恰甫其海电站中孔泄洪闸门应力检测及分析

(新疆伊犁河流域开发建设管理局， 新疆 伊犁 830000)

恰甫其海电站中孔泄洪闸门应力检测及分析

段立辉

(新疆伊犁河流域开发建设管理局， 新疆 伊犁 830000)

闸门应力检测是水工钢闸门及启闭机安全检测项目中的重要内容。通过对恰甫其海水电站中孔泄洪闸门现场应力检测,得出闸门各构件在静态和动态时应力变化曲线。通过分析各受力点应力变化情况，从而综合评价闸门的安全性能指标。

恰甫其海电站； 安全检测； 应力检测； 应力分析

1 工程概述

恰甫其海电站是一座以灌溉为主，兼有发电、防洪等综合效益的不完全多年调节水库。电站于2001年4月开始动工兴建，2002年10月截流，2005年8月开始发电；厂房内装4台混流式水轮发电机组，单机额定容量80MW，电站装机容量为320MW；电站大坝采用黏土心墙坝，坝后式厂房。泄洪系统由中孔泄洪洞、深孔排沙放空洞和表孔溢洪洞组成，3个孔的工作闸门均为弧形闸门。其中中孔泄洪工作闸门尺寸为5.5m×6.0m，设计水头48m，采用弧形闸门单吊点启闭；弧形闸门曲率半径为11.0m，支铰中心距底槛8.4m。闸门可局部开启运行，由一台2000/1000kN的液压启闭机操作，该工程规模为大(1)型Ⅰ等工程。

2 闸门启闭机安全检测

按照SL 101—94《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》的规定，为全面检查水工钢闸门及启闭机的运行状态，保障水利枢纽工程安全运行，闸门和启闭机安装完毕蓄水运行，闸门承受水头达到或接近设计水头时，应进行第一次安全检测。如达不到设计水头，则应在运行6年以内，进行第一次安全检测。恰甫其海电站水工钢闸门及启闭机从2004年底投入使用以来已安全运行6年，达到水工钢闸门和启闭机的首次安全检测年限。具体闸门和启闭机安全检测项目有：巡视检查、外观检测、材料检测、无损探伤、应力检测、闸门启闭力检测、启闭机考核、水质和底质分析；其中应力检测项目是通过应变计安装在钢闸门各构件受力位置，来检测钢闸门各构件应力变化情况，为闸门整体性能和运行现状提供重要依据。

3 应力检测方法

3.1 检测原理

应力检测方法采用DH3819无线静态应变采集器和KFW-5-120-D17-11L5M3S电阻应变计结合，该系统为全智能化的巡回数据采集系统。每台采集器内置智能锂电池组、ZigBee无线通讯模块、传感器电源、放大器、A/D转换器、控制电路等。通过无线通讯控制器进行数据接收，每个数据采集器可测量8个测点，每台计算机可控制32个模块(256个测点)。模块间通讯距离最远可达500m，模块自己寻找最佳的通讯路径进行组网，每个模块为一个路由点，通过路由通讯的接力可进行更换距离的测量，最大限度保护测试人员的人身安全。无需外接电源和通讯线，计算机就可通过无线通讯控制器完成自动平衡、采样控制、自动修正、数据存储、数据处理和分析，生成打印试验报告。可自动、准确、可靠、快速测量大型钢结构、模型及材料应力试验中多点的静态应变应力值。配接适当的电阻应变计，从而可测出闸门各受力构件的应力变化情况。同时在每个采集器上均设有1个温度补偿测点，确保测量过程中因温度变化而引起的虚假应变，保证整个测试过程中数据的可靠性和准确性。见图1。

图1 应力检测系统图框

3.2 应变计布置

根据泄洪闸门结构和受力情况，此次检测共设置32个工作测点，分布在闸门主要受力构件上，测量主要构件的应力变化情况；应变计的布置要全面反映闸门各受力构件应力变化情况，依据设计规范要求，将此测点分别布置在主梁、边梁、面板及支臂上，以弯矩或剪力最大的点作为该构件的检测控制截面，按照截面的受力特性确定贴片的具体位置和应变计的安装方向；并且在主梁控制截面的腹板与翼板的结合部位布片以便测定最大测弯应力。同时考虑到结构及荷载的对称性，测点都集中在中轴线一测上。具体如下：

a.纵梁翼缘。分别计算拉应力最大部分粘贴应变片，粘贴方向与纵梁轴向一致，其中上节门叶纵梁翼缘上粘贴3片应变计；中节门叶纵梁翼缘上粘贴6片应变计。

b.横梁翼缘。分别计算拉应力最大部分粘贴应变片，粘贴方向与横梁轴向一致，中节门叶横梁翼缘上粘贴2片应变计。

c.吊耳两侧。在吊耳孔正下方沿起吊方向粘贴应变片，粘贴方向与吊杆轴向一致，共4片应变计。

d.面板。计算拉应力最大部位粘贴二向应变片，粘贴两个方向与主梁轴向一致或垂直，共2片二联应变化。

e.支臂。在上、下两个支臂腹板中部上粘贴应变片，粘贴方向与支臂轴向一致；上、下两个支臂共9片应变计。

f.节点板。在上、下两个节点板中部上粘贴二向应变片，粘贴方向与支臂轴向一致或垂直；上、下两个节点板2片二联应变计。

具体应变计布置如图2、图3所示：

图2 门体上应变计布置情况

图3 上支臂上应变计布置

3.3 应变计粘贴

3.3.1 应变片的筛选

应变片贴片前，将待用的应变计进行外观检查和电阻值测量。外观检查可凭肉眼或借助放大镜进行，目的在于观察敏感栅有无锈斑、缺陷，是否排列整齐，基底和盖层有无损坏，引线是否完好。阻值测量可用4位电桥或万用表，目的在于检查敏感栅是否有断路、短路，并进行阻值分选，对于共用温度补偿的一组应变计，阻值相差不得超过±0.5。同一次测量的应变计，灵敏系数必须相同。

3.3.2 构件表面处理

贴片之前对于钢闸门等金属构件，首先用磨光机清除被测表面防腐层、氧化层、镀锌层和污垢，并用细砂布磨光。打磨光洁度应达▽5左右。打磨完毕后，用划针轻轻划出贴片的准确位置。再用洁净棉纱或脱脂棉球蘸丙酮或其他挥发性溶剂对贴片部位进行反复擦洗，直至棉球上见不到污垢为止。

3.3.3 贴片

贴片工艺随所用粘结剂不同而异，胶贴片的过程是，待清洗剂挥发后，先在贴片位置滴一点胶水，用应变计背面将胶水涂匀，然后用镊子调整应变计位置。定位后在应变计上垫一层聚乙烯薄膜，用手指轻轻挤压出多余的胶水和气泡，待胶水初步固化后即可松开。粘贴好的应变计应保证位置准确、粘结牢固、胶层均匀、无气泡和整洁干净。

3.3.4 导线焊接与固定

粘结剂初步固化后，即可进行焊线。焊点应确保无虚焊、假焊现象。导线最好与试件固定牢固，防止试件运行时使应变计受力，导线两端应根据测点位置编号作好标记。

3.3.5 粘贴质量检查

贴片质量检查包括外观检查、电阻和绝缘电阻测量。外观检查主要观察贴片方位是否正确，应变计有无损伤，粘贴是否牢固和有无气泡等。测量电阻值可以检查有无断路、短路。绝缘电阻是最重要的受检指标。

3.4 应力测试过程线

当应变计粘贴完成，与DH3819无线静态应变采集器连接和固定好，记录好每个应变计在闸门上粘贴位置和在无线静态应变采集器上的相应通道，打开采集器电源开关。作业人员撒离到安全位置，通过无线通讯控制器进行数据接收，检测构件各测试点的应力变化过程线见图4～图7。

图4 2号点纵梁翼缘竖向应力测点过程线

图5 10号点横梁翼缘横向应力测点过程线

图6 16号点面板竖向应力测点过程线

图7 20号点支臂腹板水流方向应力测点过程线

3.5 应力测试数据表

闸门工作应力测试数据表

续表

4 闸门应力分析

根据以上应力检测数据结果，当泄洪闸门经历由全关挡水到启闭运动状态的变化，闸门主梁、边梁、面板及支臂各构件上受力情况也发生变化，应力计测试结果应力亦随之变化。

4.1 闸门上节门叶应力检测

纵梁翼缘竖向应力监测点1号、2号、7号从负的应力值变到无应力(最大变幅值-14.82～0MPa)，原因是当闸门全关时受顶水封与门楣的挤压，闸门开启后顶水封与门楣之间挤压自然消除，因此纵梁翼缘竖向应力监测点数据从负应力值逐渐消除，检测数据符合纵梁翼缘受力情况。吊耳两侧竖向应力监测点3号、4号、5号、6号从负应力值变到正应力值(最大变幅值-9.74～21.60MPa)，原因是当闸门全关时吊耳两侧受到液压杆向下推力影响，竖向应力为-9.74 MPa，当闸门从开启时吊耳两侧反之受到液压杆向上拉力的影响，竖向应力值为21.60MPa；总之闸门在不同工况下运行，闸门吊耳板两侧测点受到液压杆的推力和拉力的作用，测点监测数据也随之从负应力值到正应力值，符合闸门吊耳板设计时受力情况。

4.2 闸门中节门应力检测

纵梁、横梁应力监测点8号、9号、10号、11号、12号、13号、14号，竖向和横向应力从无应力到正应力值(最大变幅值0～51.03MPa)，原因是当闸门全关挡水状态时，闸门上游面板上受到的水压力，全部作用于闸门下游的支臂，纵梁、横梁未受其他外力作用，此时竖向应力值为0；当闸门开启泄水时纵梁、横梁同时受到液压杆向上拉力、水流方向向下推力及闸门自重的影响，此时纵梁、横梁应力监测点数据为正应力值，最大应力检测点为51.03MPa。纵边梁翼缘应力监测点32号竖向应力从负的应力值变到正应力值(最大变幅值-2.12～24.77MPa)，原因是当闸门全关状态时受侧水封、侧向滑块与门槽的摩擦挤压，监测点竖向应力监测值为负；当闸门开启泄水时纵边梁翼缘受到液压杆拉力作用，监测点竖向应力监测值为正。

4.3 闸门面板应力检测

横向应力监测点15号、17号，横向应力从负应力值到无应力过程(最大变幅值-14.40～0MPa)，当闸门全关时面板将承受水压力作用，此时面板上应力检测值为负；当闸门开启泄水时面板上横向水压逐渐消失，横向应力检测值为无。面板竖向应力监测点16号、18号，竖向应力从负应力值到正应力值过程(最大变幅值-19.69～50.61MPa)，当闸门全关时面板将承受水压力作用，此时面板上竖向应力检测值为负；当闸门开启泄水时面板将承受水流方向推力(向下)和液压杆的拉(向上)作用，面板上竖向应力检测值为正。

4.4 闸门支臂应力检测

闸门上、下支臂水流方向应力监测点19号、20号、21号、22号、27号、28号、29号、30号、31号，从负的应力值到无应力(最大变幅值-81.95～0MPa)。原因是支臂是用来将主梁所承受的水压力传给支铰，主梁将承受的水压力全部作用在闸门上、下支臂，此时上、下支臂水流方向监测点应力为负值，最大值为-81.95MPa；当闸门开启泄水时面板同时受到液压杆向上拉力和水流向下推力，此时闸门上、下臂水流方向上应力自然消除。

随着闸门由全关至开启，即从静态工况到动态工况的变化，闸门各受力机构受力随之改变，各机构内应力也随之改变。从以上应力监测变化趋势得出结论，闸门同一受力面或对称点上应力变化趋势基本相同，各测点监测的应力变化数据均在闸门设计应力变化范围内，可以判断恰甫其海中孔泄洪工作闸门整体性能良好。

5 结 语

水电站水工钢闸门应力检测是闸门启闭机安全检测项目中的重要内容，通过闸门应力检测数据分析，可以判断闸门各受力构件在静态和运动两种状态下，各受力构件中应力变化趋势；根据闸门各受力构件应力变化，能够分析闸门整体性能和运行状况，从而综合评价闸门的安全性能指标。

[1] SL 101—94水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程[S].

[2] 恰甫其海闸门和启闭机安全检测报告[R].

[3] 杨华舒，王洪.西洱河二级大坝泄洪闸门应力检测分析[J].水力发电，2003，(29)3.

[4] 徐宏文.应力分析[J].科学出版社，2010.

StressMeasurementandAnalysisoftheMid-levelOutletFloodDischargingGateinQiafuqihaiHydropowerStation

Duan Li-hui

(Xinjiang Ili River Basin Development and Construction Management Bureau, Ili 830000, China)

The gate stress detection is an important content in steel gate and hoist safety testing items in water conservancy project. The stress changing curves of components of gates are gained in the static and dynamic condition with the on-site stress testing of mid-level outlet flood discharging gates in Qiafuqihai Hydropower Station. The safety performance indexes are evaluated comprehensively by analyzing stress changes at different force bearing points.

Qiafuqihai Hydropower Station; safety detection; stress detection; stress analysis

TV663

B

1005-4774(2014)11-0065-05