水府庙水库弧形闸门金属结构安全性态分析

赵伟明，谭 军，申志高，薛世福

(湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007)

0 引 言

中国水利工程大多建于20世纪50～70年代，弧形闸门等金属结构装备超过300万t。弧形闸门作为挡水建筑物，与大坝的运行安全密切相关，尤其是超期运行多年的在役弧形闸门，对水库大坝的安全评级影响较大。多年来的安全评价大多仅以超过固定资产折旧年限而确定报废，与实际情况并不相符，并且存在一定浪费。

因此，本文以水府庙水库大坝弧形闸门金属结构的安全评价为例，研究超期多年的弧形闸门对水库大坝案例评级的影响。

1 工程概况

水府庙水库位于湘江一级支流涟水中游，双峰县、湘乡市、娄星区三地交界处。1958年9月动工修建水库，1959年9月大坝建成，1960年7月水库蓄水。坝址以上控制流域面积3 160 km2，占涟水流域面积的44%，水库总库容5.26亿m3，正常蓄水位94.00 m，是一座以灌溉为主，兼顾发电、防洪、航运、供水等综合利用的大(2)型水利枢纽工程，属Ⅱ等工程，其主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，设计洪水标准为100 a一遇，校核洪水标准为1 000 a一遇。

水府庙水库大坝为浆砌石重力坝，坝顶轴线全长242.05 m，其中溢流坝段长141.75 m，溢流段设置了15扇8 m×5.2 m(宽×高)的钢质弧形泄洪闸门，底坎高程88.80 m，闸墩厚1.50 m，采用15 t索缆式启闭机操作，操作方式为全开全关的动水启闭。弧形闸门先后于2013年和2017年进行了大修，加固了部分杆件，目前可以正常运行。弧形泄洪闸门严格按照《闸门启闭机运行维护规程》做好维护保养工作。

2 弧形闸门现状及存在的主要问题

对溢流坝15扇工作闸门及其启闭机进行了巡视检查、外观检查，详见图1～3，并根据现场情况随机抽取1，3，4，5，10号工作闸门进行了腐蚀等检测与无损探伤[1-3]，具体情况如下。

(1) 溢流坝15扇工作闸门外观形态基本完好，门体无明显变形和扭曲情况，面板和其余受力结构焊缝外观基本完整，支臂无明显变形和缺件现象，止水装置正常。1～15号闸门主横梁及支臂部分防腐面漆完整，面板(迎水侧)面漆均有局部脱落现象，脱落处表面轻微锈蚀，闸门埋件(两侧轨道)表面轻度磨损、表面锈蚀[4-5]。被检受力结构腐蚀程度根据SL 101-2014《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》均评定为A级、被检二类焊缝内部质量满足标准要求。闸门主要构件腐蚀量、涂层厚度检测结果分别见表1～2。

图1 闸槽及闸板部位出现锈蚀Fig.1 Corrosion appears on the gate groove and gate parts

图2 闸门面板防腐涂层脱落Fig.2 Anti-corrosion coating of the gate panel comes off

图3 闸门轨道埋件锈蚀Fig.3 Corrosion of embedded parts of gate track

(2) 闸室、闸墩等未见明显裂缝、渗水、冲刷、气蚀现象，闸墩上游侧均存在轻微麻面现象，15孔溢流道底局部均存在冲刷、钙质离析现象。

表1 1，3，4，5，10号工作闸门腐蚀量检测结果

表2 1，3，4，5，10号工作闸门涂层厚度检测结果

(3) 对1～15号工作闸门进行启闭操作，闸门启闭过程一切正常，无卡阻、噪音，且启闭过程中启闭机温度正常，两吊点同步。经外观检查，启闭机整体情况正常，但存在以下问题：① 机架、制动器、减速器、钢丝绳等部件外观均有轻微老化、磨损及腐蚀；② 钢丝绳表面缺乏机油防腐;③ 传动齿轮也无防腐、润滑措施。

3 泄洪闸安全评价

3.1 抗洪能力评价

水府庙水库为山丘区水库，属Ⅱ等工程，其主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，本次复核其设计标准为100 a一遇(1%)，校核标准为1 000 a一遇(0.1%)，下游消能防冲工程设计洪水为50 a一遇洪水。溢流堰设计最大过流能力6 550 m3/s，比水库设计洪水位(95.72 m)时的最大下泄流量4 350 m3/s大34%；比水库校核洪水位(97.11 m)时的最大下泄流量5 810 m3/s大11%。因此，水府庙水库溢流堰在渲泄设计和校核洪水最大下泄流量时，不会危及泄洪建筑物本身及水库大坝的安全。

3.2 渗流安全评价

水府庙水库大坝为浆砌石重力坝，根据现场检查结果及历年运行情况，未发现渗流异常现象，但坝体渗透系数偏大，且溢流坝下游坝面有渗水现象。

3.3 结构安全评价

溢流坝段设15孔8 m×5.2 m(宽×高)弧形钢闸门，闸墩长15 m，厚1.5 m，牛腿附近扇形受拉钢筋配8Φ30 mm。弧形闸门支座结构验算采用SL 191-2008《水工混凝土结构设计规范》中有关公式及规定进行。

(1) 闸墩裂缝控制验算。弧门支座附近闸墩局部受拉区裂缝控制需满足下列要求。Ⅰ闸墩受两侧弧门支座推力作用时：

Fs≤0.7ftkbB

(1)

Ⅱ闸墩受一侧弧门支座推力作用时：

(2)

上式中：Fs为由荷载标准值计算的闸墩一侧弧门支座推力值，支座推力值556 kN(其中水推力509 kN，浮力47 kN)；b为弧门支座宽度，b=1.1 m；B为闸墩厚度，B=1.5 m；e0为弧门支座推力对闸墩厚度中心线的偏心距，e0=1.4 m；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值，ftk=1.78 MPa。

闸墩受两侧弧门支座推力作用时，其受力为

F=0.7×1.78×103kPa×1.1 m×1.5 m

=2056 kN

闸墩受一侧弧门支座推力作用时，其受力为：

由上述计算可知，两种工作状态下均有Fs≤F，说明牛腿设计宽度满足抗裂要求。

(2) 闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋面积验算。Ⅰ闸墩受两侧弧门支座推力作用时：

(3)

Ⅱ闸墩受一侧弧门支座推力作用时：

(4)

闸墩受两侧弧门支座推力作用时：

闸墩受一侧弧门支座推力作用时：

由上述计算可知，两种工作状态下均有Fs≤F，因此，闸墩受拉区射向配筋均满足受力要求。

3.4 金属结构安全评价

根据弧形闸门现场检查结果，闸门现场示意详见图4，水府庙水库大坝弧形钢闸门未发现明显变形，启闭机能正常使用，闸门能正常开启，但部分闸槽及闸板出现锈蚀；止水胶条有一定老化现象，导致闸门挡水不密实。

图4 弧形闸门现场Fig.4 Site map of the arc gate

3.4.1 基本参数

孔口形式：露顶式；孔口宽度：8.0 m；底槛高程：88.80 m；正常高水位(设计洪水位)：94.00 m；设计水头：5.20 m；闸门高度：5.20 m；孔口数量：15孔；操作条件：动水启闭；吊点间距：7.60 m；启闭机：前拉式固定卷扬机。

3.4.2 基本结构布置

水府庙水库大坝弧形闸门采用支臂双主横梁式焊接结构。弧门半径R=7.0 m，支铰高度H2=5.527 m。支铰采用圆柱铰，侧水封为“L”型橡皮水封，底水封为“刀”型橡皮水封。在闸门底主梁靠近边梁的位置设置两个吊耳，与启闭机吊具通过吊轴相连接，采用2×150 kN固定式卷扬机操作。

闸门的门叶结构材料采用Q235(A3)，支铰材料为铸钢ZG310-570，材料容许应力如下(应力调整系数0.95)。

Q235：许用应力[σ]=165 MPa，许用挤压应力[σp]=240 MPa；剪切应力[τ]=115 MPa。ZG310-570：[σ]=140 MPa，[τ]=105 MPa。

3.4.3 荷载计算

闸门在关闭位置的静水压力，由水平水压力和垂直水压力组成，荷载计算简图详见图5，计算公式及总水压力P如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

上式中：Ps为上游水平分力，kN；Vs为上游垂直分力，kN；Px为下游水平分力，kN；Vx为下游垂直分力，kN；Hs为上游水头，m；Hx为下游水头，m；R为弧形面板曲率半径，m；B为孔口宽度，m；h为闸门高度，m；γ为水的容重，10 kN/m3；β为总水压力作用方向与水平方向的夹角。

图5 弧形闸门荷载计算示意Fig.5 Diagram of load calculation for radial gate

作用在闸门上的总水压力详见表3。

表3 作用在闸门上的总水压力计算

正常运行时，总水压力P=1 085.62 kN，总水压力作用方向计算公式如下：

tanβ=Vs/Ps=93.375/1 081.6=0.086

因此，计算可得，β=4.91°。

3.4.4 结构计算

3.4.4.1 面板

面板厚度按下列公式[2]初选：

(10)

式中：kY为弹塑性薄板支承长边中点弯曲应力系数；α为弹塑性调整系数(b/a>3时，α=1.4；b/a≤3时，α=1.5)；q为面板计算区格中心的压力强度，N/mm2；a，b分别为面板计算区格的短边和长边长度，mm，从面板与主(次)梁的连接焊缝算起；[σ]表示材料Q235的许用应力，取165 MPa。

大中型工程的工作闸门容许应力应乘以0.90～0.95的调整系数，本次水府庙水库弧形闸门容许应力的调整系数取0.95；又根据《水利水电工程金属结构报废标准》规定，对在役闸门进行结构强度验算时，容许应力还应再乘以0.90～0.95的使用年限修正系数，对达到或超过折旧年限的闸门取0.90，水府庙水库弧形闸门已在役40余年，因此，修正系数综合取0.95×0.90=0.85。面板厚度复核计算结果详见表4。

表4 面板厚度复核计算

分析可知，由于长期使用，面板强度降低且出现一定锈蚀；经测定，锈蚀厚度约1 mm，故实际厚度变为9 mm。根据复核计算结果，面板最小厚度余量δ=9.1 mm，满足要求。

3.4.4.2 主框架结构

弧形闸门主框架结构的计算[6]示意(图6)应能反映实际结构的主要受力和变形性能，又能使计算简便。对弧门空间杆件结构的平面简化，采用水工结构有限元分析系统Autobank计算。

图6 弧形闸门主框架结构计算示意(单位：mm)Fig.6 Calculation diagram of the main frame structure of the radial gate

强度计算条件：σmax≤[σ]，计算构件的轴力详见图7，应力计算结果详见表5。分析可知，应力计算结果均小于许用值，说明各杆件应力满足要求。

图7 弧形闸门计算构件轴力示意(单位：kN)Fig.7 Axial force diagram of the calculated components of the radial gate

表5 应力计算结果

以上应力计算结果均小于许用值，说明各杆件应力满足要求。

4 结 论

虽然水府庙水库弧形闸门金属结构已超过报废折旧年限，但弧形闸门及其启闭机运行状况、现状基本正常，启闭机选型满足设计启闭要求，受检闸门面板局部轻微锈蚀，埋件轻度磨损、锈蚀，被检二类焊缝内部质量满足规范要求，安全检测结果为“基本安全”。计算闸墩受拉区射向配筋满足受力要求，闸墩牛腿设计宽度满足抗裂要求；复核计算弧门面板、主横梁的强度、刚度、稳定性及闸门启闭力等，工作门的面板最大折算应力、主梁最大计算拉(压)应力、主梁最大计算挠度均在允许范围内；闸门的启闭力、持住力均小于启闭机额定容量，能实现正常启闭闸门，闸门闭门力为负值，无需加重可实现正常闭门。

综上，水府庙水库大坝弧形闸门运行和维护状况良好，未达到SL 226-98《水利水电工程金属结构报废标准》规定的报废条件，未严重影响工程正常运行，因此，水府庙水库大坝泄洪闸金属结构基本安全。