希尼爾水庫(kù)放水涵洞平面鋼閘門維修方案探討

周 翔

(塔里木河流域工程建設(shè)處，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

1 工程概況

希尼爾水庫(kù)位于新疆巴州尉犁縣境內(nèi)，是一座以灌溉為主的注入式反調(diào)節(jié)平原水庫(kù)。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位913.46 m，校核洪水位913.60 m，總庫(kù)容9 800×104m3，正常蓄水位913.42 m，興利庫(kù)容8 632×104m3，死水位905.80m，死庫(kù)容1 000×104m3，正常蓄水位水庫(kù)水面積16.61 km2，工程規(guī)模為中型，工程級(jí)別為Ⅲ等。希尼爾水庫(kù)位于孔雀河流域，屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，年平均降水量56.4 mm，多年平均蒸發(fā)量2 772.8 mm，平均相對(duì)濕度為45%～47%，多年平均氣溫11.8℃。庫(kù)壩區(qū)出露地層主要為第四系沖洪積物、風(fēng)積物等和新近系沉積物，其中第四系地層主要為全新統(tǒng)沖洪積砂土(中粗砂等)、砂礫石、粉土，層厚多在1.0～4.0 m之間。

希尼爾水庫(kù)始建于2000年，于2003年正式蓄水，經(jīng)過多年運(yùn)行，希尼爾水庫(kù)部分結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行除險(xiǎn)加固。水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程分二期施工，主要加固內(nèi)容包括銑削攪拌水泥土防滲墻、混凝土蓋帽、復(fù)合土工膜鋪設(shè)、壩頂防浪墻與面板、放水閘弧形擋土墻、放水渠進(jìn)口面板、放水涵洞平面鋼閘門檢修等。其中，放水涵洞平面鋼閘門為四主梁的潛孔式平面鋼閘門，鋼閘門材質(zhì)采用Q345B，孔口尺寸為4.5 m×4.5 m，水頭高度25.2 m，閘門自重17.055 t，腹板前緣和后緣厚度分別為10和16 mm，腹板厚度14 mm，面板厚度12 mm。

2 時(shí)變可靠度理論

水工鋼閘門是一種復(fù)雜的超靜定體系結(jié)構(gòu)，閘門體系的失效形式多種多樣，主要包括主梁失效、面板失效及邊梁失效3種，而主梁的應(yīng)力值遠(yuǎn)大于邊梁和面板所受的應(yīng)力值，因此水工鋼閘門的可靠度可以直接由主梁結(jié)構(gòu)的可靠度來計(jì)算。水工鋼閘門主梁結(jié)構(gòu)失效主要是由銹蝕引起厚度減小而造成結(jié)構(gòu)抗力降低，鋼閘門主梁銹蝕的速度并不是固定的，而是隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而逐漸變化的，即腐蝕速率為非線性變化[1-3]。水工鋼閘門在出廠之初，已涂刷防腐涂層，因而鋼閘門在運(yùn)行初期(約為5a)的腐蝕量是十分微小的，之后腐蝕速率隨著運(yùn)行時(shí)間增加而逐漸增大，最后慢慢趨于穩(wěn)定。水工鋼閘門的自然腐蝕規(guī)律：

(1)

(2)

式中：d∞為鋼閘門腐蝕量的長(zhǎng)期銹蝕厚度，一般取2～4 mm；d(t)為在時(shí)間t時(shí)的鋼閘門腐蝕厚度，mm；τc為涂層壽命，文中取5a；τt為過渡時(shí)間。

根據(jù)不同時(shí)刻鋼閘門的銹蝕量，可計(jì)算得到閘門的時(shí)變可靠度曲線，見圖1。

圖1 閘門時(shí)變可靠度曲線

根據(jù)《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(SL 101-2014)相關(guān)規(guī)定[4-5]，根據(jù)鋼閘門的銹蝕量可將水工鋼閘門的狀態(tài)劃分為A、B、C、D共4個(gè)等級(jí)。對(duì)應(yīng)地根據(jù)銹蝕狀態(tài)也可以將水工鋼閘門的時(shí)變可靠度曲線劃分為Ⅰ～Ⅳ共4個(gè)階段：第Ⅰ階段為未發(fā)生銹蝕狀態(tài)，此時(shí)鋼閘門表面涂層基本完整，僅存在少量零星分布的蝕坑，此階段的長(zhǎng)短取決于閘門防腐涂層的防腐周期，在這一階段時(shí)變可靠度并沒有低于閘門的目標(biāo)可靠度，僅需要開展定期巡回檢查即可；第Ⅱ階段為一般腐蝕階段，此階段水工鋼閘門已經(jīng)出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，可靠度指標(biāo)下降速度隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸增快，銹蝕厚度一般在0.5～0.6 mm，此階段銹蝕時(shí)間較短，一般為1～1.5 a，在此階段需要對(duì)閘門進(jìn)行噴砂除銹處理；第Ⅲ階段為較重腐蝕階段，時(shí)間一般在5 a左右，銹蝕厚度一般在1～2 mm，閘門構(gòu)件已存在一定程度的削弱，可靠度會(huì)逐漸低于目標(biāo)可靠度，如果要確保閘門結(jié)構(gòu)安全性和增加使用壽命，除了進(jìn)行除銹補(bǔ)漆涂鋁等處理，還需要對(duì)閘門進(jìn)行小修處理，以確保閘門不進(jìn)入或者延緩閘門進(jìn)入第Ⅳ階段；第Ⅳ階段為閘門嚴(yán)重銹蝕階段，銹蝕厚度一般大于3 mm，在此階段需要對(duì)閘門進(jìn)行大修處理。

3 閘門維修方案設(shè)計(jì)分析

3.1 目標(biāo)可靠度

水工金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的目標(biāo)可靠度指標(biāo)要求見表1。本工程級(jí)別為Ⅲ等，主要建筑物的閘門級(jí)別為3級(jí)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)。根據(jù)表1對(duì)應(yīng)的目標(biāo)可靠度要求，放水涵洞平面閘門的目標(biāo)可靠度取值應(yīng)為3.2。

表1 水工金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件目標(biāo)可靠度取值

3.2 時(shí)變結(jié)構(gòu)可靠度曲線

按照50 a的閘門使用年限進(jìn)行分析，對(duì)放水涵洞平面鋼閘門的時(shí)變結(jié)構(gòu)可靠度曲線進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2。從圖2中可知，當(dāng)放水涵洞平面閘門運(yùn)行23 a后，時(shí)變可靠度將低于目標(biāo)可靠度，閘門結(jié)構(gòu)將處于失效狀態(tài)。雖然目前閘門運(yùn)行時(shí)間不足20 a，但可靠度已經(jīng)基本接近于3.2，如果不采取有效措施，將對(duì)水庫(kù)的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。因此在除險(xiǎn)加固時(shí)，提出對(duì)放水涵洞平面鋼閘門進(jìn)行一次檢修。

圖2 放水涵洞平面鋼閘門時(shí)變可靠曲線

3.3 閘門維修方案設(shè)計(jì)

方案一：根據(jù)水工金屬結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的檢修方法，一般小修間隔時(shí)間為4 a/次，大修間隔時(shí)間為8 a/次，每一次檢修的時(shí)間和項(xiàng)目均是固定不變的，假設(shè)每一次閘門涂層的保護(hù)有效期均是6 a。

方案二：在閘門Ⅰ～Ⅲ階段，均按照第二小節(jié)的方法進(jìn)行檢修即可確保閘門的安全可靠性；在閘門第Ⅳ階段，每2a對(duì)平面閘門進(jìn)行一次檢修，然后每6a對(duì)閘門進(jìn)行一次大修，噴涂新的防腐層后不做其他檢修，待此次涂層完全失效后再進(jìn)行下一次檢修，即在閘門運(yùn)行7、10、19、28、37和46 a后進(jìn)行小修，在閘門運(yùn)行12、21、30、39和48 a后進(jìn)行一次大修。

方案三：在閘門Ⅰ～Ⅲ階段，檢修方案與方案二相同；在閘門第Ⅳ階段，每3 a對(duì)平面閘門進(jìn)行一次小修，每12 a對(duì)平面閘門進(jìn)行一次大修，噴涂新的防腐層后不做其他檢修，待此次涂層完全失效后再進(jìn)行下一次檢修，即在閘門運(yùn)行7、10、20、23、26、37和40 a后進(jìn)行小修，在閘門運(yùn)行12、29和43 a后進(jìn)行一次大修。

3.4 閘門維修方案對(duì)比

對(duì)3種放水涵洞平面鋼閘門檢修方案的時(shí)變可靠度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖3。從圖3中可以看到，對(duì)平面鋼閘門采取維修之后，時(shí)變可靠度呈階梯型下降。方案一時(shí)變可靠度理論在48 a后閘門為3.199 8<3.2，故不能完全滿足閘門50 a的使用年限要求；方案二在50 a后時(shí)變可靠度仍可以達(dá)到3.213 1>3.2，滿足閘門50 a的使用年限要求；方案三在28 a后時(shí)變可靠度為3.199 8<3.2，故也不能滿足閘門50 a的使用年限要求。

圖3 不同維修方案閘門時(shí)變可靠度對(duì)比

傳統(tǒng)檢修方案(方案一)下，需要進(jìn)行10次小修和6次大修，方案二需要進(jìn)行7次小修和6次大修，方案三僅需要進(jìn)行7次小修和3次大修。傳統(tǒng)檢修方案不僅需要更多的檢修次數(shù)，而且僅能使閘門勉強(qiáng)達(dá)到50 a的有效使用年限，因此該方案是不經(jīng)濟(jì)的；方案三雖然需要的大修次數(shù)最少，最為經(jīng)濟(jì)，但卻只能確保28 a的有效使用年限；方案二相比傳統(tǒng)檢修方案，減少了小修次數(shù)3次，但可以將時(shí)變可靠度一直保持在3.2以上，因此是最合理的維修方案。

從2003年首次蓄水運(yùn)行至今，希尼爾水庫(kù)已經(jīng)運(yùn)行19 a，因此根據(jù)方案二的維修方案，在本次除險(xiǎn)加固工程中，應(yīng)對(duì)放水涵洞平面鋼閘門采取小修措施。小修項(xiàng)目主要涉及門體表面檢查、大小主輪及反向輪檢查、閘門止水裝置檢查、閘門支撐檢查、鎖定裝置檢查、液壓裝置檢查、充水小門檢查、各處聯(lián)接螺栓檢查、焊縫檢查、閘門各構(gòu)件外觀檢查及設(shè)備運(yùn)行情況等11項(xiàng)[6-7]。

4 結(jié) 語(yǔ)

以希尼爾水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程為例，基于時(shí)變可靠度理論，對(duì)該水庫(kù)放水涵洞平面鋼閘門的檢修方案進(jìn)行了探討，結(jié)論如下：

1)根據(jù)閘門銹蝕程度，將閘門劃分為未發(fā)生銹蝕、一般銹蝕、較重銹蝕和嚴(yán)重銹蝕4個(gè)階段。

2)根據(jù)水庫(kù)工程級(jí)別，確定放水涵洞平面鋼閘門的目標(biāo)可靠度為3.2，在不進(jìn)行維修的情況下，鋼閘門可靠度將在第23年后低于3.2。

3)根據(jù)時(shí)變可靠度理論，提出了3種閘門維修方案，通過不同維修方案下時(shí)變可靠度和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，最終確定方案二為最合理的維修方案。根據(jù)方案二擬定的檢修方案，在本次除險(xiǎn)加固工程中，需要對(duì)放水涵洞平面鋼閘門進(jìn)行一次小修。