应力测试在水电站弧形闸门原型观测中的应用

董运福 朱晨 徐要伟

摘 要：本文以国内某一电站泄洪闸弧形工作闸门为对象，对其进行了原型观测，研究了应力测试在弧形工作闸门的结构强度验证和安全性评价中的应用。根据该电站泄洪闸弧形工作闸门结构特征以及基本参数，通过理论计算得出危险部位的应力值;通过对该闸门金属结构的危险部位布置电阻应变片，在该闸门全关挡水下采用电测法对金属结构危险部位进行应力测试。通过对闸门金属结构的危险部位理论计算应力值和应力测试值进行对比可知，结果吻合性良好，说明应力测试在对该工作闸门的结构强度验证和安全性评价中切实可行，能够在其他类似闸门的原型观测中广泛应用、推广。

关键词：弧形工作闸门;可靠性;原型观测;应力测试;结构强度

中图分类号：TV3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）17-0083-04

Abstract： Taking the radial working gate of a domestic power station as an object of study， the prototype observation of the radial working gate was carried out， and the application of stress test in structural strength verification and safety evaluation of the radial working gate was studied. According to the structural characteristics and basic parameters of the radial working gate of the spillway gate of the hydropower station， the stress values of the dangerous parts were calculated by theoretical calculation; through the arrangement of resistance strain gauges in the dangerous parts of the metal structure of the gate， the stress of the dangerous parts of the metal structure was tested by electrical measurement under the full-closed water of the gate. By comparing the calculated stress values and stress test values of the dangerous parts of the gate metal structure， the results were in good agreement， which showed that the stress test was feasible in the structural strength verification and safety evaluation of the working gate， and could be widely used and popularized in the prototype observation of other similar gates.

Keywords： radial working gate;reliability;prototype observation;stress test;structural strength

泄洪闸门是指用以宣泄洪水并调节控制水库水位的工作闸门。其具有承受各种静、动载荷的能力，能在动水中启闭，并具备良好的结构和水力学特性。弧形闸门是挡水面为圆柱体的部分弧形面的闸门，其支臂的支承铰位于圆心，启闭时闸门绕支承铰转动，主要由转动门体、埋设构件及启闭设备三部分组成。弧形闸门不设门槽，启闭力较小，水力学条件好，广泛用于各种类型的水道上作为工作闸门运行。泄洪闸弧形工作闸门是水利水电枢纽建筑物的主要组成部分之一，承担挡水和防洪重要任务。随着我国水利水电事业的高速发展，一大批高水头水工建筑物相继设计建成。高水头闸门在挡水时经常有失稳、垮塌的风险[1]。

2013年以来，水利工程机电、金属结构突发事故频发，造成极大的经济损失和不良的社会影响。如何提高水利工程机电、金属结构的检测水平和诊断水平，避免漏检误判引起的恶性事故，受到空前关注。根据目前水利工程机电、金属结构事故频发的状况，为保证水利工程的安全运行，需要对闸门进行在役安全检测和原型观测。检测闸门在运行承载时产生的变形是否在允许范围内，闸门是否处于安全的状态。应力测试是原型观测的重要手段，能验证泄洪闸弧形工作闸门的结构强度和安全性[2]。

本文以一扇表孔泄洪闸弧形工作闸门为原型观测对象，通过理论计算和现场应力测试2种方式对其结构强度进行比对分析，判断其结构强度是否满足设计要求，为该闸门的安全性评价提供依据。

1 泄洪闸弧形工作闸门金属结构强度计算

1.1 基本参数

该泄洪闸弧形工作闸门孔口形式：露顶式;孔口宽度：13.0m;底槛高程：528.0m;支铰安装高程：546.0m;正常高水位（设计水位）：554.0m;设计水头：26.0m;闸门高度：16.0m;孔口数量：5孔;操作条件：动水启闭;吊点间距：11.7m;启闭机：2×4 000kN液压启闭机。

1.2 计算原理

檢测前，根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74—2013）对该闸门进行强度校核计算。

1.3 理论计算

1.3.1 荷载计算。闸门在关闭位置的静水压力，由水平压力和垂直水压力组成，各计算公式如下。

水平水压力：

（1）

垂直水压力：

（2）

式中：

（3）

由此可得出，。

故

总水压力作用方向为：

（6）

由此得出[φ0]=7.309°。

1.3.2 框架应力计算

1.3.2.1 主横梁。跨中截面应力。跨中截面应力按式（7）计算：

（7）

其中，前翼缘受压，后翼缘受拉。

1.3.2.2 支臂。弯距作用平面内的稳定验算为：

（8）

偏心率为：

（9）

长细比为：

（10）

根据[ε]、[λ]，查表可得[φp]，进而计算[σ]。

弯矩作用平面外的稳定计算为：

（11）

偏心率为：

长细比为：

[λy=lyry]                                     （13）

其中：

[ry=IyA]                                     （14）

根据[ε]、[λ]，查表可得[φp]，进而计算[σ]。

1.3.3 面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。验算下主梁上部面板区格，只需按式（15）验算长边中点的折算应力：

（15）

其中：

（16）

式中，[μ]为泊松比，[μ]=0.3。

2 应力测试原理、方法及设备

2.1 应力测试原理

试验应力分析的方法较多，如光弹性测量法、电测法等[3]。其中，电测法应用最多。电测法的原理将机械量的变化（如变形、位移等）转换成电学量（如电阻、电感、电容等）的变化，从而测得机械量的变化。电测法测量系统主要由应变片、电阻应变仪和指示记录仪器等组成。电测法具有測量精度高、传感元件小、测量范围广的优势，被广泛地应用于金属结构的应力测量中。

2.2 应力测试方法

应力测试通常分为动态应力测试和静态应力测试。动态应力测试的目的是获取被测物体的应力随时间和状态变化的规律，以检验结构或构件设计的合理性。静态应力测试的目的是获取被测结构的应力分布和较大的应力点以及被测结构的强度，以检验被测结构设计的合理性。本次对泄洪闸弧形工作闸门原型观测测试采用静态应力测试。

2.3 应力测试设备

本次测试采用应变片电测法。应力测试设备主要包括无线模块、接收器、计算机、数据采集处理软件等。无线模块采集系统具有结构紧凑、体积小的特点，由电池、采集处理模块和无线收发模块组成。该系统比有线的应力测试系统方便很多，极大地节约了测试中因布线采集而消耗的物力和人力。同时，无线测量系统具有极高的测量精度和远距离传输等优点，能够广泛应用于大型结构的静应力测试[3]。

3 现场应力测试

3.1 测试前准备

测试前，应根据弧形闸门设备金属结构的受力特点确定应力测试部位及应变片的类型。本次测试对象为国内某一电厂的泄洪闸在役弧形闸门，对该弧形闸门的测试集中于上下主梁跨中、支臂、面板等应力集中部位[4]。主梁跨中应力为拉压弯曲正应力，主应力方向明确，贴片方式采用沿主应力方向粘贴单向应变片，布置2个单向应变片;支臂根部应力为拉压应力，主应力方向明确，贴片方式采用沿主应力方向粘贴单向应变片，布置2个单向应变片;面板应力为拉压弯曲应力及剪切应力，贴片方式采用粘贴双向应变片，布置1个双向应变片。应力测试布点如图1所示。

泄洪闸弧形工作闸门结构应力各测点部位描述如下（顺水流视）。测点Y1-1：上主梁后翼板中心（靠近左起第四纵梁）位置，沿主梁方向。测点Y1-2：下主梁后翼板中心（靠近左起第四纵梁）位置，沿主梁方向。测点Y1-3：左上支臂（由面板向支铰）第一梁格上部里侧翼板中心，沿支臂长度方向。测点Y1-4：左下支臂（由面板向支铰）第一梁格上部里侧翼板中心，沿支臂长度方向。测点Y2-1：下主梁上部左起第三纵梁与第四纵梁之间面板中心。其中，0°方向：沿面板宽度方向;90°方向：沿面板高度方向。

3.2 粘贴应变片

确定好应力测试部位及布片类型以后，进行应变片的粘贴。根据布点部位及布片数量，在待测设备或构件上标出测点位置，按步骤进行贴片。

3.3 连接测试仪器

应变片粘贴好并进行检查以后，与应变测量系统连接，在该系统中设置各个测点对应的参数信息，并确定测量系统的稳定性。

将应变测量系统连接调试好以后，采集相应的初值，并做好测试前的准备。

3.4 现场应力测试

应力测试工况选取弧形闸门全关挡水（设计水位）工况，即上游水位554m（设计水位）冲水平压后，检修门提起，静水压力完全作用在弧形工作闸门上。具体实施步骤如下：①试验前，上游水位554m，初始状态检修门挡水，工作闸门开度10m，仪器清零;②工作闸门关至0m开度，冲水平压后，检修门提起，待静水压力完全作用在弧形工作闸门上，各测点应力值基本稳定，采集该状态时各测点的应力值。

3.5 应力测试数据

该弧形工作闸门主要金属结构应力测试数据如表1所示。该弧形闸门应力测试值与理论计算值对比如图2所示。

4 检测结果分析

4.1 理论计算与测试结果对比分析

将理论计算值与应力测试数据对比分析，最大误差为14.5%，各测点误差分析结果如表2所示。

4.2 误差因素分析

①应力测试不能直接测试出自重应力，分析时应予以考虑;也可将测试值与自重应力叠加后与理论计算值比较分析。

②测试时弧形闸门门后存在大量的尾水，同时具有一定的冲击载荷，对测试结果具有一定的影响。

③测试时间为夏季的中午，温度较高，同时湿度较大，分析时应考虑环境因素的影响。

④由于测试系统综合误差的存在，对测试结果也有一定影响。

4.3 结果分析

从该泄洪闸弧形闸门主梁、支臂和面板的理论计算应力值与测试应力值对比分析结果可知：实际应力测试值与理论计算值误差小于15%，结果吻合性良好，能较真实地反映出该弧形闸门的在设计水位全关挡水工况的受力状况，对该泄洪闸弧形闸门的结构强度验证、安全性評价和原型观测能提供有力的依据。

5 结论

本文以国内某一电站泄洪闸弧形工作闸门为对象，对其进行了原型观测，研究了应力测试在弧形工作闸门的结构强度验证和安全性评价中的应用。根据该电站泄洪闸弧形工作闸门结构特征以及基本参数，通过理论计算得出危险部位的应力值。通过对该弧形闸门金属结构的危险部位布置电阻应变片，在该闸门全关挡水工况下采用电测法对金属结构危险部位进行应力测试;通过对闸门金属结构的危险部位理论计算应力值和应力测试值进行对比可知，结果吻合性良好，说明应力测试在对该工作闸门的结构强度验证和安全性评价中切实可行，能够在其他类似闸门的原型观测中广泛应用、推广。

参考文献：

[1]胡木生，耿红磊.小湾水电站泄洪洞弧形闸门原型观测研究[J].水电站机电技术，2016（2）：49-53.

[2]严根华，陈发展，赵建平，等.表孔弧形闸门流激振动原型观测研究[J].水力发电学报，2006（4）：45-50.

[3]王朝晴，宋一乐.江垭水电站泄洪闸门静、动力原型观测研究[J].水电与新能源，2006（2）：58-61.

[4]李亚非，徐元发，何文娟，等.高坝洲水电站弧形闸门设计和原型观测试验[J].水力发电，2002（3）：35-38.