閘門結(jié)構(gòu)可靠性分析與設(shè)計(jì)

林 良,廖 君（.溫州澤雅水庫(kù)管理站,浙江 溫州 3503；.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院,杭州 33）

閘門結(jié)構(gòu)可靠性分析與設(shè)計(jì)

林 良1,廖 君2
（1.溫州澤雅水庫(kù)管理站,浙江 溫州 325023；2.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院,杭州 311231）

摘 要：由于閘門工作環(huán)境的特殊性，使得閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的因素很多；結(jié)合工程實(shí)例的具體情況，分析了閘門破壞事故產(chǎn)生的原因，對(duì)閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)；在此基礎(chǔ)上，提出了閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的因素。

關(guān)鍵詞：閘門；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；可靠性分析

1 前言

閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)布置、荷載分析、內(nèi)力計(jì)算以及應(yīng)力計(jì)算等。單純由于閘門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而引起閘門破壞的事故實(shí)例比較少見(jiàn)，多數(shù)事故是伴隨著其他因素的作用而產(chǎn)生的，如運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了較大的動(dòng)力荷載、制造材質(zhì)質(zhì)量低劣、工藝水平較低等。本文結(jié)合工程實(shí)例，分析了由于閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面缺陷而引起的事故，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行了改進(jìn)。

2 分洪閘弧形閘門破壞事故

2.1 工程簡(jiǎn)介

該分洪閘是水流改道工程中的大型水閘，水閘計(jì)23孔，分設(shè)有10m×5m-5m弧形閘門，1?！?1?？诪轭A(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土弧形閘門，12?！?3?？诪殇摻罨炷帘せ⌒伍l門。均選用QPQ2×75kN卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)，按一機(jī)啟動(dòng)3扇閘門的方式配置（其中10＃、11＃孔為一機(jī)啟兩門）。平時(shí)閘門操作頻繁，事故發(fā)生前經(jīng)受的最大水頭為3.98m。

薄殼弧形閘門的結(jié)構(gòu)型式比較復(fù)雜，鋼筋混凝土斜支臂的上下兩根肢桿支撐著上下兩根橫梁，擋水面板在橫梁之間為帶肋筒殼，在上橫梁以上為加肋板。計(jì)算筒殼時(shí)，縱向簡(jiǎn)化為雙懸臂梁，按材料力學(xué)公式計(jì)算其縱向應(yīng)力；橫向采用折板代替圓弧筒殼，兩邊固定在上下橫梁處，用力矩分配法計(jì)算橫向彎矩及應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果，縱向拉應(yīng)力及主拉應(yīng)力均小于4.2MPa。據(jù)此，設(shè)計(jì)上采用板厚50mm，截面中央配一層φ4mm鋼筋網(wǎng)。

2.2 事故概況

某日，上、下游水位分別為3.02m、- 0.85m，管理人員看到水漫門頂后，即啟動(dòng)15?！?0＃諸孔閘門泄水，約2min后(閘門開(kāi)度約0.4m)，15＃門葉殼面突然穿洞射水，同時(shí)發(fā)出很大的響聲，工作橋振動(dòng)強(qiáng)烈，橋上啟閉鋼索跳動(dòng)不已，幅度達(dá)到200mm左右。管理人員慌忙停機(jī)，幾分鐘后，其他人員聞聲趕來(lái)，打開(kāi)全部閘門。在啟門過(guò)程中，由于振動(dòng)強(qiáng)烈，12＃、13＃、14＃、15＃及16＃諸門葉殼面均被振破，穿洞射水。孔洞均位于門葉中央偏下方，面積均在lO㎡以上，典型的破壞情況如16＃閘門門葉，見(jiàn)圖1。門葉骨架基本完好，部分橫隔板、拱肋、下橫梁及支臂豎桿雖有裂縫，但不嚴(yán)重。

2.3 事故分析和處理

破壞原因是由于筒殼部分強(qiáng)度不夠引起的。設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)計(jì)算方法過(guò)于簡(jiǎn)化，不能真實(shí)反映筒殼的受力情況，且配筋量太小，布筋也不盡合理。在筒殼和上下橫梁及橫隔板交接處，應(yīng)力情況比較復(fù)雜，一般都需要特別加強(qiáng)處理，而設(shè)計(jì)中并未予以重視。因此在閘門投入運(yùn)行后不久，在筒殼的四周便出現(xiàn)了密集的裂縫，典型情況如18＃閘門門葉，見(jiàn)圖2。有的裂縫貫穿殼面，下游可見(jiàn)濕痕，這些裂縫一旦遇到強(qiáng)烈振動(dòng)，極易破碎崩潰，這是原因之一。

其次是塘尾分洪閘在閘門小開(kāi)度泄水時(shí)，下游形成淹沒(méi)水躍，漩滾直接沖擊門葉，產(chǎn)生了很大的動(dòng)水作用力，激起門葉振動(dòng)，促使已經(jīng)開(kāi)裂的筒殼面板發(fā)生破壞。

事故后，把12?！?3＃諸孔門葉的筒殼面板全部改為鋼絲水泥網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在中央處增設(shè)兩道橫隔板以加強(qiáng)筒殼穩(wěn)定性。對(duì)所有裂縫作了適當(dāng)修補(bǔ)，并改善了底止水及底緣形式。

閘門修復(fù)后運(yùn)行多年，情況良好。

3 水庫(kù)溢洪道弧形閘門破壞事故

3.1 工程簡(jiǎn)介

該水庫(kù)的溢洪道共計(jì)5孔，采用雙扉式閘門，其布置見(jiàn)圖3。下扉為10m×9m - 13m潛沒(méi)式弧形閘門，實(shí)腹式雙主橫梁、斜支臂焊接結(jié)構(gòu)，球形鉸。上扉為10m×4m -4m露頂式弧面定輪閘門，實(shí)腹式雙主橫梁，用2×375kN弧形門啟閉機(jī)操作。閘門的操作程序是：開(kāi)門時(shí)先提升下扉，當(dāng)開(kāi)度達(dá)到7,5m左右時(shí)，下扉的吊座接觸到上扉的底部，隨后便連同上扉一起上升。關(guān)門時(shí)則相反。上扉猶如活動(dòng)胸墻。

溢洪道建成后，由于水庫(kù)庫(kù)容較小，故運(yùn)用比較頻繁，且閘門大都在局部開(kāi)啟條件下運(yùn)行。閘門發(fā)生事故前，每孔閘門的開(kāi)門泄水累計(jì)總時(shí)數(shù)均在10000h以上。如5＃門在事故前曾操作587次，運(yùn)行10480h，3＃門則更多，操作次數(shù)達(dá)961次。

3.2 事故概況

（1）某日，溢洪道門前水頭12 .76m，當(dāng)5＃門提升到0.76m時(shí)，突然一聲巨響，弧形閘門右支臂上下肢桿在中部(離主橫梁連接點(diǎn)約3.5m)向下彎曲，左支臂隨之扭曲破壞。左右兩支臂與支鉸相連的螺栓全部拉斷，兩個(gè)吊座從門葉上撕下，門葉翻轉(zhuǎn)，連同支臂被水流沖到下游。事后檢查發(fā)現(xiàn)支承牛腿的混凝土表面有裂縫；上扉閘門的右下角變形，向上游位移約10cm。

（2）某日，庫(kù)水位與門頂齊平，并仍在繼續(xù)上漲，乃開(kāi)門泄洪。先提2＃門，開(kāi)度0.5m。接著提升3＃門，當(dāng)開(kāi)到0.34m時(shí)，突然一聲巨響，弧形閘門右支臂在離主橫梁約3.5m處，上、下肢桿向下彎曲、斷裂，隨之左支臂上、下肢桿也在離主橫梁約3m處分別向上、向下彎折。左支臂與支鉸的6個(gè)連接螺栓拉斷5個(gè)，殘留的一個(gè)螺栓將一截肢桿掛在牛腿上。右支臂與支鉸的連接螺栓全部拉斷，門葉連同支臂被水流沖到下游。啟閉機(jī)卷筒上的鋼絲繩壓板受鋼絲繩牽動(dòng)，轉(zhuǎn)向90度，鋼絲繩被拉斷后隨門葉沖走。左、右牛腿均有深度不大的裂紋。上扉閘門左下角，距閘墩0.8m處，向上游方向凸出100mm左右，變形范圍約300mm。

3.3 事故分析及處理

事故的主要原因是支臂強(qiáng)度不足。經(jīng)核算，僅靜水壓力一項(xiàng)，支臂應(yīng)力已達(dá)到158.4MPa。支臂肢桿為箱形截面，翼緣板寬300mm（豎直方向），腹板高664mm(水平方向)，在長(zhǎng)約9.5m的支臂全長(zhǎng)間雖有4根豎撐桿，但斷面過(guò)小（為I20工字鋼），且均直接焊接在腹板上，起不到增強(qiáng)支臂在平面內(nèi)穩(wěn)定的作用。閘門局部開(kāi)啟時(shí)，容易產(chǎn)生振動(dòng)和由此引起的動(dòng)應(yīng)力。

其次，失事后對(duì)支鉸位置作了量測(cè)，3＃、5＃門的左右支鉸不同心、鉸軸偏斜，誤差均已超過(guò)了安裝容許值，且是5套閘門中誤差最大的2套，因此對(duì)支臂還會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的安裝應(yīng)力。

第一次事故后，因未作事故原因分析，僅按原設(shè)計(jì)圖紙重制了一套新門。第二次事故后，重制3＃門時(shí)改進(jìn)了支臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大幅度提高了支臂結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)其他各孔閘門也更換了支臂。

加固后，運(yùn)用情況正常。

4 水電站溢流壩弧形閘門破壞事故

4.1 工程簡(jiǎn)介

該水電站的溢流壩上設(shè)有4孔9m x12m -11.8m弧形閘門，采用實(shí)腹式三主橫梁、三肢斜支臂焊接結(jié)構(gòu)，鋼材牌號(hào)SS-41。選用固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)操作，門葉構(gòu)造見(jiàn)圖4?？拷娬疽诘?4孔為排漂孔，其弧形閘門的頂部附設(shè)有排漂小門。

弧形閘門的結(jié)構(gòu)比較單薄，門重37t，按孔口面積計(jì)算，單位孔口面積的門重僅0.34t /m2，較一般常見(jiàn)的弧形閘門約輕19%，屬于輕型結(jié)構(gòu)。

4.2 事故概況

建成當(dāng)年開(kāi)始蓄水，很快達(dá)到正常高水位。隨后一般用3＃門作小開(kāi)度泄水，調(diào)節(jié)庫(kù)水位以維持在120.5m高程，最大開(kāi)度為0.5m。

4.3 事故分析及處理

事故調(diào)查除現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查外，還進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)、門葉材質(zhì)分析及結(jié)構(gòu)計(jì)算。調(diào)查結(jié)果認(rèn)為破壞的原因是由于門葉支臂過(guò)于單薄，強(qiáng)度不足，在水壓力的作用下失穩(wěn)而破壞。

門葉支臂為三肢桿斜支臂，肢桿節(jié)間連接構(gòu)件只有豎撐桿，整體性差。經(jīng)驗(yàn)算，按兩端鉸接分析的壓桿長(zhǎng)細(xì)比分別為λ上肢為208，λ中肢為174，λ下肢為163，均已超過(guò)規(guī)范規(guī)定的容許長(zhǎng)細(xì)比[A]為120。另外，實(shí)測(cè)到14、28門葉支臂各肢桿均有因構(gòu)件自重而產(chǎn)生的初始撓度10～20mm，這對(duì)壓桿設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)不容忽視的原因。計(jì)算表明，支臂支桿因水壓力而引起的應(yīng)力，在無(wú)初始撓度時(shí)為75～80MPa,而有初始撓度時(shí)為180～200MPa。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得門葉支臂肢桿的軸向壓力為59.2 MPa(上肢)及72.6 MPa(下肢)，彎曲壓力為41.6 MPa(上肢)及52.3 MPa(下肢)。按計(jì)算規(guī)范核算，其合成應(yīng)力已超過(guò)壓桿容許應(yīng)力的4.3倍(上肢)及3.5倍(下肢)。

從門葉構(gòu)造上考慮，支臂肢桿間的豎撐作用不大。底部止水為方形，外形不理想，在小開(kāi)度泄水時(shí)，會(huì)引起較大的振動(dòng)。試驗(yàn)表明，弧形閘門在這種場(chǎng)合，正處于動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)域。

事故后，對(duì)4孔閘門作了全面的改造和加固處理。

5 結(jié)論

結(jié)合工程實(shí)例的分析，閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）閘門的結(jié)構(gòu)布置要結(jié)合土建、機(jī)械等方面的情況全面考慮，布局要合理，作用力的傳遞途徑要明確，結(jié)構(gòu)的計(jì)算圖式要盡可能符合閘門真實(shí)的工作狀況。

（2）要充分了解閘門未來(lái)的運(yùn)行工況，對(duì)作用在閘門上的各類荷載和力要分析正確，當(dāng)存在有可能發(fā)生較大而又無(wú)法精確估算的作用力，特別是動(dòng)水作用力時(shí)，結(jié)構(gòu)布置和安全度的選取要特別慎重。

（3）閘門結(jié)構(gòu)的各類構(gòu)件都要有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

（4）結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)布置十分重要，要簡(jiǎn)單明快，過(guò)分繁瑣復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)容易引起各構(gòu)件相互牽制，作用力不明確，形變能力低，容易引起應(yīng)力集中和復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，不利于閘門結(jié)構(gòu)的工作。

（5）當(dāng)套用現(xiàn)成的工程設(shè)計(jì)或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖紙時(shí)，要對(duì)原設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)條件和運(yùn)行要求作深入了解，要盡可能去實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)考察該閘門的實(shí)際制作情況和運(yùn)行情況，必須杜絕盲目套用設(shè)計(jì)圖紙的做法。

參考文獻(xiàn)：

[1]范崇仁等.水工鋼結(jié)構(gòu)(第二版)[M].北京:水利電力出版社 ，1988.

[2]劉惟信.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì) [M] .北京: 清華大學(xué)出版社，2006

作者簡(jiǎn)介：林良（1962-）,浙江溫州人，大專，助理工程師，從事水利工程技術(shù)管理與維護(hù)工作。