鐵甲水庫弧形工作閘門安全評價

陸繼鑫，沈長越，李曉林，徐 馳，朱笑然，錢世綱

(1.遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽興禹水利建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，遼寧 沈陽 110006)

水工金屬結(jié)構(gòu)通常包括閘門、啟閉機及其他附屬設(shè)施，其功能主要是攔截水流、控制流量、調(diào)節(jié)水位、排放漂浮物等，是水利工程安全可靠運行的重要組成部分[1- 6]。我國是世界上已建水利工程最多的國家，很多水利工程修建于20世紀50—70年代，由于當時資金、技術(shù)、施工工藝等因素的限制，建設(shè)質(zhì)量參差不齊，特別是水工金屬結(jié)構(gòu)包括閘門、啟閉機與控制設(shè)備，目前多數(shù)已陳舊老化，存有較大安全隱患，很大程度上威脅著下游人民的生命財產(chǎn)安全[7- 12]。

金屬結(jié)構(gòu)安全評價工作是對水庫大壩中的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進行安全評估的重要的工作，溢洪道的弧形工作閘門作為水庫下泄通道的控制工程，定期對其開展安全評價，對保證水庫大壩安全至關(guān)重要[13]。根據(jù)規(guī)范要求，閘門安全評價工作由現(xiàn)場安全檢測工作及理論復(fù)核工作兩部分組成[13]。2018年對鐵甲水庫進行安全評價工作，其中，弧形工作閘門安全評價為C級，大壩鑒定為三類壩。

1 工程背景

鐵甲水庫位于丹東市振興區(qū)湯池鎮(zhèn)萬寶村，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的一座大(2)型水利樞紐工程，水庫校核洪水標準2000年一遇，校核洪水位93.59m，相應(yīng)庫容2.56億m3；設(shè)計洪水標準為200年一遇，設(shè)計洪水位92.23m；正常高水位89.10m，死水位75.10m[14]。

溢洪道為正堰陡坡式，堰頂高程為86.60m，溢洪道寬56m，凈寬52m，最大泄量為1537m3/s，堰上設(shè)置10.4m×5.2m(寬×高)弧形鋼閘門5扇，采用雙吊點前拉式弧門卷揚機啟閉，啟閉機額定容量為2×100kN，動水啟閉，調(diào)節(jié)流量。

鐵甲水庫自1964年竣工投入使用，至今已運行50余年。雖然在2011年10月進行溢洪道改建工程中，對弧形工作閘門進行除銹、噴鍍鋅及涂料封閉等防腐措施。但該閘門已超過規(guī)范規(guī)定的30年報廢折舊年限，需要進行安全檢測對閘門現(xiàn)狀進行數(shù)據(jù)采集及安全復(fù)核計算[15]。弧形閘門迎水側(cè)及背水側(cè)現(xiàn)狀圖如圖1—2所示。

圖1 溢洪道弧形閘門迎水側(cè)

圖2 溢洪道弧形閘門迎水側(cè)

2 弧形閘門安全檢測

2.1 外觀普查

外觀普查是對檢查對象最直觀直接的檢測手段。鐵甲水庫溢洪道共設(shè)5扇弧形鋼閘門，通過外觀普查，閘門的外觀整體良好，面板、橫梁、支臂等金屬構(gòu)件無變形、扭曲等現(xiàn)象，閘門的面板和上主梁腹板部分區(qū)域有銹蝕，迎水面面板底部銹蝕較為嚴重。閘門腐蝕現(xiàn)狀如圖3—4所示。

圖3 溢洪道弧形閘門迎水側(cè)

圖4 溢洪道弧形閘門迎水側(cè)底部

2.2 涂層厚度及蝕余厚度檢測及分析

鐵甲水庫溢洪道的5扇弧形工作閘門均為1964年出廠，運行至今已50余年，運行年限過長，同時根據(jù)規(guī)范要求，有必要對閘門鋼構(gòu)件的涂層厚度及蝕余厚度進行檢測，檢測得到的數(shù)據(jù)能夠為后續(xù)理論復(fù)核計算提供實測依據(jù)。對溢洪道5扇閘門均進行實際檢測，抽樣檢測率為100%，符合規(guī)范要求。閘門各鋼構(gòu)件的涂層厚度檢測結(jié)果見表1，5扇閘門鋼構(gòu)件的蝕余厚度檢測統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表1 溢洪道閘門鋼構(gòu)件涂層厚度檢測結(jié)果表 單位：μm

溢洪道共設(shè)5扇弧形工作閘門，以上數(shù)據(jù)均為分別對5扇閘門進行數(shù)據(jù)采集后整理而成。閘門外觀整體良好，無變形、扭曲，弧形閘門面板、上主梁腹板部分區(qū)域有銹蝕，迎水面面板底部銹蝕較為嚴重。閘門結(jié)構(gòu)表面防腐蝕涂層平均厚度為202μm，面板蝕余厚度平均值為7.27mm，主梁結(jié)構(gòu)蝕余厚度平均值約為15.45mm，支臂20號槽鋼翼緣和腹板的蝕余厚度平均值分別約為6.59mm和10.46mm。

3 弧形工作閘門安全復(fù)核計算

3.1 基本資料

本閘門為焊接鋼結(jié)構(gòu)表孔弧形工作閘門，采用雙主梁斜支臂圓柱鉸，梁系結(jié)構(gòu)采用疊層布置，啟閉設(shè)備采用前拉式弧門卷揚啟閉機，容量為2×100kN。操作要求為動水啟閉，調(diào)節(jié)流量。該閘門設(shè)計水位為91.55m，底坎高程86.60m，設(shè)計水頭為4.95m，考慮超高因素，閘門高度取值為5.2m。復(fù)核計算時以靜水壓力為主要荷載作為計算的依據(jù)。閘門支鉸中心距閘門底坎垂直距離4.95m，支鉸中心高程為91.55m，面板曲率半徑為6.0m。

閘門門葉部分主要材料為CT3，支臂部分主要材料為CT3。該閘門已運行50余年，根據(jù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，使用年限修正系數(shù)K取0.9[15]。

表2 溢洪道5扇閘門鋼構(gòu)件蝕余厚度檢測統(tǒng)計結(jié)果表

閘門材料CT3，原蘇聯(lián)鋼材代號，中國材料取為Q235A(尺寸分組為第1組)，允許抗拉(壓)應(yīng)力為[σ]=160×0.9×0.95=136.8MPa，抗剪應(yīng)力為[τ]=95×0.9×0.95=81.2MPa，允許變形[f]=[L/600]=10.03mm。

3.2 面板復(fù)核計算

面板厚度按下式計算：

(1)

式中，Ky—彈塑性薄板支承長邊中點彎應(yīng)力系數(shù)；q—面板計算區(qū)格中心的水壓力強度，MPa；α—彈塑性調(diào)整系數(shù)，b/a>3時，α=1.4；b/a≤3時，α=1.5；a、b—面板計算區(qū)格的短邊和長邊長度，mm；[σ]—鋼材的抗彎容許應(yīng)力，[σ]=136.8MPa[16]

根據(jù)閘門的主次梁框格布置，將面板分為上(1#及2#)、中(3#及4#)、下(5#)三段，共5塊區(qū)格，每塊面板厚度計算結(jié)果見表3。

表3 閘門面板厚度計算結(jié)果表

根據(jù)以上計算結(jié)果，并考慮一定的防銹蝕余度，面板厚度取為δ=10mm。實測面板蝕余厚度最大值為7.84mm，最小值6.70mm，平均值為7.27mm，均不滿足強度條件。

3.3 主框架單位剛度比復(fù)核

根據(jù)閘門主框架銹蝕的檢測成果，主梁前、后翼緣和腹板蝕余厚度最小值為分別為15.35、15.12、15.03mm，支臂結(jié)構(gòu)中，20a槽鋼翼緣和腹板的蝕余厚度最小值分別為為10.08mm和6.12mm。因此，弧形鋼閘門復(fù)核計算以主梁前后翼緣和腹板厚度取15mm；支臂結(jié)構(gòu)中20a槽鋼翼緣取10mm，腹板厚度取6mm。主梁和支臂的斷面尺寸如圖5—6所示。

圖5 主梁斷面尺寸圖

圖6 支臂斷面尺寸圖

經(jīng)計算主橫梁的慣性矩Ix=84385.5cm4，支臂的慣性矩Ihx=4287.6cm4。主框架尺寸如圖7所示。

表4 主框架計算荷載表

表5 主梁及支臂強度、剛度計算結(jié)果表

圖7 主框架尺寸圖

其中主框架基本尺寸有計算跨度b=6020mm，a=1875mm，c=2190mm，h=5456mm，夾角α=tan-1(a/h)=18.97°，經(jīng)計算支臂長度h′=h/cosα=5769mm。主框架單位剛度比計算公式為[16]：

(2)

經(jīng)計算K0=18.9，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，斜支臂弧形閘門的主框架剛度比K0=3～7。支臂可能存在強度不足，需進一步復(fù)核。

3.4 主框架的強度及穩(wěn)定復(fù)核

以主橫梁及斜支臂組成的主框架，在水壓力+最大啟閉力Q=100kN組合疊加作用下的瞬時狀態(tài)為最危險工況。此狀態(tài)下計算荷載結(jié)果列于表4。

分別對主梁及支臂的強度，剛度進行復(fù)核計算，計算結(jié)果見表5。

根據(jù)上述結(jié)果可以得到：

(1)σL，σ1，σ2均小于材料允許抗拉(壓)應(yīng)力[σ]=136.8MPa，τ小于材料允許抗剪應(yīng)力[τ]=81.2MPa，但數(shù)值非常接近，主梁的懸臂端撓度及跨中撓度均小于允許撓度[f]=10.03mm。

(2) 支臂強度小于[σ]=136.8MPa，強度滿足要求，但在彎矩作用平面內(nèi)和彎矩作用平面外穩(wěn)定應(yīng)力均大于允許抗拉(壓)應(yīng)力[σ]=136.8MPa計算均不滿足要求。

4 結(jié)語

(1) 弧形鋼閘門面板經(jīng)計算，需要厚度為10mm，面板蝕余厚度經(jīng)檢測最大值為7.84mm，已不滿足強度要求，閘門面板應(yīng)更換。

(2) 主梁強度、剛度、整體穩(wěn)定性滿足要求，但抗剪強度儲備不足。

(3) 支臂強度滿足要求，在彎矩作用平面內(nèi)和彎矩作用平面外穩(wěn)定性計算均不滿足要求，承受設(shè)計水頭支臂將發(fā)生失穩(wěn)，支臂必須更換。

根據(jù)以上，整扇閘門因腐蝕、強度、剛度等條件需要更換的構(gòu)件數(shù)達到30%以上，且工作年限超過規(guī)范規(guī)定的30年報廢折舊年限，所以該閘門已滿足報廢條件，建議更換整扇閘門。