一种沿海新型水闸的安全检测

2018-10-29林光辉岳高峰

小水电 2018年5期

林光辉，李勤，岳高峰，丁鹏

(1、水利部产品质量标准研究所，浙江杭州310012；2、浙江省水利水电装备表面工程技术研究重点实验室，浙江杭州310012)

1 概述

浙江省曹娥江大闸枢纽工程位于钱塘江下游主要支流曹娥江河口，是我国强涌潮河口地区第一大闸，是浙东水资源配置的重要枢纽工程，是国家重大水利基础设施项目。该工程挡潮泄洪闸闸孔总净宽560 m，设计流量约11 340 m3/s，共设28孔，单孔宽度为20 m，底板高程为-0.5 m(黄海)。挡潮泄洪闸工作闸门采用潜孔式平面滑动闸门，胸墙底高程4.5 m，孔口尺寸20.0 m×5.0 m。

由于曹娥江大闸地处钱塘江河口，建闸面临强涌潮冲击、闸下泥沙淤积、海水侵蚀等一系列问题。尤其是钱塘江存在特有的强涌潮，闸门将承受高达98 kN/m2的涌潮荷载。

拱形桁架式闸门结构是空间管桁结构在水工闸门中首次实例应用，空间管桁结构替代传统闸门中的实腹梁格作为承重结构，利用构件的轴向应力取代弯曲应力，不仅改善了底缘的过流条件和闸后水流环绕各构件时的过流条件，而且用钢量省、提高刚度，也非常符合与生态水系相适应、与周边环境相协调以及景观功能等要求。虽然空间管桁结构在建筑领域得到了广泛的应用，但在水利工程领域还是首例，且建筑领域和水利领域受荷载情况也很不一样。将这样一种新型的闸门结构体系应用于运行环境复杂的曹娥江河口，是技术上的创新，必然要求在后期的闸门安全检测技术上较传统结构闸门有所改进和提高。

2 水闸结构和工作环境

拱形桁架式闸门包括多榀鱼腹形双拱结构组件和面板。单榀鱼腹形双拱结构组件包括交叉设置的正拱和反拱，双拱交叉闭合部分为梭形，交叉开放部分为鱼尾形。正拱两端通过弦杆连接，正拱、反拱、弦杆通过与弦杆垂直的腹杆相连。相邻各榀鱼腹形双拱结构组件之间通过横向连接杆连接，横向连接杆设置在拱和腹杆相交的节点附近，各榀鱼腹形双拱结构组件的弦杆外直接焊接钢制挡水面板(见图1)。

水闸的工作环境地处钱塘江下游主要支流曹娥江河口，强涌潮是此河口潮汐的重要特征。根据涌潮模型试验结果推荐设计涌潮高度3.2 m，闸门上受到涌潮压力在35～90 kPa；而且曹娥江河口海域来沙丰富，属于细粉沙，具有易冲易淤的特点。曹娥江河口地表水Cl-含量高，在干湿交替条件下，对钢结构具有中等腐蚀性[1]。据研究表明[2]，钢结构在海水环境会发生多种因素的腐蚀：钢件表面存在各种各样的缺陷，海水会加快表面缺陷腐蚀；潮水中的压力变化较大，容易发生形变，大应力和变形会加速腐蚀；河口地表水Cl-含量高，导电性好，对钢铁腐蚀性大；河口生物容易使闸门上发生锈蚀；水流冲击发生的物理磨损，加强了极化作业，加快腐蚀。

图1 水闸结构示意

3 安全检测

3.1 腐蚀检测

由于曹娥江大闸处于高氯离子腐蚀环境，金属结构的防腐问题非常突出。闸门设计时，根据工程情况，对闸门划分潮差区、浪溅区和大气区，并分区采用不同涂层进行分层多道防腐技术处理。根据工程情况，腐蚀检测时需要注意以下两点：

(1)由于大闸处于河口位置，泥沙、漂浮物、水生物比较丰富，因此腐蚀量检测前应对被检部位表面进行清理，去除表面附着物、污物、腐蚀物等。

(2)腐蚀检测断面应选取腐蚀相对较重部位、隐蔽部位。由于曹娥江大闸承重结构由4榀双拱型桁架结构组成，每榀中由正拱、反拱、弦杆通过腹杆和横向连接杆焊接组成主框架结构，其中拱脚处节点和正、反拱相交处节点是双拱空间钢管结构闸门的薄弱环节[3]，也是比较隐蔽的位置；因此腐蚀测点选取注意这些隐蔽关键部位的选择，视情况宜增加检测断面和测点数量。

3.2 振动检测

闸门振动检测包括振动响应检测(位移、速度、加速度、动应力等)和动力特性检测[4]。通常情况下，振动检测是闸门在高水头下经常动水操作或经常局部开启工作进行的抽检项目。曹娥江大闸不仅在挡水工况下需要承受钱塘江强涌潮的冲击，在洪水期调节泄量时也需要局部开启，因此振动检测尤为重要。因其结构的特殊性和工况的复杂性，测试前方案需要进行的反复斟酌，选取结构关键点和代表性工况对闸门进行试验。

水闸在设计阶段，对水闸自振特性和曹娥江涌潮冲击荷载规律进行了比较详细和全面的测试研究分析[5]，可以看出涌潮冲击的主频率在0～1 Hz之间，大闸在闸前正常水位时最低阶频率为6.8 Hz，两个基频没有重合，所以水闸不会引起共振。但是由于曹娥江闸门地域的特殊性，导致它要承受极大的涌潮荷载，在荷载的冲击下，整个结构可能产生较大的动力响应，而且经过一段时期的运行，水封破坏、门槽条件的改变、设备运行卡阻等情况都有可能存在；因此在安全检测中应将水闸的动力响应测试分析作为重点，定期观测统计，观察结构动力响应的变化情况，以便及时设备维护和运行调整。

3.3 应力检测

曹娥江大闸承重结构由4榀双拱型桁架结构组成，每榀中由正拱、反拱、弦杆通过腹杆和横向连接杆焊接组成主框架结构。主要受力构件为正拱、反拱和弦杆，三者组成一个自平衡体系。闸门内力分布规律是正拱和反拱交叉部位、弦杆的端部及腹杆存在一定的弯矩作用，其他部位基本承受拉、压轴力作用。结构应力最大的部位是在正、反拱相交的正拱管壁上；在双拱交叉点处结构的刚度发生变化，是结构刚度较弱的部位，其相对位移也较大。

(1)应力测点布置和应变片形式的选择时应符合该位置的内力情况，对称结构如在一侧布置检测点外，还应在对称侧布置适当数量的比照测点。

(2)在满足检测项目的前提下，测点宜少不宜多；测点必须有代表性，应选择高应力区布点，便于分析和计算；为了保证检测数据的可靠性，应布置适量的校核测点。

(3)对传感器应预先筛选分档，按有关量测技术要求将传感器固定在测量部位，并做好绝缘防潮处理。处于水下时，必须做好防水处理。当测量导线电阻对测定结果产生影响时，应对测定结果进行导线电阻修正。连接测量导线时，应保证连接处接触电阻稳定，并将导线妥善固定。

3.4 无损检测

拱形桁架式闸门门叶主体结构分为面板组件、边梁组件、鱼腹梁、主副拱脚、联系杆件、吊耳、滑块、止水系统等八大部分焊接而成。焊缝数量繁多，而且形式多样，焊接质量要求高。其中正拱、反拱的连接焊缝是三维空间曲线的相贯线焊缝，因其结构的复杂性和特殊性，生产制造过程稍有不慎，更容易产生焊接缺陷。水闸已经经过近10年的运行，安全检测过程中应观测焊缝质量的变化情况，做好记录档案，及时发现潜在隐患。