希尼尔水库放水涵洞平面钢闸门维修方案探讨

周 翔

(塔里木河流域工程建设处，新疆 库尔勒 841000)

1 工程概况

希尼尔水库位于新疆巴州尉犁县境内，是一座以灌溉为主的注入式反调节平原水库。水库设计洪水位913.46 m，校核洪水位913.60 m，总库容9 800×104m3，正常蓄水位913.42 m，兴利库容8 632×104m3，死水位905.80m，死库容1 000×104m3，正常蓄水位水库水面积16.61 km2，工程规模为中型，工程级别为Ⅲ等。希尼尔水库位于孔雀河流域，属暖温带大陆性荒漠气候，年平均降水量56.4 mm，多年平均蒸发量2 772.8 mm，平均相对湿度为45%～47%，多年平均气温11.8℃。库坝区出露地层主要为第四系冲洪积物、风积物等和新近系沉积物，其中第四系地层主要为全新统冲洪积砂土(中粗砂等)、砂砾石、粉土，层厚多在1.0～4.0 m之间。

希尼尔水库始建于2000年，于2003年正式蓄水，经过多年运行，希尼尔水库部分结构需要进行除险加固。水库除险加固工程分二期施工，主要加固内容包括铣削搅拌水泥土防渗墙、混凝土盖帽、复合土工膜铺设、坝顶防浪墙与面板、放水闸弧形挡土墙、放水渠进口面板、放水涵洞平面钢闸门检修等。其中，放水涵洞平面钢闸门为四主梁的潜孔式平面钢闸门，钢闸门材质采用Q345B，孔口尺寸为4.5 m×4.5 m，水头高度25.2 m，闸门自重17.055 t，腹板前缘和后缘厚度分别为10和16 mm，腹板厚度14 mm，面板厚度12 mm。

2 时变可靠度理论

水工钢闸门是一种复杂的超静定体系结构，闸门体系的失效形式多种多样，主要包括主梁失效、面板失效及边梁失效3种，而主梁的应力值远大于边梁和面板所受的应力值，因此水工钢闸门的可靠度可以直接由主梁结构的可靠度来计算。水工钢闸门主梁结构失效主要是由锈蚀引起厚度减小而造成结构抗力降低，钢闸门主梁锈蚀的速度并不是固定的，而是随着运行时间的增加而逐渐变化的，即腐蚀速率为非线性变化[1-3]。水工钢闸门在出厂之初，已涂刷防腐涂层，因而钢闸门在运行初期(约为5a)的腐蚀量是十分微小的，之后腐蚀速率随着运行时间增加而逐渐增大，最后慢慢趋于稳定。水工钢闸门的自然腐蚀规律：

(1)

(2)

式中：d∞为钢闸门腐蚀量的长期锈蚀厚度，一般取2～4 mm；d(t)为在时间t时的钢闸门腐蚀厚度，mm；τc为涂层寿命，文中取5a；τt为过渡时间。

根据不同时刻钢闸门的锈蚀量，可计算得到闸门的时变可靠度曲线，见图1。

图1 闸门时变可靠度曲线

根据《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》(SL 101-2014)相关规定[4-5]，根据钢闸门的锈蚀量可将水工钢闸门的状态划分为A、B、C、D共4个等级。对应地根据锈蚀状态也可以将水工钢闸门的时变可靠度曲线划分为Ⅰ～Ⅳ共4个阶段：第Ⅰ阶段为未发生锈蚀状态，此时钢闸门表面涂层基本完整，仅存在少量零星分布的蚀坑，此阶段的长短取决于闸门防腐涂层的防腐周期，在这一阶段时变可靠度并没有低于闸门的目标可靠度，仅需要开展定期巡回检查即可；第Ⅱ阶段为一般腐蚀阶段，此阶段水工钢闸门已经出现锈蚀现象，可靠度指标下降速度随着运行时间增长而逐渐增快，锈蚀厚度一般在0.5～0.6 mm，此阶段锈蚀时间较短，一般为1～1.5 a，在此阶段需要对闸门进行喷砂除锈处理；第Ⅲ阶段为较重腐蚀阶段，时间一般在5 a左右，锈蚀厚度一般在1～2 mm，闸门构件已存在一定程度的削弱，可靠度会逐渐低于目标可靠度，如果要确保闸门结构安全性和增加使用寿命，除了进行除锈补漆涂铝等处理，还需要对闸门进行小修处理，以确保闸门不进入或者延缓闸门进入第Ⅳ阶段；第Ⅳ阶段为闸门严重锈蚀阶段，锈蚀厚度一般大于3 mm，在此阶段需要对闸门进行大修处理。

3 闸门维修方案设计分析

3.1 目标可靠度

水工金属结构构件的目标可靠度指标要求见表1。本工程级别为Ⅲ等，主要建筑物的闸门级别为3级，结构安全等级为Ⅱ级。根据表1对应的目标可靠度要求，放水涵洞平面闸门的目标可靠度取值应为3.2。

表1 水工金属结构构件目标可靠度取值

3.2 时变结构可靠度曲线

按照50 a的闸门使用年限进行分析，对放水涵洞平面钢闸门的时变结构可靠度曲线进行分析，结果见图2。从图2中可知，当放水涵洞平面闸门运行23 a后，时变可靠度将低于目标可靠度，闸门结构将处于失效状态。虽然目前闸门运行时间不足20 a，但可靠度已经基本接近于3.2，如果不采取有效措施，将对水库的安全运行产生影响。因此在除险加固时，提出对放水涵洞平面钢闸门进行一次检修。

图2 放水涵洞平面钢闸门时变可靠曲线

3.3 闸门维修方案设计

方案一：根据水工金属结构传统的检修方法，一般小修间隔时间为4 a/次，大修间隔时间为8 a/次，每一次检修的时间和项目均是固定不变的，假设每一次闸门涂层的保护有效期均是6 a。

方案二：在闸门Ⅰ～Ⅲ阶段，均按照第二小节的方法进行检修即可确保闸门的安全可靠性；在闸门第Ⅳ阶段，每2a对平面闸门进行一次检修，然后每6a对闸门进行一次大修，喷涂新的防腐层后不做其他检修，待此次涂层完全失效后再进行下一次检修，即在闸门运行7、10、19、28、37和46 a后进行小修，在闸门运行12、21、30、39和48 a后进行一次大修。

方案三：在闸门Ⅰ～Ⅲ阶段，检修方案与方案二相同；在闸门第Ⅳ阶段，每3 a对平面闸门进行一次小修，每12 a对平面闸门进行一次大修，喷涂新的防腐层后不做其他检修，待此次涂层完全失效后再进行下一次检修，即在闸门运行7、10、20、23、26、37和40 a后进行小修，在闸门运行12、29和43 a后进行一次大修。

3.4 闸门维修方案对比

对3种放水涵洞平面钢闸门检修方案的时变可靠度进行计算，结果见图3。从图3中可以看到，对平面钢闸门采取维修之后，时变可靠度呈阶梯型下降。方案一时变可靠度理论在48 a后闸门为3.199 8<3.2，故不能完全满足闸门50 a的使用年限要求；方案二在50 a后时变可靠度仍可以达到3.213 1>3.2，满足闸门50 a的使用年限要求；方案三在28 a后时变可靠度为3.199 8<3.2，故也不能满足闸门50 a的使用年限要求。

图3 不同维修方案闸门时变可靠度对比

传统检修方案(方案一)下，需要进行10次小修和6次大修，方案二需要进行7次小修和6次大修，方案三仅需要进行7次小修和3次大修。传统检修方案不仅需要更多的检修次数，而且仅能使闸门勉强达到50 a的有效使用年限，因此该方案是不经济的；方案三虽然需要的大修次数最少，最为经济，但却只能确保28 a的有效使用年限；方案二相比传统检修方案，减少了小修次数3次，但可以将时变可靠度一直保持在3.2以上，因此是最合理的维修方案。

从2003年首次蓄水运行至今，希尼尔水库已经运行19 a，因此根据方案二的维修方案，在本次除险加固工程中，应对放水涵洞平面钢闸门采取小修措施。小修项目主要涉及门体表面检查、大小主轮及反向轮检查、闸门止水装置检查、闸门支撑检查、锁定装置检查、液压装置检查、充水小门检查、各处联接螺栓检查、焊缝检查、闸门各构件外观检查及设备运行情况等11项[6-7]。

4 结 语

以希尼尔水库除险加固工程为例，基于时变可靠度理论，对该水库放水涵洞平面钢闸门的检修方案进行了探讨，结论如下：

1)根据闸门锈蚀程度，将闸门划分为未发生锈蚀、一般锈蚀、较重锈蚀和严重锈蚀4个阶段。

2)根据水库工程级别，确定放水涵洞平面钢闸门的目标可靠度为3.2，在不进行维修的情况下，钢闸门可靠度将在第23年后低于3.2。

3)根据时变可靠度理论，提出了3种闸门维修方案，通过不同维修方案下时变可靠度和经济性对比，最终确定方案二为最合理的维修方案。根据方案二拟定的检修方案，在本次除险加固工程中，需要对放水涵洞平面钢闸门进行一次小修。