毛家村水库放空底孔金属结构设备检测与评估研究

再丽娜，耿红磊，胡木生，方超群，王 颖

（1.水利部综合事业局，北京100053；2.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南郑州450044）

1 概述

毛家村水库（云南省以礼河一级水电站）是世界第二，亚洲第一大土坝，位于云南省会泽县城南9.5 km，金沙江右岸一级支流以礼河干流之上，水库总库容 5.53×108m3，有效库容 4.72×108m3，是以礼河梯级电站调节流量的龙头水库。毛家村水库放空底孔位于大坝右岸，属放空水库和水位在2 215.00 m高程以下时兼作电站旁通放水之用的建筑之一。洞内顺水流方向前后装设2扇同型号的平面滑动闸门，前者为事故闸门，后者为工作闸门，分别由同型号的2台液压启闭机进行操作。毛家村水库大坝放空底孔工程于1965年10月开始施工，1970年工程全部结束投入运行。[1]

毛家村水库大坝放空底孔闸门的主要功能是：放空水库；溢洪道闸门安装前，用于水库泄洪；引水道关闭时，水库水位又低于溢洪道底坎时，向下游供水。可以看出，放空底孔闸门对水库大坝安全运行仍具有重要意义。

2015年第四轮水电站大坝安全定期检查专家组提出，需对毛家村水库放空底孔金属结构进行全面的安全检测与评价，综合评估毛家村水库大坝放空底孔闸门的安全可靠性，提出除险加固处理意见，确保闸门的安全运行，并形成专题报告。目前，毛家村水库放空底孔闸门存在的主要问题有：

1）建设时间较早，设计、制造及安装均有一定局限性。

2）建成后未进行过动水启闭运行。因此，设备性能未进行过验证，尤其高水头平板闸门运行中的补气、振动情况不确定。

3）设备锈蚀、老化严重，存在安全隐患。

4）设备档案资料有缺失，难以对设备全面了解。

2 检测及评估过程及成果

2.1 放空底孔金属结构设备检测

针对毛家村水库放空底孔金属结构设备存在的主要问题，采用先进的检测技术手段，对金属结构暴露的薄弱部位以及关键设备、关键部位，如：底孔闸门的门体、进/出口段、前/后夹板及顶盖、启闭机及通气管阀等金属结构进行检测。检测包含巡视检查、闸门外观形态检测、启闭机性能状态检测、腐蚀检测、材料检测、无损探伤检测、启闭机考核（带闸门的考核试验）和应力检测，以及利用水下机器人，摸清闸门门槽的状况及门前淤积的情况[3]。上述检测内容，依据制定的检测工作大纲有序开展检测，现将此次检测中采用先进检测手段进行阐述。

2.1.1 水下机器人探查

由于闸门自挡水后一直没有启闭运行的见证材料，闸门前淤积情况及闸门的前部结构状况未知，故此次检测中采用水下机器人进行事故闸门门前水下部位的探查。水下探查受现场条件的限制和廊道长度的制约，闸门所处位置水深约30 m，门前廊道长度约60 m。

此次采用的SEAMOR公司生产的STEEL⁃HEAD ROV水下机器人。该型号的水下机器人具有便捷、轻便和操作系统稳定等特点，且其耐压深度为300 m，满足此次水下探查的需求。STEELHEAD ROV采用标准的NTSC/PAL信号摄像头，可以完成水下门槽及底槛的外观检测，并将视频资料全部保存。这是遥控水下机器人首次应用于长廊道后的钢闸门设备检测中，创新了检测技术手段[4]。

2.1.2 美国FLUKE红外热像仪

由于放空底孔闸门服役超过50年，其启闭设备老化严重，在此次设备检测过程中采用FLUKE红外热像仪对压启闭机的电气元件和液压元件温度进行实时监测，及时发现运行过程中的异常状况，确保液压启闭机运行安全。此次采用的FLUKE红外热像仪能够进行非接触式的、高分辨率的温度成像，生成高质量的图像，可提供测量目标的众多信息，弥补了人类肉眼的不足，其图像捕捉频率为60 Hz，满足实时监测的要求。

2.1.3 5060型数字式液压PQT检测仪

由于放空底孔闸门服役超过50年，且自挡水后一直没有启闭运行的见证材料，因此此次液压启闭机考核过程中对液压启闭机的系统压力和闸门前水压力进行实时监控。采用德国HYDRO⁃TECHDIK公司生产的5060式PQT测试仪，可以实现压力等参数的数字显示、时间曲线、XY曲线等实时或离线数据与曲线，压力曲线图见图1。

图1 放空底孔检修闸门液压启闭机考核有杆腔压力变化图

2.2 放空底孔闸门安全复核计算

闸门的安全复核计算路线为：在INVENTOR中建立闸门三维模型→将模型导入WORK⁃BENCH→在WORKBENCH中对闸门进行静力学有限元分析→结果后处理→基于计算结果评价该闸门的安全，并依据现行设计标准NB 35055-2015《水电工程钢闸门设计规范》对闸门启闭力进行复核计算。

2.2.1 闸门计算模型

在INVENTOR中建立了闸门三维模型，由于闸门采用厚钢板制造，多数钢板宽厚比小于10，故采用实体单元对闸门进行网格划分，厚度方向划分2～3层单元，选取六面体单元将闸门模型划分为115 450个单元，656 162个节点。在WORK⁃BENCH环境下，模型总体坐标系X轴正向为垂直水流向，Z轴正向为水流向，Y轴正向竖直向上，X轴、Y轴、Z轴符合笛卡尔坐标系右手螺旋法则。不同部件之间进行绑定接触设置，采用多点接触算法。在WORKBENCH中进行前处理、计算和后处理。

2.2.2 计算结果后处理

对闸门腐蚀后的结构强度与刚度安全复核计算，通过对工作闸门现场腐蚀检测，综合考虑了面板、导流板、下横梁翼板等构件的实测厚度平均值与蚀坑深度及蚀坑分布点的情况。图2中(a)(b)(c)分别为闸门考虑腐蚀后在正常挡水工况下整体结构的等效应力云图、总变形云图和最大剪应力云图。

2.2.3 闸门启闭力计算复核

依据NB 35055-2015，闭门力计算公式为：

式中：FW为闭门力；G为闸门自重；nt为摩擦阻力安全系数；nG为闸门自重修正系数；Pt为上托力；Tzd为铜止水摩阻力。

计算求得闭门力Fw=1.331 1×106N。

启门力计算公式为：

式中：Fq为启门力；Ps为下吸力。

计算求得启门力Fq=7.894×105N。闸门闭门力为1.331 1×106N，启门力为7.894×105N，所选的启闭机为220 t/200 t，满足要求。

2.2.4 安全复核计算评价

图2 闸门整体结构计算结果（考虑腐蚀后）

基于以上有限元计算结果，并结合闸门设计时一般选取的应力控制点，选出此次分析的计算结果提取点（见图3），提取应力、变形等作为强度、刚度评价的依据。另外，选取了结构突变处的点、局部应力峰值点和变形较大点等作为计算结果提取点。

应力提取点点处的等效应力与变形量见表1。

经计算，考虑腐蚀后闸门结构的最大应力不超过70.3 MPa，强度满足规范要求；闸门的变形不超过1.4 mm，满足规范规定的最大挠度与计算跨度之比不大于1/750的要求；启闭机容量为220 t/200 t（启门力/闭门力），满足闸门启闭要求。

3 检测及评估结果

毛家村水库已服役50多年，针对国内外尚无对此类水工金属结构设备的设备检测及评估的先例，通过严密的组织、全面的检测评估，得出放空底孔金属结构设备检测及评估结果如下：

图3 提取点位置示意图

表1 关键点处应力与变形量

1）放空底孔事故门、工作门的布置合理、设备齐全；闸门结构设计可满足现行规范的强度、刚度要求；所选启闭机满足闸门的启闭要求。闸门的布置与设计可满足工程功能要求。

2）通过对放空底孔事故门、工作门的现场检测及复核计算表明：主要设备基本完整，功能基本满足运行要求。闸门及启闭机可满足继续挡水的要求，基本可满足紧急工况下的泄水要求。

4 结论

该项目采用多维度、全方位的检测及评估技术，创新了安全评估的技术手段，为大坝安全运行提供了依据，为国内同类工程提供了参考范例，为国内在建工程提供了借鉴。该项目对放空底孔闸门结构应力、启闭力、脉动压力等关键技术指标进行全面检测，组建了一个立体安全检测组织机构，具有多单位、联动响应、试验高效、全预警体系的组织特点，圆满完成了此处检测评估工作。