工作，銹蝕損壞情況嚴(yán)重，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)；其次多年的運(yùn)行管理維護(hù)不當(dāng)，庫區(qū)泥沙污物淤積、多數(shù)啟閉、檢修設(shè)備損壞丟失，導(dǎo)致閘門及壓力管道不能正常運(yùn)行；再者隨著設(shè)計(jì)規(guī)范的不斷更新優(yōu)化，這些金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)已不能滿足現(xiàn)有規(guī)范要求［4]，存在一定的安全隱患。

以攔污柵為例，1960年建成的湖南白漁潭水電站，攔污柵為木質(zhì)，1965年改為鋼質(zhì)，仍多次被沖斷；1970年建成的四川龔咀水電站，攔污柵前泥沙、雜物、半沉木較多，地下廠房進(jìn)口攔污柵的損壞多數(shù)為半沉木撞擊、擠壓柵條、使之?dāng)嗔炎冃危?987年建成的福建沙溪口水電站，攔污柵堵塞嚴(yán)重，人工清污不及時(shí)，常年水頭損失估計(jì)為0.3 m～0.8 m（以0.5 m 水頭損失估算，年損失電能達(dá)2.4×107kW·h），攔污柵前后測(cè)得最大壓差高達(dá)6 m［5]。由此可見金屬結(jié)構(gòu)的改造不僅關(guān)系到大壩的安全，同時(shí)直接影響著電站的經(jīng)濟(jì)效益。因此除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)改造已迫在眉睫。

本文以某工程為例，列舉除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備存在的問題，闡明改造設(shè)計(jì)的方法，提出此類工程應(yīng)注意的問題。

2 工程概況

水庫1978年建成，主要任務(wù)是礦山供水，進(jìn)水口金屬結(jié)構(gòu)布置采取分層取水的方式，在壩體1098.3 m、1104.3 m、1112.3 m、1118.3 m 高程設(shè)四個(gè)取水口，孔口尺寸1.1 m×1.1 m，后接4條鋼管合并為1 條取水管，每個(gè)進(jìn)水口設(shè)1 扇攔污柵，共4 扇，在閥井內(nèi)每條管路各設(shè)1 臺(tái)DN700 的檢修閘閥和1 臺(tái)DN700的工作閘閥，末端設(shè)1 臺(tái)DN700 的控制工作閘閥，共9 臺(tái)，4 扇攔污柵共用1 扇平面檢修門以便檢修閘閥。

泄洪底孔金屬結(jié)構(gòu)布置采取泄水底孔進(jìn)口設(shè)事故檢修平面門1 扇，孔口尺寸為2.2 m×2.2 m，設(shè)計(jì)水頭45 m，采用尼龍滑塊作支承，水封設(shè)于下游，閘底高程1085.0 m，動(dòng)水閉門，靜水啟門，啟閉設(shè)備采用1 臺(tái)單吊點(diǎn)固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)QPQ630 kN-8.5 m，通過吊桿啟閉閘門，隧洞出口采用DN1700錐閥控制流量，底孔事故閘門前原設(shè)計(jì)有一扇攔污柵，現(xiàn)已損壞。

溢洪道金屬結(jié)構(gòu)布置采取工作弧形閘門一扇，可控制泄流，動(dòng)水全開全關(guān)，側(cè)止水為“L”型橡皮水封，底止水為帶橡皮的木水封，啟閉設(shè)備選用2×150 kN 手電兩用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。

整體工程金屬結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀見表1。

表1 金屬結(jié)構(gòu)特性表（現(xiàn)狀）

2.1 金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)的方式

1）巡視檢查

檢查與閘門和啟閉機(jī)相關(guān)的水力學(xué)條件、水工建筑物是否有異常跡象，附屬設(shè)施是否完善有效，并判斷對(duì)閘門和啟閉機(jī)的影響。

2）閘門外觀及現(xiàn)狀檢測(cè)

對(duì)閘門外觀形態(tài)進(jìn)行全面檢查和檢測(cè)，主要檢查閘門門體及其構(gòu)件在服役運(yùn)行期間是否出現(xiàn)變形、損傷、構(gòu)件折斷、部件脫落、焊縫開裂、嚴(yán)重腐蝕、嚴(yán)重漏水等影響閘門安全運(yùn)行的異常狀況。

3）啟閉機(jī)性能狀態(tài)檢測(cè)

對(duì)啟閉機(jī)的性能狀態(tài)進(jìn)行考核和檢測(cè)，通過對(duì)機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、減速器、電氣系統(tǒng)等的全面檢查，判斷啟閉機(jī)各項(xiàng)功能是否正常，考核啟閉機(jī)是否能夠安全運(yùn)行。

4）腐蝕檢測(cè)

通過目視檢查和儀器檢測(cè)判斷閘門和啟閉機(jī)是否存在局部嚴(yán)重銹蝕及銹損等影響設(shè)備安全運(yùn)行的部位。

5）材料檢測(cè)

通過在設(shè)備非受力部位鉆取屑樣進(jìn)行鋼材的化學(xué)成分分析，確定結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)成分，并根據(jù)設(shè)計(jì)資料和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，判斷取樣位置的構(gòu)件主要成分是否符合設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

6）水下探查

通過水下部分的探查觀測(cè)閘門、攔污柵門體及門槽水下部分結(jié)構(gòu)狀況，為安全評(píng)價(jià)提供重要依據(jù)。

2.2 金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)結(jié)果

（1）取水口攔污柵（水下）

1）取水口攔污柵柵體都有不同程度的被垃圾覆蓋現(xiàn)象，取水口越淺垃圾覆蓋越嚴(yán)重，其中2#攔污柵垃圾覆蓋最為嚴(yán)重，柵體幾乎全部被垃圾覆蓋，柵體上游流道布滿垃圾；3#攔污柵垃圾覆蓋較多；4#攔污柵垃圾覆蓋相對(duì)較少。

2）取水口左右門槽滑道均已銹蝕，且存在大量銹包，4#取水口右側(cè)門槽在水深17.98 m 的位置存在異物，見圖1、圖2。

圖1 水下攔污柵污物堆積

圖2 水下攔污柵吊桿銹蝕

（2）取水口檢修門

1）啟閉機(jī)軌道尚在，但未見啟閉機(jī)及啟閉機(jī)室。

2）壩頂放置的取水口檢修閘門及吊耳頂部受雨水侵蝕嚴(yán)重，已被損壞，見圖3、圖4。

圖3 取水口檢修閘門銹蝕

圖4 檢修閘門吊耳銹蝕破壞

（3）取水口閥門（共9 套）

1）閥門連接明管外壁涂層全部脫落。

2）閥門室未見檢修吊，軌道尚在。

3）檢修閥（4 套）及連通閥為手動(dòng)啟閉閥門，操作極為不方便；1#取水口檢修閥機(jī)架座已經(jīng)斷裂。

4）工作閥（4 套）驅(qū)動(dòng)電機(jī)全部丟失，并且無手搖機(jī)構(gòu)，無法操作；工作閥控制系統(tǒng)已完全失效。

5）連接螺栓銹損，管壁銹蝕嚴(yán)重，見圖5、圖6。

圖5 閥門連接明管外壁銹蝕

圖6 控制系統(tǒng)癱瘓且老化嚴(yán)重

（4）泄洪底孔固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)

1）高度限制器失效；未設(shè)置負(fù)荷控制器。

2）制動(dòng)器和減速器老化嚴(yán)重，制動(dòng)輪銹蝕且硬度值不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，電動(dòng)機(jī)（JZB 型）已被列入國(guó)家公布的淘汰電動(dòng)機(jī)名錄，見圖7。

圖7 泄洪底孔事故閘門啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)老化

3）啟閉機(jī)機(jī)架局部涂層有大面積脫落現(xiàn)象。

（5）泄洪底孔事故檢修閘門（水下）

1）吊耳及面板銹蝕均勻；主軌與側(cè)軌表面均已經(jīng)銹蝕。

2）門體頂部污物較多，門體與右邊門槽存在較多夾雜物；門槽底部發(fā)現(xiàn)較大金屬異物（疑為工字鋼焊接件）。

3）未發(fā)現(xiàn)泄洪底孔攔污柵。

（6）泄洪底孔固定錐形閥

1）漏水嚴(yán)重（射水）；無手動(dòng)、電動(dòng)互鎖裝置；未配備檢修設(shè)施；連接螺栓銹損，管壁銹蝕嚴(yán)重，見圖8。

圖8 泄洪底孔錐形閥漏水

2）驅(qū)動(dòng)裝置漏油嚴(yán)重；未設(shè)置負(fù)荷控制器。

3 金屬結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)水口金屬結(jié)構(gòu)改造

根據(jù)閘門和啟閉機(jī)安全檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)水口攔污柵、檢修閘門和閥門應(yīng)全部更換。

（1）1#～4#攔污柵孔口尺寸均為1.1 m×1.1 m，4 孔攔污柵均進(jìn)行改造，攔污柵結(jié)構(gòu)和布置與原攔污柵相同，攔污柵埋件不更換，因此支承中心距仍為1.45 m，擬采用滑塊支承的平面焊接結(jié)構(gòu)，側(cè)向限位滑槽，每孔攔污柵與吊桿連接鎖定于閘頂，啟閉設(shè)備擬采用電動(dòng)葫蘆100 kN-6 m。電動(dòng)葫蘆懸掛于排架下，拆除原混凝土排架，采用剛排架。

檢修閘門與原結(jié)構(gòu)節(jié)本相同，采用滑塊支承的平面焊接鋼閘門，水封采用“P”型水封，主梁采用工字型，面板厚12 mm，啟閉設(shè)備與攔污柵共用電動(dòng)葫蘆100 kN-6 m［6-7]。

面板厚度估算采用下式：

式中：ky為彈塑性薄板支承長(zhǎng)邊中點(diǎn)彎應(yīng)力系數(shù)；查表；α 為彈塑性調(diào)整系數(shù)；b/a當(dāng)＞3 時(shí)，α 取1.4；b/a≤3 時(shí)，α 取1.5；a、b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；q為面板計(jì)算區(qū)格中心的水壓力強(qiáng)度；N/mm2；［σ]為鋼材的抗彎容許應(yīng)力，查表。

經(jīng)計(jì)算，面板厚度δ=9.7 mm，考慮銹蝕余量2 mm，則δ=11.7 mm。根據(jù)板厚系列，取面板厚度δ=12 mm。

（2）進(jìn)水口9 臺(tái)閘閥和5 套伸縮節(jié)進(jìn)行更換，由于鋼管銹蝕嚴(yán)重，把彎管、四通等連接鋼管更換，鋼管留出可焊接短管外，割掉其余鋼管全部更換，留出的短管進(jìn)行防腐處理。法蘭與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)不能配套，因此更換原有連接法蘭［8]。

進(jìn)水口閘門的更換，由于原埋件保持不變，所以新建閘門應(yīng)于原埋件配套這是關(guān)鍵，其次側(cè)向限位的材質(zhì)是選擇鑄鐵，還是尼龍材質(zhì)，要看側(cè)重于降低摩擦力，還是保護(hù)原埋件，本次改造選用尼龍材質(zhì)，由于原埋件已經(jīng)有銹蝕現(xiàn)象，所以更側(cè)重保護(hù)原埋件，此外尼龍材質(zhì)在干摩擦?xí)r有較高的摩擦系數(shù)，而在有油或有水時(shí)，摩擦系數(shù)下降很大。

3.2 泄洪底孔金屬結(jié)構(gòu)改造

根據(jù)安全檢測(cè)結(jié)果，更換泄洪底孔進(jìn)口事故檢修閘門和啟閉機(jī)。打撈底部的型鋼，對(duì)銹蝕的埋件進(jìn)行防腐處理。進(jìn)口原設(shè)有攔污柵，因故沒有實(shí)施，從底孔實(shí)際運(yùn)行來看，沒出現(xiàn)什么問題，因此維持原狀不變。

改建的閘門運(yùn)行方式仍為動(dòng)水閉門、充水平壓后靜水啟門，結(jié)構(gòu)形式與原閘門基本相同，擬采用單吊點(diǎn)、滑動(dòng)支承、后水封的平面焊接閘門，門頂設(shè)一個(gè)φ300 充水閥；原閘門采用膠木滑道，膠木遇水膨脹后表面硬度降低，老化后摩擦系數(shù)值存在突變，從丹江口水電站運(yùn)行20 多年后的原型觀測(cè)來看，摩擦系數(shù)f＝0.33～0.38，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范推薦值0.12～0.14，不能保證閘門動(dòng)水閉門運(yùn)行，給工程的安全運(yùn)行帶來極大隱患，故本次設(shè)計(jì)的滑道擬改用承載能力高，低磨損、自潤(rùn)滑性能好的尼龍滑道。埋件不進(jìn)行更換，主體材料擬采用Q235C，改造后啟閉設(shè)備采用高揚(yáng)程固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)QPG630-42 m，可以把閘門從底檻直接提到檢修平臺(tái)進(jìn)行檢修［9]。

原泄洪底孔出口采用錐閥DN1700，改造設(shè)計(jì)經(jīng)方案對(duì)比后更換錐形閥，新建弧形工作閘門。

改造方案為：方案1，重新加工安裝一個(gè)DN1700 錐閥；方案2，新建弧形工作閘門。

對(duì)比方案優(yōu)缺點(diǎn)論證：①依據(jù)原設(shè)計(jì)要求底孔需參與泄洪，若底孔出口采用錐形閥，則進(jìn)口必須設(shè)置攔污柵；②DN1700 錐閥為非標(biāo)系列的閥門，標(biāo)準(zhǔn)系列為DN1600、DN1800 錐閥，采用DND1600 的標(biāo)準(zhǔn)閥門時(shí)泄量不夠，采用DND1800 的標(biāo)準(zhǔn)閥門時(shí)局部會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，通過調(diào)研后國(guó)內(nèi)需定制生產(chǎn)非標(biāo)的DN1700 錐閥；③錐形閥泄流時(shí)霧化嚴(yán)重；④錐形閥檢修不方便。相比于錐形閥，根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 74-2019）泄水系統(tǒng)工作閘門宜選用弧形閘門［7]。此外，弧形工作閘門可通過控制開度來調(diào)節(jié)下泄流量，并且弧形閘門便于維修利于運(yùn)行管理。

3.3 閘門及埋件防腐設(shè)計(jì)

按照各種閘門的工作特性和工作環(huán)境，對(duì)照水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范設(shè)計(jì)防護(hù)措施。達(dá)到安全、有效、經(jīng)濟(jì)、合理的目的初選閘門及埋件的表面防護(hù)措施。

此次改造閘門及埋件按重防腐條件對(duì)待，閘門門體和攔污柵均采用噴鋅防腐，本水庫為飲用水源地，因此面漆采用飲用水專用涂料。埋件和鋼管除銹等級(jí)為Sa2 級(jí)，刷涂環(huán)氧富鋅底漆80 μm、環(huán)氧云鐵封閉漆厚度50 μm、飲用水專用涂料200 μm［10]。

閘門支鉸軸、吊耳軸、支承輪軸、連接軸等表面采用鍍鉻防腐，第一層為乳白鉻，第二層為硬鉻，厚度均不小于0.04 mm。固定閘門水封的所有螺栓均采用不銹鋼螺栓，其余螺栓均采用鍍鋅螺栓，螺母均采用鍍鋅處理。

4 結(jié)語

1）大多數(shù)金屬結(jié)構(gòu)改造工程都牽扯到水下作業(yè)施工的問題，水下作業(yè)施工難度大，潛水員水下作業(yè)費(fèi)用昂貴，因此在改造的初步設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮金屬結(jié)構(gòu)安裝的施工組織、設(shè)備、人員和資金的投入，做詳細(xì)的施工組織計(jì)劃。

2）金屬結(jié)構(gòu)改造工程應(yīng)盡量不破壞原水工結(jié)構(gòu)，不宜大規(guī)模拆除，以保證原機(jī)構(gòu)的完整性，特別需注意在不破壞或不改建原閘門、啟閉機(jī)等設(shè)備的埋件時(shí)，保證新建閘門、啟閉機(jī)滿足原埋件的尺寸要求。

3）應(yīng)特別注意原設(shè)計(jì)各結(jié)構(gòu)所具備的功能，以指導(dǎo)合理化設(shè)計(jì)，合理化施工，合理化運(yùn)行。比如具備泄洪要求的結(jié)構(gòu)一定不能在汛期進(jìn)行改造；具備城鄉(xiāng)供水、灌溉要求的，一定要制定合理的停水計(jì)劃表或調(diào)水、補(bǔ)水方案，各方協(xié)調(diào)以滿足在改建期對(duì)水的需求；具備發(fā)電要求的應(yīng)盡量降低因改造停止發(fā)電所損失的經(jīng)濟(jì)效益。

4）金屬結(jié)構(gòu)改造工程不應(yīng)是簡(jiǎn)單的發(fā)現(xiàn)眼前問題就解決當(dāng)前問題，應(yīng)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的打算，超前的意識(shí)，應(yīng)將新的設(shè)計(jì)理念、材料、制作加工及施工工藝、設(shè)備應(yīng)用于改造工程中去，否則是禁不起時(shí)間的考驗(yàn)的。