水工金属结构安全检测综述

金晓华（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）



水工金属结构安全检测综述

金晓华
（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

水工金属结构的安全检测可分为定期检查和特种检测两部分，定期检查应该是运行管理部门日常工作的一部分，特种检测只有专业的机构和科研院所才能胜任。典型事故和故障分析表明，加强安全检测可以将许多事故消灭在萌芽中。定期检查应在检查前预评估，检查后再评估，记录应便于复查和对比。定期检查发现的问题可通过特种检测做进一步诊断。

安全检测；定期检查；特种检测；预评估

1　概述

水工金属结构是指布置在水工建筑物中，具有挡水、泄水、排沙等功能的闸门、拦污栅、压力钢管和启闭机，其中布置在泄水建筑物、输水和通航建筑物上游挡水结构中的闸门和启闭机，其结构安全性和启闭运行的可靠性往往与大坝安全运行直接相关，是下文讨论的主要对象。

我国在1995年颁布了第一部水工金属结构安全检测的技术规程——SL 101-1994《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》（目前已被SL 101-2014替代），首次将安全检测的内容明确为巡视检查、外观检查、启闭机性能状态检测、腐蚀检测、材料检测、无损探伤、应力检测、结构振动检测、启闭力检测、启闭机考核、水质等特殊项目的检测和安全复核计算12项内容。美国陆军工程师兵团于2001年颁布了工程师手册EM 1110-2-6054《水工钢结构的检查、评估和修复》，要求定期对水工钢结构（即水工金属结构）进行检查，若发现问题，再做进一步检测，如无损探伤、破坏性试验等。国内外的规范均表明，水工金属结构的安全检测是广义的，可以把它归纳为定期检查和特种检测两部分，定期检查应该是水电站或水利工程运行管理部门日常工作的一部分，特种检测涉及多方面的专业知识和技术，需要专业的机构和科研院所才能胜任。

2　水工金属结构安全检测的重要性

在我国水电水利工程中，大多数水工金属结构性能良好，为工程的安全运行提供了保证，但由于各种原因，仍有少量的闸门或启闭机存在运行故障，甚至出现事故，下面结合部分典型事故和故障的分析，谈谈安全检测在金属结构运行中的重要性。

2.1定期检查可避免轴承失效引起的事故

内蒙古某水利枢纽工程位于黄河干流上，其跌水闸4扇工作弧门为双主横梁、斜支臂、圆柱铰结构，支铰采用青铜衬套，要求定期注油润滑，但弧门运行10余年未认真做过注油维护。汛前空载试运行时，3号弧门发生支臂断裂、支座混凝土牛腿产生多条裂缝。4号弧门支铰转动时发出了咔咔声，支臂接近支铰端出现了明显的弯曲变形。事故后对4孔弧门支铰进行拆卸检查，3号、4号弧门支铰拆卸十分困难，拆卸后发现铰轴表面已严重锈蚀，蚀深0.5～1 mm［1］。

类似的情况还有葛洲坝2号船闸人字门，由于底枢润滑系统失效，蘑菇头和轴瓦抱死，使零件发生损坏［1］。

随着技术的不断进步，自润滑滑动轴承已在金属结构中广泛使用，但早期产品较多采用青铜轴瓦等材料，需要定期加油。此外，自润滑轴承中，80年代开发的SF等三层复合材料，润滑层厚度只有0.3mm，90年代改进后的TSG复合材料工作层厚度也只有1.2～1.5 mm，早期的自润滑轴承运行至今已接近30年，存在工作层磨损消失的风险。

由于许多轴承的更换并非易事，不同部位的轴承使用的频繁程度也各不相同，运行期间的定期检查就显得尤为重要。定期观察闸门运行形态，注意支铰、定轮等轴承使用部位发出的声音，观察启闭力的变化，必要时进行启闭力检测，尽早发现问题，予以维修，是避免事故发生的有效措施之一。

2.2安全检测指导存在流激振动的闸门安全运行

江西泉港分洪闸5孔弧门［1］，孔口尺寸12m×6 m-3.5 m，当上游水位32.83 m，下游水位28.39 m时，由于电动机故障，人工手摇开启3号弧门，开至600 mm，发现门叶振动强烈，历时17 min，弧门支臂失稳破坏，启闭机钢丝绳断裂，门叶被水流冲到下游，增大了下游的淹没损失。分析原因，发现是由于闸门开度较小时，门底出流产生淹没水跃，跃头紧挨闸门，加上启门速度慢，门叶受到冲击时间延长，使弧门支臂动力失稳。类似的还有河南三义寨水闸弧门，下游水跃引起共振，相当9～10级地震。江苏嶂山闸、安徽二铺闸等水闸也出现过类似情况。

动水操作的闸门包括工作闸门、事故闸门，启闭过程和局部开启运行时一般均存在流激振动，只是程度不同而已。设计往往要求运行时尽量避开有害振动区或避免在振动严重的区域长期停留，但何为有害振动或严重振动只能凭经验人为判断，当实际操作无法判断时，请专业机构进行振动检测和应力检测，可以指导闸门合理安全地运行。

2.3定期检查避免疲劳引起的闸门事故

一般情况下，闸门正常运行不存在疲劳问题，但当闸门运行过程出现明显振动时，持续振动产生的动荷载可能使应力集中处的局部应力超过屈服强度而产生裂纹。此外，材料及焊缝内部已有的微裂纹，随着使用次数的增加，裂纹扩展到一定程度，也会造成结构的突然断裂。

如刘家峡水电站泄水道平面工作闸门孔口尺寸3 m×8 m-70 m，当运行水头超过24 m，闸门大开度泄水时，出现上下游方向的强烈振动，运行1年，两扇闸门的24个滚轮全部出现裂纹，深度4～18mm，节间连接螺栓剪断6个。原因是振动产生的循环荷载引起高应力区产生疲劳裂纹［1］。

又如安徽蚌埠水电站5号机尾水闸门原设计要求提出孔口400 mm，实际操作控制不严，闸门有约10 cm挡住孔口影响出流，机组发电时，闸门常年晃动，尽管吊头设计应力不足10 MPa，但因疲劳导致吊头断裂，闸门坠落，检查其余11扇尾水闸门，多数吊头有不同程度的裂纹［1］。

类似的情况还有青铜峡尾水闸门受尾水波动影响，上下两节连接螺栓疲劳断裂，闸门坠落；某抽水蓄能电站长期悬挂在孔口上方水中的平面闸门的导向装置因螺栓断裂跌落。

定期检查可以尽早发现振动现象，消除振源；另一方面，定期检查存在振动的闸门的主要焊缝、高拉应力区、连接部件等部位，可以尽早发现可能出现的裂纹，避免事故扩大。

2.4定期检查避免破坏扩大

陕西石门水电站底孔工作弧门2 m×2 m-70 m，原型观测应力、振动、启闭力、通气量均正常，1980年泄洪运行6个月后，关闭时发现底部漏水；1981年汛后关闭闸门，漏水更严重，射出的水柱达30 m以上；1982年检查，发现门叶面板底部出现严重空蚀，底缘以上110 mm范围已经蚀穿，侧轨底部1.5 m范围出现7～10 mm深的蚀坑，面积达70 cm2，底槛平均蚀坑约20 mm。底水封残存400 mm，其余均已冲走。山西天桥水电站7孔工作弧形闸门面板底缘、碧口水电站排沙洞工作弧门顶止水附近的埋件和门叶均曾出现严重的空蚀破坏［1］。

高速水流和漏水是引起门叶、门槽空蚀的主要原因，当水头高时，尤其应定期检查、及时维护，这是解决这一问题的最好办法。

从上述例子和分析中不难看出，许多事故或故障如果做好安全检测，通过定期检查结合特种检测的方式，及早发现和处理，是可以避免的。随着高库大坝的不断建成，荷载量级的不断提高，许多新技术在金属结构专业得到运用，运行过程中也出现了许多新的问题，安全检测工作显得更为重要。

3　水工金属结构安全检测现状

改革开放以来，我国的水电建设事业突飞猛进，通过业内各个环节工程师的共同努力，事故和故障率已经大大减少。尤其通过前面三轮大坝安全的定期检查和正在进行的第四轮大坝安全定检，金属结构的技术管理工作有了很大的提高，许多流域滚动开发的公司和水电站都制订了金属结构定期检查的制度和具体的检查内容，为金属结构的安全运行打下了良好的基础。但与大坝监测系统在设计阶段规划，施工阶段即开始监测，运行期间监测资料相对齐全，并定期进行分析相比，与欧美等国家相比，还有很大的提升空间。不同的水电站之间，无论是人员配备，还是技术管理水平，也存在明显的差距。归纳起来主要存在如下问题：

（1）事后检测代替定期检查。一直以来，尽管运行单位也承担了一部分金属结构安全检测的内容，但多数工作是在大坝安全定期检查期间发现问题后，才委托专业机构实施；

（2）定期检查的内容重功能检查、轻质量检查；

（3）缺乏档案意识，记录模糊，可追溯性差；

（4）受各种条件的限制，行业内金属结构原型观测（应力和振动检测）重视程度不够，观测数量非常有限；

（5）行业内尚无对金属结构原型观测的专项技术标准；

（6）对复杂构件应力集中部位的应力测试尚存在一定困难。

4　水工金属结构的定期检查

定期检查是金属结构安全检测的重要组成部分，是金属结构管理的基础。

4.1定期检查的内容

定期检查以近距离目测检查为主，辅之于简单的测量，工具包括放大镜、反光镜、手电筒、测量工具等。定期检查主要包括以下内容：

（1）巡视检查：主要关注闸门关闭挡水时漏水情况，启闭运行时闸门及启闭机的运行性态，闸门开启泄水时的水流流态，通气孔的通畅情况，寒冷地区还需关注防冰冻措施。

（2）闸门外观检查：主要关注闸门门体结构（包括一、二类焊缝）、止水装置、支承装置、平压装置、拉杆、锁定装置的变形、裂纹、转动、磨损、老化、完整性和锈蚀，以及门槽的变形、腐蚀、磨蚀、空蚀及周边混凝土和钢衬状况。

（3）启闭机性能状态检查：包括启闭力、启闭速度的检查，启闭机承力构件的变形、裂纹和腐蚀，运动零部件的磨损（蚀）、裂纹、润滑、温升和噪音，液压启闭机液压油的清洁度，过载保护和行程保护装置的完好，电气设备的绝缘、保护、温升和老化。

4.2定期检查的程序

如上所述，定期检查需要近距离逐门、逐机进行，尤其是河床式电站、大型枢纽等工程，金属结构量多，规模大，定期检查的工作量非常庞大，因此，有计划、按序进行非常必要。以下是建议的定期检查的程序，其中预评估可大大提高定期检查的效率和质量。

（1）预评估。定期检查前应通过查阅图纸、设计报告、之前的检查报告、所有运行维护记录，确定需要检查的关键部位（关键零/构件、高应力区、应力集中区域、集中荷载部位、关节部位、易锈蚀部位、有缺陷部位等）和关键内容。预评估对专业水平要求较高，应由经验丰富的工程技术人员编制。

（2）检查。检查周期一般由预评估阶段确定，可根据设备前一次检查情况进行调整。

（3）记录。逐门逐机建立运行、“病历”的记录档案，为精细化、个性化管理打下基础。

（4）检查结果评估。根据检查结果分析判断是否可以继续运行、是否需要特种检测，分析造成缺陷的可能原因，提出维修方案和建议，并明确下一次检查时间等。

4.3定期检查的记录

定期检查记录的详细程度以下一次定期检查时能复查、对比为准。记录格式宜在预评估阶段统一制定，并应注意以下几点：

（1）每一次检查均应记录时间、地点和环境条件（气候、气温）。

（2）运行（包括挡水运行和启闭运行）记录应包括运行工况（含上下游水位、开度等）、额定启闭力（或额定压力）、额定速度、显示启闭力（或工作压力）、运行速度和时间、运行性态，必要时可辅以照片、录音或录像。

（3）检查发现的缺陷记录应注明类型、范围（定位、定尺），必要时辅以照片、录音或录像。

5　水工金属结构的特种检测

根据定期检查的结果，针对不同的情况，进行不同的特种安全检测。

是日本以“富士”(国光×元帅)芽变系中选出的浓红型品种，1980年引入我国。树势健壮，生长速度较国光快，萌芽率高，成枝力较强，并有腋花芽结果习性。果个较大，平均单果重223克。果实全面浓红，色泽鲜艳，果肉黄白色，肉质脆细，果汁多，甜酸适口，可溶性固形物含量16.1%～18.0%，有香味，贮藏后香味更浓，品质上等。

5.1腐蚀检测

腐蚀检测可以扩展为锈蚀、空蚀和磨损的检测。闸门和启闭机的承重构件空蚀、锈蚀或磨损程度相当于规范DL/T 835-2003腐蚀程度的c级，即较重腐蚀时，应进行蚀余厚度检测。当锈蚀特别严重，对涂料体系产生怀疑时，还可进行水质检测，为涂料体系的优化提供依据。

5.2材料检测

闸门和启闭机结构发生破坏，通过对失效构件、零件的材料进行机械性能，甚至金相组织的检测，可帮助分析事故原因。特殊工程，出现闸门和启闭机钢材的材料不清或有疑问时，也需要进行材料检测。

5.3无损检测

当闸门和启闭机的承重构件的焊缝/构件发现裂纹时，应通过无损探伤做进一步的检查，查明裂纹走向、长度和深度，并分析产生的原因，提出处理的指导意见。承受意外事故（如重度撞击等）时，或承受动载并运行频繁的工作闸门，怀疑存在疲劳破坏的可能时，可采用渗透探伤或磁粉探伤进行表面裂纹的检查，若发现裂纹，还需进一步做超声波探伤或射线探伤。

5.4应力检测

5.5振动检测

当闸门挡水、启闭运行过程或局部开启运行发生剧烈振动时，需进行振动检测，以查找振源、确定闸门振动量级，评估闸门运行的安全性。为了优化闸门的运行方式，进行原型观测时，振动检测也是其中的一项重要内容。

5.6启闭力检测

对弧形闸门和平面检修闸门，可以通过相对低水位时的启闭力检测数据，推算设计工况时启闭力，为安全运行提供依据，尽管也会受水封完好性、安装质量等边界条件的影响，但总体比较可信。相比之下，动水启闭的平面工作闸门、动水关闭时的平面事故闸门，特别是局部利用水柱的平面事故闸门，门底不同流速对启闭力的影响比较大，无法推算，启闭力宜在设计工况下检测，只能用于验证设计成果。

5.7复核计算

以下情况应进行复核计算，复核可以采用闸门和启闭机现行设计规范规定的二维分析法计算，也可以用三维有限元分析法进行复核。

（1）根据最新的调洪计算成果，闸门的运行水头若超出原设计工况，对各闸门结构强度、刚度、稳定性及启闭力进行复核。

（2）闸门和启闭机地震设防标准提高，或在大坝运行期间发生超标准地震时，应根据最新资料对各闸门及启闭机进行复核。

（3）建在高泥沙含量河流上的工程，如果水下检查结果发现门前淤积超过原设计工况时，应对闸门结构和启闭机的启闭容量进行复核。

（4）空蚀、锈蚀或磨损程度相当于腐蚀程度的c级，即较重腐蚀的构件，需根据检测结果进行结构的强度、刚度和稳定性复核。

（5）当构件、零部件的材质与原设计不一致时，需要进行构件、零部件的安全复核计算。

（6）闸门和启闭机结构发生变形或破坏时，应对闸门结构和启闭机的启闭容量进行复核。

6　结语

金属结构作为水工建筑物的一部分，直接关系大坝的运行安全，金属结构的安全检测应引起各级部门的充分重视。在金属结构安全检测缺乏系统性、各个水电站相关技术力量有限的现实情况下，需要各级技术领导部门加强技术指导，有目的、有计划地开展工作，为大坝的安全运行奠定基础。

［1］夏念凌.水工闸门事故实例分析［M］.北京：水利电力出版社，1994.

作者邮箱：jin_xh@ecidi.com

Title:Comprehensive discussion on safety inspection of hydraulic metal structure//by

JIN Xiao-hua// PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited

Safety inspection of hydraulic metal structure can be summarized as two parts，namely regular check and special test.Regular check should be a part of daily operation of management department，and special test can only be done by professional institutions or research institutes.Typical accidents and failure analysis showed that many accidents may be avoided by strengthened safety inspection.During regular check，preliminary assessment should be done in advance，as well as evaluation after check，The records should be available for review and contrast.For problems found in regular check，special tests can be performed for further diagnosis.

safety inspection；regular check；special test；preliminary assessment

TV698.1

A

1671-1092（2016）03-0039-05

2016-01-28

金晓华（1963-），女，浙江东阳人，教授级高级工程师，主要研究方向为水工金属结构设计和安全管理。