怀柔水库溢洪道金属结构安全检测与评价

赵立庭 孙乙升 吕 游

(北京市京密引水管理处，北京 101400)

怀柔水库位于北京东北部，流域面积为525km2，库容1.44亿m3。水库设有东西2孔溢洪道，分别设有2扇弧形钢闸门，其宽度均为12.0m，高度为6.3m，底槛高程56.0m，东溢洪道的设计流量186m3/s，校核流量1545m3/s，西溢洪道设计流量510m3/s，校核流量1491m3/s，其固定式卷扬式启闭机的参数为2×150kN。

作为重要的供水水利枢纽，怀柔水库建成后发挥了巨大的社会和经济效益，但尽管建成多年，对水库运行至关重要的金属结构却未进行过系统全面的安全检测。为消除安全隐患，确保水库的安全运行，依据现行规范开展了金属结构安全检测与评价工作。

1 检测内容

水库东西溢洪道金属结构重点开展金属闸门的外观、锈蚀量、焊缝超声波探伤、材料检测以及启闭机等方面的现场检测和试验工作。

a.闸门外观：外观检查主要基于目测展开，锈蚀情况的检查主要针对闸门构件锈蚀的面积分布及部位等，从直观角度评价闸门的锈蚀情况。

b.闸门锈蚀量：锈蚀量是判断闸门锈蚀程度的主要依据之一，锈蚀量的量测可以得到闸门主要构件的锈蚀速率和蚀余厚度，进而为闸门强度的复核计算提供基础数据。锈蚀量的主要检测设备为超声波测厚仪、游标卡尺和涂层厚度测定仪。

c.焊缝超声波探伤：超声波探伤是闸门无损检测中的一种常用方法，该方法主要利用声学性质的改变来评判对超声波的传播影响，从而获得构件内部缺陷的基本情况。焊缝检测仪器采用EPOCH2300型超声波探伤仪以及CSK-ⅢA试块。

d.材料检测：主要包括材料化学分析法、机械性能试验法以及综合分析法。但材料化学分析法和机械性能试验法通常需要从正在运行的设备构件中获得测试所需的材料，实际检测往往无法实现，本次材料检测采用综合分析法。

e.启闭机检测：主要是检测机架及各机构机械零部件的磨损、损伤、裂纹、变形、锈蚀以及密封渗漏等，对电气设备和装置进行检查；运行状况检测主要是检测启闭机各机构主要零部件及安全保护装置的功能和运行可靠性。

2 检测结果

2.1 东溢洪道

a.东溢洪道工作闸门整体状况完好，闸门主要构件未见损伤变形；闸门主要构件涂层完好；连接状况和止水装置均良好，无漏水现象发生；闸门轨道完好，未见异常；底槛完整，未见锈蚀；闸门吊耳装置零部件齐全，未见异常。工作闸门典型检查结果见图1、图2。

图2 工作闸门迎水面锈蚀状况

b.工作闸门的锈蚀量频数分布、锈蚀量和锈蚀速率见表1、表2。

表1 锈蚀量的频数分布

表2 锈蚀量和锈蚀速率分布

c.焊缝检测表明主横梁腹板与翼缘板T形连接焊缝、支臂腹板与翼缘板T形连接焊缝、边梁腹板与面板T形连接焊缝、边梁腹板与后翼缘板T形连接焊缝、吊耳板与连接板T形连接焊缝局部存在未焊透制造缺陷，但未焊透深度均没有超过规范允许值。

d.工作闸门材料检测主要选取左闸门纵梁后翼缘、支臂加劲板和纵梁加劲板取样，主要构件用料为Q235(A3)，与设计图纸一致，化学成分分析结果见表3，材料硬度及抗拉强度结果见表4。

表3 化学成分分析 单位：%

表4 材料硬度及抗拉强度结果

e.启闭机检测结果。设备运行维护、保养及整体状况良好，室内环境整洁干净；启闭机操作运行控制功能正常，附件齐全，运行平稳。个别地方存在齿轮制造缺陷等，见图3。

图3 启闭机大齿轮制造缺陷

f.启闭力检测结果见表5。结果表明闸门空载实测最大启门力为157.7kN，设计水位下最大启门力不超过205.0kN，均小于额定值，功能正常。

表5 实测应变值和启门力

检测结果反映出工作闸门存在的主要问题包括：ⓐ右闸门有2个侧导轮的销轴板采用钢板点焊固定。ⓑ闸门面板迎水面距门底约100cm范围内(闸门经常挡水区域)，老锈坑分布密集，局部区域锈坑连接成锈塘；迎水面止水连接螺栓锈迹斑斑，存在较重锈蚀，少数侧止水连接螺栓锈损；闸门面板迎水面其他部位分布零星的浅锈坑，锈蚀相对较轻。ⓒ闸门主横梁和小横梁局部区域分布有密集的老锈坑，左闸门锈蚀状况较右闸门相对严重。

东溢洪道检修闸门完好，无明显的损伤和变形现象；止水装置连接情况良好；叠梁构件表面局部区域锈迹斑斑或薄锈皮脱落，但未见深锈坑。

2.2 西溢洪道

a.西溢洪道工作工作闸门状况良好，未见损伤和变形；闸门构件涂层完好；构件之间连接完好牢固，螺栓无锈蚀；止水装置完整，不漏水；闸门轨道和底槛完好，但底部止水压板及连接螺栓存在部分锈蚀现象，工作闸门整体状况见图4。

图4 工作闸门整体状况

b.闸门锈蚀情况。对溢洪道左闸门进行锈蚀量检测，共获得检测数据105个，通过对锈蚀量检测数据进行整理，闸门主要构件锈蚀量频数分布的统计结果见表6。闸门各主要构件锈蚀量和锈蚀速率的平均值见表7。

表6 工作闸门锈蚀量频数分布

表7 锈蚀量和锈蚀速率统计

c.焊缝超声波探伤。对左闸门进行焊缝超声波探伤，检测结果表明闸门各焊缝局部存在未焊透制造缺陷，未焊透深度在规范允许之内，其余焊缝状况良好，且所有受检焊缝均无裂纹缺陷。

d.闸门材料检测。主要选取左闸门纵梁加劲板、上下支臂之间斜撑杆节点板和下支臂加劲板取样，主要构件材料为碳素结构钢Q235，与设计图纸一致，检测结果见表8、表9。

表8 材料检测试样化学成分测试结果 单位：%

表9 硬度及抗拉强度结果

续表

e.启闭机检测显示整体状况良好，具体见图5。主要零部件完好，润滑良好；启闭机附属系统齐全，启闭机操作运行控制功能正常，运行平稳；钢丝绳外观良好，运行状况正常；启闭机开式齿轮副大、小齿轮存在齿宽方向划痕，但深度较浅，典型的划痕见图6。

图5 启闭机整体状况

图6 开式齿轮副轮齿表面划痕

f.启闭力检测。检测结果见表10，结果表明空载状况下左闸门最大启门力为153.0kN，设计水位下左闸门最大启门力不超过198.9kN，均小于启闭机的额定容量。

表10 实测应变值和对应的启门力

3 安全评价及建议

a.东溢洪道工作闸门整体状况良好，但右侧启闭机齿轮存在1处较大的制造缺陷和卷筒预留钢丝绳圈数不符合规范要求，建议更换右侧启闭机右开式副大齿轮，调整启闭机卷筒预留钢丝绳圈数；启闭机操作控制柜无设备铭牌、开度显示仪表数值不准确，建议补充和调整。

b.西溢洪道工作闸门整体状况良好，主要构件未见损伤变形破旧，启闭机无设备铭牌，建议补充。

c.东、西溢洪道都存在检修闸门止水效果差、闸门漏水严重等问题，并且启闭方式简陋，费时费力，与水库的整体环境和面貌不相匹配。考虑到怀柔水库今后有可能经常在高水位运行，检修闸门的运行工况和运行要求也将发生改变，建议更新或改造检修闸门及启闭设备。

4 结 语

怀柔水库是向北京市供水的关键水利枢纽，本文在工程调查的基础上，对怀柔水库的东西溢洪道的相关金属结构进行了检测和分析，消除了安全隐患，确保了水库的安全运行。依据检测结果对水库金属结构进行的综合评价，为结构改造及检修提供了技术支撑。