第九水厂引水隧洞水工金属结构安全评价与问题处理

周上梯 张晓军

（北京市密云水库管理处 101512）

1 工程概况

密云水库坐落于北京市密云县境内，总库容43.75亿m3，是华北地区最大的水库。第九水厂引水隧洞（以下简称“引水隧洞”）位于密云水库九松山副坝以东约1km处，属北京市第九水厂二期取水工程，洞径3.5m，洞长3078m，设计最大日供水能力100万m3。密云水库目前为北京唯一地表饮用水源地，引水隧洞作为其主要取水口，承担着极其重要的供水任务。

根据《水库大坝安全鉴定办法》、《水库大坝安全管理条例》的有关要求，水库大坝（包括附属输泄水建筑物）6～10年需进行安全检查，引水隧洞于2009年5月18日进行停水检修，工期一个月。主要包括对隧洞水工金属结构进行常规检查、安全检测、综合评估、问题处理等。

2 检测情况

引水隧洞水工金属结构主要由闸门、拦污栅、主洞末端钢管段、支洞出口平压系统等四大部分组成，详细参数指标见表1。

表1 隧洞主要水工金属结构性能参数

2.1 闸门和启闭机检测

引水隧洞进口设有一扇事故检修门，检修支洞出口分别设有一扇检修门和一扇工作门。

2.1.1 出口工作闸门和启闭机

a.闸门外观检查。闸门侧导轮多已锈蚀，转动不灵活或不转动；闸门焊缝局部存在少量飞溅物、焊瘤等外观缺陷；顶止水局部存在轻微漏水现象，闸门运行过程中由于止水橡皮与止水座板摩擦引起闸门剧烈抖动和爬行现象；闸门表面涂层基本完好，整体存在轻微锈蚀，局部有较重或严重锈蚀。锈蚀统计情况见表2。

表2 工作闸门锈蚀情况统计表

b.闸门焊缝超声波探伤。闸门支臂腹板与翼缘板T形连接焊缝均存在多处未焊透缺陷（缺陷最大当量为RL+4dB），但均未超过《水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范》（DL/T5018—2004）的规定。其余所有受检焊缝均未发现有缺陷存在；闸门所有受检焊缝均未发现裂纹缺陷。

c.闸门材料检测。综合闸门主要部件的化学成分分析、硬度以及抗拉强度的检测结果，可以判定，闸门主要构件所使用的材料为碳素钢Q235。

d.闸门结构应力复核计算与分析。工作闸门是一种典型的空间薄壁结构体系，由一系列板、壳、梁、杆等构件组合而成。正常工作时，闸门所承受荷载将通过各构件的相互传递来共同承担。面板、主横梁、纵梁、支臂等构件将发生弯曲、扭转、剪切、轴向拉压等组合变形。因此，计算模型的选择必须考虑到各构件的几何性质、变形特征和受力方式以及相互作用关系等，以正确反映出闸门的整体作用以及各构件的实际工作状态。根据闸门结构形式和受力特点，将闸门面板、主横梁、纵梁、边梁、小横梁、支臂臂杆、支臂垂直腹件离散为板单元，两支臂间连接杆离散为杆单元，支铰离散为实体单元。据此所建立的闸门有限元计算模型如图1所示，计算模型的节点总数为15724个，单元总数为15234个。计算荷载主要考虑作用于闸门的静水压力、自重，闸门设计水头为53m。

计算及复核结果表明：在设计水位下，闸门主横梁、纵梁、边梁的最大正应力和最大折算应力均已超过相应的容许应力值，但范围均极小，闸门其余构件的强度、刚度和稳定均满足安全运行要求。

图1 闸门有限元计算模型

e.启闭机运行状况检测。启闭机附属系统不健全，无负荷限制装置，存在安全隐患；供电线路及电气控制线路布置紊乱，部分护线套管锈蚀；电动机绝缘电阻、电流、电压及温升均满足规范要求，电气参数满足安全运行要求。

f.闸门启闭力检测与计算分析。在闸门空载工况下，闸门实测最大启门力为187.40kN，小于启闭机的额定启门力（500kN）。

2.1.2 进口事故闸门和启闭机

a.闸门外观检查。闸门主轮及连接部位和止水压板及联结螺栓局部存在一般锈蚀，有分散的锈斑和锈包，止水橡皮存在轻微摩损；闸门拉杆局部存在一般或较重锈蚀，表面有锈迹、锈斑和锈包，局部成片分布，拉杆销轴有的存在较重锈蚀，表面布满锈斑和锈包，铲去可见有密集成片的锈坑，呈麻面状分布，锈坑深度多为0.5～1mm；闸门表面涂层基本完好，整体轻微锈蚀，局部一般锈蚀。构件表面局部有少量分散的锈迹斑、锈包，面板、主横梁以及边纵梁后翼缘上有分散的老锈坑，锈坑深度多为1～1.5mm。

b.闸门焊缝超声波探伤。主横梁后翼缘板与边梁后翼缘板连接焊缝有两处存在超标的制造缺陷（未焊透），缺陷最大当量为RL+4dB；主横梁腹板与后翼缘板T形连接焊缝、主横梁腹板与边梁腹板T形连接焊缝有三处存在未焊透缺陷（缺陷最大当量为RL+5dB），但均未超过规范《水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范》（DL/T5018—2004）的规定，其余所有受检焊缝均未发现有缺陷存在；闸门所有受检焊缝均未发现裂纹缺陷。

c.启闭机外观检测。启闭机减速器低速级左侧齿轮副大齿轮右端面有一齿齿槽下部存在一处孔洞缺陷，缺陷范围长约40mm、宽约20mm，缺陷最大深度约8mm，表明减速器传动齿轮副制造质量差，存在安全隐患；启闭机开式齿轮副大齿轮有一齿齿顶部位存在一处凹陷缺陷，缺陷大小约50mm×15mm×1.50mm（长×宽×深）；启闭机卷筒端面存在多处铸造孔洞缺陷；启闭机定滑轮组右侧滑轮右侧轮缘有一片铸造缩松缺陷，分布在长400mm、宽250mm的范围内，缺陷最大深度约15mm；启闭机减速器存在润滑油渗漏现象；启闭机电气控制线路布置紊乱。

2.1.3 支洞出口检修闸门

出口闸门经外观检查和仪器检测，未有异常情况。

2.2 第九水厂输水隧洞进口拦污栅

2.2.1 栅体外观检查

上游侧拦污栅左侧第二根栅条存在变形，最大变形量约15mm，变形范围长约700mm，变形位于距顶端约950mm处；栅体反向滑块有磨损，局部存在锈蚀；拦污栅栅体吊耳轻微锈蚀，水下部位的钢丝绳亦存在锈蚀，表面有较多的锈蚀斑；拦污栅栅体表面涂层基本完好，整体轻微锈蚀，局部一般锈蚀；栅体梁系构件表面有少量分散的锈迹和锈斑，栅条上有少量分散的麻点锈斑，栅条与纵梁及底横梁的连接部位多处存在锈蚀，有锈斑、锈包和锈皮；栅体构件上亦有分散的老锈坑，局部较多，锈坑深度多为 1～1.5mm。

2.2.2 栅体锈蚀量检测

拦污栅栅体锈蚀量频数峰值位于0.60～0.70mm区间，且锈蚀量主要分布在0.20～0.90mm之间，其频数为93.10%。表明拦污栅整体锈蚀状况较轻；拦污栅栅体各主要构件平均锈蚀量为0.45～0.76mm，标准差为0.17～0.21mm。表明拦污栅各主要构件锈蚀程度基本相似；拦污栅总体平均锈蚀量为0.63mm，标准差为0.19mm，总体平均锈蚀速率为0.039mm/年，各主要构件平均锈蚀速率为0.028～0.048mm/年。

2.2.3 栅体焊缝超声波探伤

主横梁腹板对接焊缝有两处存在超标的制造缺陷（未焊透），缺陷最大当量为SL+6dB。其余所有受检焊缝均未发现有缺陷存在；所有受检焊缝均未发现裂纹缺陷。

2.3 主洞出口钢管段

隧洞主洞末端有51m长金属管道与引水隧洞连接，桩号为2+852～2+903，原采用防腐漆进行处理，2001年漆膜厚度检测表明涂层厚度小于设计指标。鉴于管道所处的潮湿环境，采用聚合物水泥砂浆类材料进了处理。由于砂浆材料厚度远远超过了原漆膜厚度，无法采用LAT—B涂层测厚仪进行检测。

根据实际情况采用对砂浆聚合物表面进行观察、配合敲击的方法，判断砂浆防腐层与钢管壁的结合程度。现场检查发现：砂浆聚合物表面现场密布白色析出物点，用锤敲击可明显感觉白点周边范围存在空鼓，用钢钎砸开空鼓区，有少量渗水流出。砂浆聚合物表面及砸开后情形如图2所示。

图2 钢管段聚合物砂浆防腐层外观

从检测结果分析，底层砂浆与钢管结合较好，起到了防锈效果，而表层砂浆与底层砂浆之间出现分离现象，鼓起并产生开裂。应对表层砂浆进行处理，处理过程中尽量避免对底层防腐砂浆产生破坏。

2.4 充水平压系统

支洞出口充水平压系统主要阀件已在2001年全部更换为进口优质产品，实际运行效果比较理想，本次阀件设备检查内容包括：ⓐ 外观检测各阀件以及配套附属零件的锈损状况；ⓑ 通过实际操作检测各阀件的功能运用灵敏程度、封水效果以及诸项设计指标。经过现场检查和试运行，该系统锈蚀甚微，各部件工作正常，仪表指示准确。

3 安全评价

3.1 闸门和启闭机

为确保输水隧洞安全运行，根据《水利水电工程金属结构报废标准》（SL226—1998）的规定，出口工作闸门应进行局部补强加固处理，其启闭机运行状态良好，满足安全运行要求；进口事故闸门外观检查与焊缝探伤检测结果表明：该门可继续安全使用，其启闭机整体外观形态基本完好，零部件齐全，运行状态良好，但开式齿轮副大齿轮及卷筒端面亦存在铸造缺陷；出口检修闸门和启闭机工作正常。

3.2 进口拦污栅

拦污栅整体外观形态较好，栅体无明显损伤，焊缝探伤检测结果表明：现有拦污栅可继续使用。

3.3 出口钢管段

SPC聚合物水泥砂浆防护效果良好，但砂浆底层与面层存在分离现象，需进行局部修补。

3.4 充水平压系统

外观检查及试运行结果表明，系统工作正常。

4 工程措施

4.1 出口工作闸门更新

检测及复核计算结果表明：在设计水位下，出口工作闸门局部最大正应力和最大折算应力均已超过相应的容许应力值，需对该门进行局部补强加固处理。结合顶止水漏水及闸门启闭过程中产生较强振动的情况，考虑到引水隧洞的重要性，决定对该门实施报废更新，并对顶止水和门楣埋件进行了改进。新门安装完毕后，经过试运行检验，启闭平稳、工作正常。

4.2 进口事故门启闭机开式大齿轮更换

进口事故门启闭机开式大齿轮存在铸造缺陷，决定更换大齿轮，新齿轮与原旧齿轮尺寸一致，采用热处理工艺，经出厂检测和现场试运转，质量合格，工作正常。

4.3 出口钢管段防腐表层修复

采用SPC聚合物水泥砂浆加SPC聚合物涂层综合处理工艺，对基面进行处理后，依次分别涂刷SPC界面剂、SPC聚合物水泥砂浆和SPC聚合物涂层。主要施工方法为：ⓐ基面处理：用角磨机将原基面凿毛，高压水冲洗，形成新鲜基面；ⓑ抹面施工：先均匀涂刷一道SPC界面剂，用量为0.40～0.60kg/m2，再抹SPC聚合物砂浆，厚度约5mm，最后刮涂SPC聚合物涂层，用量4～5kg/m2，以上三种材料粉料、胶料配比分别为 0.8∶1、6.5∶1 和 2.5∶1；ⓒ养护：SPC聚合物砂浆硬化后，潮湿养护5～7天。防腐表层修复后，经检测，SPC聚合物砂浆和涂层在钢管表面形成致密、弹性、抗渗、抗冻的“薄壳”，具有良好的防护效果。

4.4 闸门及拦污栅防腐

闸门及拦污栅均为轻度锈蚀，但考虑到隧洞供水的重要性和6～10年才进行一次停水检修的特殊情况，决定对所有闸门拦污栅进行防腐。施工工艺采用喷锌防腐，包括表面预处理（喷砂除锈）、金属热喷涂（选用锌丝）、涂料保护（涂层封闭）等三道工序，要求所有施工材料均为环保产品，不对水源构成污染。

5 结语

第九水厂引水隧洞此次停水检修情况经检修专家组现场踏勘和分析论证，认定隧洞总体安全，经局部维修处理后可以正常供水。

水工金属结构检测与处理作为此次检修的一项重要内容，项目多、时间紧、任务重，经各方共同努力，终于圆满完成了各项任务，同时也积累了不少宝贵经验。在实施过程中，采用了不少先进成熟的检测方法与施工工艺，以高效、环保、耐久为目标开展工作，切实保障了隧洞的工程安全、水质安全和供水安全。❋