陡河水库金属结构安全评价分析

崔立军

（唐山市陡河水库事务中心，河北 唐山 063021）

陡河水库于1955年开始兴建，1956年建成并投入运用，工程建设经历了续建、震后修复和除险加固等阶段。水库现有金属结构设备主要有：溢洪道升卧式平面定轮工作闸门2扇及其固定卷扬式启闭机2台；输水洞平面检修闸门2扇及其固定卷扬式启闭机2 台，平面工作闸门2 扇及其固定卷扬式启闭机2台。目前，输水洞工作闸门已经运行超过60 a，溢洪道闸门也已运行近50 a。经过几十年运行以后，由于受锈蚀和磨损等因素影响，不可避免地造成输水洞工作闸门和溢洪道闸门安全系数的降低。

1 安全评价依据

陡河水库金属结构设备安全分析评价全部按新的调洪标准和现行规范进行：按1 000 a 一遇洪水进行设计，10 000 a 一遇洪水位进行校核；按《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）、《水利水电工程启闭机设计规范》（SL41-2011）和《水利水电工程金属结构报废标准》（SL226-98）执行。

陡河水库金属结构分析计算是按照原图纸并结合河南华水工程质量检测有限公司编制的《陡河水库大坝安全鉴定现场检测报告》中闸门的锈蚀情况进行的，锈蚀厚度分析该部件的最大锈蚀量和平均锈蚀量。

2 安全鉴定复核计算方法

2.1 水压力计算

水压力计算公式为：

式中：r为水的容重（kN/m3）；p为闸门中心所受水压力强度（kN/m2）；h为闸门所受荷载高度（m）。

2.2 面板折算应力验算

面板折算应力验算公式为：

式中：σMY为垂直于主梁轴线面板支承长边中点的局部弯曲应力（N/mm2）；σmx为面板沿主梁轴线的局部弯曲应力（N/mm2）；σox为对应于面板验算点的主梁上翼缘的整体弯曲应力（N/mm2）；α为弹塑性调整系数。

2.3 主梁应力验算

主梁应力验算公式为：

式中：M为所验算截面的弯矩（N·mm）；wj为净截面的抵抗矩（mm3）；其余变量含义同上。

2.4 主梁刚度验算

主梁刚度应力验算公式为：

式中：q为梁的均布荷载（kN/m）；l0为梁的计算跨度（m）；E为弹性模量（kN/m2）；I为等截面梁的截面惯性矩（m4）；[F]为梁的容许挠度（mm）。

2.5 小横梁应力验算

小横梁应力验算公式为：

式中：M为连续梁的最大弯矩（N·mm）；W为截面的抵抗矩（mm3）；其余变量含义同上。

2.6 启门力计算

启门力计算公式为：

式中：nT为摩擦阻力安全系数；Tzd为支承摩阻力（kN）；Tzs为止水摩阻力（kN）；Px为下吸力（kN）；nG为计算启门力用的闸门自重修正系数；G为闸门自重（kN）；Gj为加重块重量（kN）；Ws为作用在闸门上的水柱重量（kN）。

3 溢洪道安全评价分析

溢洪道位于输水洞左侧，于1971年建成，设有2扇工作闸门，为升卧式定轮钢闸门。工作闸门孔口尺寸（宽×高）12 m×7 m，底槛高程34.0 m，最大设计挡水头6.37 m，设计水位40.37 m。闸门采用平面焊接钢闸门，主次梁结构采用双主横梁同层布置，为双吊点，面板支承在小横梁、纵梁、边梁与主横梁组成的梁格上，面板与梁格直接焊缝。主横梁为焊接工字形截面组合梁，纵梁为焊接T字形截面组合梁，小横梁为槽钢。根据原设计图纸，溢洪道工作闸门主要构件材料为16 Mn 钢，相当于现在的Q345 钢。闸门支承型式采用4套悬臂滚轮，主轴材质为45钢，主轮采用ZG45，止水型式采用前止水。启闭机选用2台2×250 kN 手电两用固定卷扬式启闭机，启闭力500 kN，运用方式为动水启闭。

溢洪道自1971年建成以来，只有1977年最高水位达到34.03 m，仅仅超过堰顶高程0.03 m，所以溢洪道闸门和启闭机实际没有正式运用过。1985 年，只是对闸门进行了喷沙除锈和涂氯化橡胶漆防腐处理；1995 年，只是更换了溢洪道工作闸门电气开关柜至启闭机的电缆；2007 年上半年，更新了溢洪道配电柜及启闭机控制柜。

3.1 现场安全检测

根据对陡河水库金属结构进行的现场检测，发现溢洪道工作闸门和固定卷扬式启闭机存在下列问题：①溢洪道工作闸门主次梁等主要构件局部锈蚀，连接螺栓锈蚀；②闸门整体焊缝质量较差，多个部位存在焊缝缺陷和焊接变形；③止水橡皮老化、龟裂；④主轮锈蚀；⑤启闭机动滑轮罩锈蚀、开裂、变形；⑥埋件局部锈蚀。

3.2 计算分析

3.2.1 基本参数

孔口尺寸（宽×高）为12.0 m×7 m，设计水头6.37 m。闸门采用平面焊接钢闸门，主材为Q345，运行条件为动水启闭；启闭设备选用2×250 kN 手电两用固定卷扬式启闭机。

根据金属结构现场检测，面板厚度8.92 mm，主梁腹板厚度10.4 mm、下翼缘厚度18.3 mm，边梁腹板厚度10.5 mm、翼缘厚度19 mm，吊耳板厚度16 mm。

根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）中相关规定，对于大中型工程的工作闸门和重要事故闸门来说，其容许应力应乘以0.90～0.95 的调整系数，本工程设备使用年限均超过大型水利水电工程金属结构折旧年限30 a，根据《水利水电工程金属结构报废标准》（SL226-1998）3.2强度条件的规定，闸门进行强度验算时材料的容许应力应按使用年限进行修正，达到和超过折旧年限取0.9的使用年限修正系数。根据上述要求，闸门材料的容许应力修正系数为k=0.95×0.90=0.855。

闸门结构复核计算成果，详见表1。

表1 闸门结构复核计算成果

依据复核计算结果分析，发现溢洪道闸门的面板、主梁、边梁、小横梁、支承滚轮的强度、刚度满足规范要求，均小于规范允许值，但9 支承轮轮轴、轮轴浮动板、吊耳板等零部件强度不满足规范要求。

3.2.3 启闭机容量复核计算

经计算，在设计条件下最大启门力为491 kN，闭门力为-81.9 kN，闸门依靠自重能够关闭。启闭机容量满足设计要求。

4 输水洞安全评价

输水洞位于拦河坝左坝头凤山山坡，入口为2 个长方形的进水洞口，洞口尺寸为1.75 m×3 m（宽×高），配置2 扇平面定轮钢工作闸门，工作闸门前均配备了检修闸门。

输水洞于1956 年建成并投入运行。建库以来，仅仅对输水洞工作闸门、启闭机进行了如下改造：1989年提高保坝标准后，更换了启闭机，加固了进水塔，并在顶部新建了启闭机房；对闸门进行了如下维护：1985年，对闸门进行了喷沙除锈和涂氯化橡胶漆防腐处理；1992年，更换底封水，并换顶、侧封水为橡胶封水；2002年，再次对闸门进行喷沙除锈和涂料防腐处理。

输水洞工作闸门为潜孔式平面定轮钢闸门，闸门主材选用A3F 钢材（相当于现在的钢Q235），孔口尺寸（宽×高）为1.75 m×3.0 m，门叶结构全部用铆钉连接，为木封水。启闭设备于1989年更换为400 kN固定卷扬式启闭机。

输水洞检修闸门1960 年由原来的混凝土闸门改建为潜孔式平面滑动钢闸门，孔口尺寸（宽×高）为1.8 m×3.5 m，启闭设备于1989 年更换为250 kN固定卷扬式启闭机。2002 年，对闸门进行喷砂除锈和涂料防腐处理。

“等等，你们在拿走金银之前，也要问问我的泥刀！”大胡子工匠立在桌旁，右手捏着泥刀，双脚扎起了弓步，他的三个兄弟也抽出泥刀跟在他身后，长安匠作门，泥水刀法，浑水摸鱼，砍头如砍砖，杀人如起楼，筑屋盖房用得着，争场打架也用得着的。做房子的时候用泥刀兢兢业业，打架的时候用泥刀，那是威风凛凛。

4.1 现场安全检测结论

根据现场检测结果，发现输水洞检修闸门、工作闸门及固定卷扬式启闭机存在下列问题：①根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）3.2.2 的规定，泄水孔工作闸门的上游应设置事故闸门，工作闸门前检修闸门现状为静水启闭的平面滑动钢闸门，不满足现行设计规范要求；②工作闸门面板、主次梁等主要构件存在麻面、局部锈蚀；③工作闸门个别铆钉头锈蚀，个别连接铆钉有锈损；④工作闸门主轮可灵活转动，但滚轮表面有锈迹、锈皮脱落。

4.2 计算分析

4.2.1 检修闸门

（1）基本参数。孔口尺寸（宽×高）为1.8 m×3.5 m，门型为潜孔式平面滑动钢闸门，主材为Q235，底坎高程22.545 m，设计水头11.455 m，闸门操作运行方式为静水启闭，启闭机为250 kN固定卷扬式启闭机。

根据现场检测，面板厚度10.57 mm，主梁腹板厚度10.6 mm、翼缘厚度13.8 mm，边梁腹板厚度13.6 mm、翼缘厚度10.7 mm，吊耳板厚度27 mm。

本工程设备使用年限均超过大型水利水电工程金属结构折旧年限30 a，根据《水利水电工程金属结构报废标准》（SL226-98）3.2强度条件的规定，闸门进行强度验算时材料的容许应力应按使用年限进行修正，达到和超过折旧年限时取0.9的使用年限修正系数。

（2）闸门结构复核计算成果，详见表2。复核计算结果表明，闸门面板厚度、主梁跨中最大弯应力、主梁挠度均小于规范允许值。

表2 闸门结构复核计算成果

（3）启闭机容量复核计算。经计算，在设计条件下最大启门力为121 kN，闸门为静水关闭。启闭机容量为250 kN，满足设计要求。

4.2.2 工作闸门

（1）基本参数。输水洞工作闸门为潜孔式平面定轮钢闸门，由上、下两节组成，上、下节闸门之间采用胶木止水，孔口尺寸（宽×高）为1.75 m×3 m，主材为Q235，底坎高程22.545 m，设计水头17.825 m。闸门门叶为铆接结构，梁格布置形式为同层布置。面板支承点主要集中在主横梁、纵梁和边梁组成的梁格上，主横梁、纵梁和边梁均为角钢铆接而成的工字形截面组合梁。闸门的整体主要由8 个主轮支承。启闭机为400 kN 卷扬式启闭机。闸门操作运行方式为动水启闭。

根据陡河水库大坝安全鉴定现场检测，面板厚度13.4 mm，主梁腹板厚度13.4 mm、翼缘厚度13.4 mm，边梁腹板厚度13.5 mm、翼缘厚度13.7 mm。

根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）中的相关规定，对于大中型工程的工作闸门和重要事故闸门来说，其容许应力应乘以0.90～0.95的调整系数。本工程设备使用年限均已超过大型水利水电工程金属结构折旧年限30 a。根据《水利水电工程金属结构报废标准》（SL226-1998）3.2强度条件的规定，闸门进行强度计算时材料的容许应力应按使用年限进行修正，达到和超过折旧年限时取0.9的使用年限修正系数。根据上述要求计算，闸门材料的容许应力修正系数为k=0.95×0.90=0.855。

（2）闸门结构复核计算成果，详见表3。复核计算结果表明，闸门面板、主梁等应力满足规范允许应力。

表3 闸门结构复核计算成果

（3）启闭机容量复核计算。经计算，在设计条件下最大启门力为314 kN，闭门力为-27 kN，闸门依靠自重能够关闭。启闭机容量满足设计要求。

5 结论及建议

5.1 溢洪道

溢洪道工作闸门外观整体状况基本尚好，闸门的面板、主梁、边梁、小横梁、支承滚轮的强度、刚度满足规范要求，但主次梁等主要构件、主轮、闸门连接螺栓、埋件均存在锈蚀现象；止水橡皮存在老化现象；支承轮轮轴、轮轴浮动板、吊耳板等零部件强度不满足规范要求，且闸门已经运行近50 a，超过折旧年限。建议对闸门尽快加固或改造，对闸门的轮轴浮动板、吊耳进行补强，并更新支承轮轮轴。对溢洪道金属结构设备存在的缺陷及损坏部件进行维修更换，并及时进行闸门防腐维护处理。

虽然启闭设备外观尚可，但设备也已经运行近50 a，超过折旧年限，一些零部件或成品目前已老旧、淘汰，建议更换启闭设备安全保护装置，平时加强运行管理，及时发现问题及时解决。

5.2 输水洞

输水洞工作闸门、检修闸门及启闭设备外观整体状况基本尚好，零部件（含止水装置零部件）齐全，连接牢靠，闸门容许应力和刚度均满足规范要求，启闭机容量也满足要求。但鉴于闸门已经运行超过60 a，启闭设备也已运行超过30 a，超过或接近折旧年限，并且检修闸门为静水启闭的平面滑动钢闸门，不满足现行设计规范要求，同时工作闸门面板、主次梁等主要构件存在麻面、局部锈蚀、闸门连接铆钉锈损现象，启闭设备一些零部件或成品目前已淘汰。建议尽快加固或改造。输水洞金属结构更新改造前，及时进行闸门防腐维护处理，并加强设备的运行管理，制定闸门启闭应急预案，保证设备安全运行。