小南川水库弧形工作钢闸门安全检测与评估

赵益佳，曹平周，张 贺，蔡 亮，曾 鹏

(1.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.中建三局工程设计有限公司，湖北 武汉 430000)

0 引 言

钢闸门是水利工程的重要组成部分，对水利工程的安全运行有着重要的影响。对于长期服役的钢闸门来说，进行安全检测是十分必要的[1]。在设计荷载工况下，钢闸门的最大应力不应大于材料的容许应力，否则钢闸门将是不安全的，需要采取相应措施对钢闸门进行维修、加固，甚至将钢闸门报废或者更新[2]。水工金属结构安全检测的技术规程SL 101-2014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、启闭机检测、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。强度和刚度是用于评价闸门安全性能的重要指标，闸门的强度和刚度可以通过原型观测得到，也可以用三维有限元法计算得到。有限元方法采用空间薄壁结构理论，建立的模型能反映闸门的几何形状、工作特点，作为原型观测的有效补充和检验手段，可以发挥重要作用[3]。

小南川水库始建于1979年，1984年7月底建成投入运行至今已30余年。但自投入使用以来从未对弧形工作钢闸门进行过安全鉴定评估，存在一定安全隐患。本文对小南川水库弧形工作钢闸门进行了现场安全检测，运用有限元软件ANSYS对弧形工作钢闸门的受力状态进行了模拟计算。根据结构应变实测结果与模拟计算结果，对弧形工作钢闸门的安全状况进行评价，并提出消除隐患的措施和建议，为主管部门决策提供科学依据，为类似工程提供技术参考。

1 工程概况

青海省小南川水库是一座拦河兼注入式山区水库，水库坝址以上控制流域面积为150 km2，总库容1 180 万m3，控制面积0.188 万hm2，受益总人口达2.7万余人。水库投入运行后，于1996年4月动工进行修复，1998年8月完工。2002年6月对小南川水库进行了加固改造，2004年9月15日进行了竣工验收。历次修复工程并未对水库金属闸门进行过更换。

弧形工作钢闸门为小南川水库孔口的工作闸门，控制孔口的开关，设置在分水闸门的上游，要求在动水条件下启闭，可部分开启以控制流量。闸门采用螺杆式启闭机控制。

2 弧形工作钢闸门现场安全检测

2.1 现场安全检测内容与方法

(1)外观检测。外观检测主要是通过观察，借助钢卷尺、游标卡尺、放大镜、数码相机等工具， 对闸门门体、闸门支承及行走装置、闸门止水装置及埋件等进行检查，主要检查各结构部件的变形、裂缝、损伤、脱落、磨损以及腐蚀等情况[4,5]。

(2)门体材料及尺寸检测。采用SHE280高精度里氏硬度计对小南川水库钢闸门面板及梁系钢材强度的变化情况进行检测，评价是否满足设计和规范对材料的力学性能要求。采用NDT-710超声波金属厚度测试仪及游标卡尺对闸门面板厚度、工字梁翼缘及腹板厚度进行抽样检测，判断其是否满足设计要求。

(3)腐蚀检测。闸门构件受到腐蚀后，构件截面面积减少，截面应力相应增大，从而容易导致整体结构强度和刚度的下降，缩短闸门的使用寿命。钢闸门腐蚀状态检测，主要是采用NDT-710超声波金属厚度测试仪、QUC-200型数显式磁性测厚仪、深度游标卡尺对闸门的钢板厚度、涂层厚度和蚀坑深度进行测量。主要目的是确定钢闸门面板及梁系的蚀余厚度和确定其锈蚀厚度。

(4)焊缝检测。焊缝检测和无损探伤的主要目的是检查焊缝是否存在影响闸门安全和使用的较大缺陷。采用SH610超声波探伤仪对焊缝进行超声波探伤检测，评判焊缝是否出现重大缺陷，焊缝质量及其性能是否能满足继续安全运行的要求。

(5)应力检测。弧形工作钢闸门为水库孔口的控制闸门，该闸门在运行过程中的应力状态关系到下游的安危。闸门应力检测采用电测方法，采用DH3818静态应变测试仪进行检测，通过在闸门构件上黏结电阻应变片来进行检测数据采集。通过采集数据对弧形工作钢闸门在设计水位下整个启闭过程的应力变化进行计算，评价闸门的安全性。

(6)启闭机性能检测。启闭机性能测试通过外观的检查和对其运行状况的测试，检查各机构、电气元件及启闭机的运行状态。通过反复闸门启闭操作，观测启闭机的运行状况，采用VC830L数字万用表、ZC110D-9型绝缘电阻表对这闸门的启闭机电气元件进行检测，采用DT260D型钳形表对电动启闭机工作状态时电流等因素进行检测，考察是否在额定范围之内。

2.2 现场安全检测现象与数据分析

2.2.1 外观检测

图1为弧形工作钢闸门的外观形态。钢闸门的门体无变形、扭曲，形态正常。面板、支臂均无明显损伤。背水面吊耳、面板、纵梁、横梁防锈漆脱落严重，构件发生腐蚀。在支撑梁与面板的区隔内，淤积一些泥土，该区域结构腐蚀较为严重。支臂局部防锈漆发生起皮。在闸门完全关闭后，闸门四周依然会发生局部漏水，底部会出现严重的喷水情况。

图1 弧形工作钢闸门的外观形态Fig.1 Appearance form of working steel radial gate

弧形工作钢闸门支座如图2所示，支座钢结构及锚栓防锈漆喷涂不均匀，局部防锈漆未喷到或已经剥落，存在局部起皮和锈蚀；支座锚板形态完好，无变形，附近混凝土存在麻面，但不影响支座的安全性和使用。门槽如图3所示，门槽表面存在磨损，但不影响正常使用。吊杆如图4所示，螺杆外部金属保护壳表面防锈漆发生起皮；吊杆经过涂油处理，状态良好。但吊耳处防锈漆已经完全剥落，需要进行补漆。

图2 弧形工作钢闸门支座Fig.2 The bearing of the working steel radial gate

图3 弧形工作钢闸门门槽Fig.3 The portal groove of the working steel radial gate

2.2.2 门体材料及尺寸检测

钢材的力学性能会随时间的推移而发生变化，钢材的强度是影响钢闸门承载能力的主要指标之一。本次检测对弧形工作钢闸门门体尺寸和支臂尺寸进行量测，弧形工作钢闸门实测数据见图5及表1。

图4 弧形工作钢闸门吊杆Fig.4 The hanger of the working steel radial gate

图5 弧形工作钢闸门尺寸(单位：mm)Fig.5 The size of the working steel radial gate

构件名称尺寸件数/个平均硬度/HLD抗拉强度/MPa纵梁A1580 mm×300 mm×23 mm×22 mm3466609横梁A2580 mm×580 mm×25 mm×22 mm2486670辅梁A3100 mm×400 mm×15 mm7--支臂300 mm×400 mm×21.5 mm4427489

对比设计图纸可知，闸门钢板由于锈蚀导致的厚度变化很小。弧形工作闸门的设计建造年代为20世纪70年代末，对比设计图纸可知，闸门钢板由于锈蚀导致的厚度变化很小，满足《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》(SL 101-2014)的要求。

小南川水库金属结构设计选用钢材为钢3(A3)，性能与现行规范的Q235相当，Q235钢材的抗拉强度σb在370～500 MPa之间。由表1可知，弧形工作钢闸门纵梁、横梁抗拉强度大于500 MPa，支臂抗拉强度处于Q235钢材的抗拉强度范围内，故弧形工作钢闸门材料性能满足钢3(A3)的要求。说明历经30余年的使用，小南川水库弧形工作钢闸门金属结构材料性能变化不大，仍满足设计要求。

2.2.3 腐蚀检测

弧形工作钢闸门背水面不承受水的冲刷作用，根据《水工金属结构防腐蚀规范》(SL 105-2007)规定，应按照SL105表C-4水下(潮湿)水工金属结构进行涂装，底层60 μm，中间层80 μm面层200 μm，漆膜厚度为340 μm[6]。实测中发现纵梁A1、横梁A2、辅助梁A3防锈涂层剥落严重，支臂涂装厚度为127 μm，未达到设计要求的厚度。并且同一构件上的涂层涂装厚度差异较大，经过外观检查发现一些横、纵梁的翼缘内表面和腹板变面局部仅喷涂底漆，未喷涂面漆，不能满足《水工金属结构防腐蚀规范》(SL 105-2007)的要求。

2.2.4 焊缝检测

小南川水库弧形工作钢闸门设计采用三级质量焊缝。我国规范《钢结构工程施工质量验收规范》(GB 50205-2001)以及《水工金属结构焊接通用技术条件》(SL 36-2016)对三级质量焊缝仅要求进行人工检查[7-8]。本次检测对钢闸门进行了人工检查，根据人工检查的情况，结合钢闸门的特点，对钢闸门面板对接焊缝采用超声波探伤进行抽检，采用锯齿形扫查。

根据《焊缝无损检测超声波检测技术、检测等级和评定》(GB/T 11345-2013)绘制DAC曲线，判定线、定量线和评定线的灵敏度按B级质量检验等级分别取为-4、-10和-16 dB。现场超声波探伤，部分抽检位置发现超出Φ3×40-10 dB当量的缺陷，典型的焊缝超声波检测波形如图7所示。焊缝检测结果表明，闸门焊缝表观存在一定缺陷，经超声波探伤检测，焊缝内部存在少量缺陷，整条抽检焊缝上无缺陷密集分布区域，无较严重的表观和内部缺陷，满足规范《钢结构工程施工质量验收规范》(GB 50205-2001)以及《水工金属结构焊接通用技术条件》(SL 36-2016)对三级焊缝的要求。

图6 超出对比缺陷的焊缝超声波检测波形Fig.6 The wave form exceeding the contrasting on ultrasonic testing of welds

2.2.5 启闭机性能检测

弧形工作钢闸门采用螺杆式启闭机，为电动、手摇两用，启闭机启闭灵活。配备电动机额定功率为11 kW，工作电压为380 V。启闭机表面轻微锈蚀，其他启闭机传动系统、滑轮组、吊具等外观基本完好，均涂油保护，状态良好。根据检测数据，经计算弧形工作钢闸门工作峰值功率为23.9 kW，稳定工作功率为9.12 kW，满足《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》(SL 101-2014)对启闭机的安全使用要求。

3 弧形工作钢闸门计算分析

根据弧形工作钢闸门的受力特点和现场条件，在闸门支臂的根部和中部布置3个应变采集点，每个采集点沿闸门支臂纵向在力臂外侧一上一下布置两对应变片，如图7所示。

图7 弧形工作钢闸门应变采集点位置Fig.7 Position of strain acquisition point of the working steel radial gate

3.1 钢闸门水压力计算

小南川水库正常蓄水位高程为2 697 m，弧形工作钢闸门的门底高程为2 660 m，水头差Hs0=37 m。根据《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL 74-2013)表D.0.1中计算公式，弧形工作钢闸门承受水压力计算公式如下[9]：

上游水平分力：

(1)

式中：Ps为上游水平分力；γ为水的容重；Hs为上游水头；h为闸门高度(计算到顶止水)；B为孔口宽度。

上游竖直分力：

(2)

式中：Vs为上游垂直分力；R为弧门面板曲率半径。

下游无对弧形工作钢闸门的水压力作用。水压力合力为：

(3)

图8和图9分别为弧形工作钢闸门完全关闭和开启角度为α时的尺寸参数，其中支座铰心高程为2 965.100 m。由图8和图9可知：

图8 弧形工作钢闸门完全闭合尺寸参数Fig.8 Completely closed size parameters of the working steel radial gate

图9 闸门开启角度为α时尺寸参数Fig.9 Size parameters when the angle of the gate opening is α

闸门钢板由于锈蚀导致的厚度变化很小，相应构件的强度和刚度验算满足设计要求。由于门叶的抗弯刚度远大于单根支臂的抗弯刚度，因此可将支臂简化为如图10的受力模型，并且将水压力沿支臂方向平均分配给四根支臂：N=1/2Pcos7°≈0.25P，进而将支臂简化为如图11的计算模型，并利用有限元 分析软件ANSYS进行计算。表2为支臂模拟计算荷载，其中G法与G切为支臂自重沿支臂法向和切向的分量(限于篇幅，每隔5°给出一组荷载数据)。

图10 弧门受力模型Fig.10 Arc force model

图11 支臂计算模型Fig.11 Gate arm model

表2 支臂计算荷载Tab.2 Calculating load of gate arm

3.2 计算结果分析

有限元软件ANSYS的计算结果如图12所示。在实测中，考虑下游渠道供水的需求和条件，闸门局部启闭。图13为支臂上应变采集点实测值。在实测中，考虑到现场人员和设备的安全以及下游供水的需求，闸门未完全开启，仅开至10°左右。将实测值与计算值对比，计算值具有良好的拟合性。

通过图12中的拟合结果可知，闸门从完全关闭(α=0°)至完全开启(α=35°)的过程中，闸门最大拉应变为13.80 με，出现在下支臂与闸门交界处的上翼缘，此时闸门开启角度α=32°。闸门支臂上最大的压应变为138.3 με，对应σ=εgE=28.5 N/mm2

图12 支臂应变-开启角度α关系曲线Fig.12 The relationship between the strain and the opening angle α of the arm

图13 支臂应变采集点实测值Fig.13 The measured value of the strain acquisition point of the arm

3.3 校核洪水位弧形工作钢闸门应力分析

运用有限元软件ANSYS建立校核洪水位2 699 m下的弧形工作钢闸门模型，并对闸门开启过程中的应力变化进行分析[10-12]，计算结果见图14(限于篇幅，仅给出开启角度为0°、20°和35°时的计算结果图)。《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL 74-2013)规定，闸门抗拉、抗压、抗弯容许应力为[σ]=150 MPa，局部承压容许应力[σcd]=240 MPa，在整个启闭过程中闸门最大弯曲应力为σmax=105 MPa<[σ]，最大局部应力为σcdmax=211 MPa<[σcd]。分析结果表明弧形工作钢闸门满足规范《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL 74-2013)对强度的要求。

图14 校核洪水位下弧形工作钢闸门启闭过程中应力变化Fig.14 Stress change during the opening and closing of the arc working steel gate under the flood level

3.4 耳板计算

闸门的设计起闭力为50 t，关门力为20 t，运用有限元软件ANSYS对该工况下的耳板进行计算，结果见图15。在起闭状态下耳板最大应力σmax=62 MPa<[σ] =150 MPa；在关门状态下，耳板最大应力σmax=25 MPa<[σ] =150 MPa，满足规范《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL 74-2013)要求。

图15 弧形工作钢闸门吊耳应力分析Fig.15 Stress analysis of the working steel radial gate

4 结 语

钢闸门是水利工程的重要组成部分，对水利工程的安全运行有着重要的影响。对于长期服役的钢闸门来说，进行安全检测是十分必要的。经检测，小南川水库弧形工作钢闸门自投入使用30余年来，弧形工作钢闸门门体形状完好，整体锈蚀程度不严重，止水橡皮严重老化，局部缺损；钢材性能变化不大，焊缝无较严重的表观和内部缺陷，满足相应规范的要求。弧形工作钢闸门在完全开启到完全关闭的过程中，闸门各部分应力均满足相应规范要求，闸门整体满足安全使用要求，经过防腐处理和更换止水后可继续投入使用。

□