白山深孔弧形钢闸门安全性检测与分析

马建军，袁 伟，王绪建，刘 浩

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 工程概况

白山水电站座落在吉林省桦甸市红石镇白山社区，距吉林市约250 km，是一座以发电为主，兼有防洪、养殖等综合效益的大型水电工程。

白山水电站枢纽布置主要由拦河坝、河床坝段泄洪建筑物、一期全地下厂房、二期引水隧洞及地面厂房、开关站等建筑物组成。泄洪建筑物为4个堰顶溢流孔（高孔）和3个深泄水孔（深孔），孔口尺寸分别为12 m×13 m（宽×高）、6 m×7 m（宽×高），高孔、深孔相间布置。白山水电站已投入运行30多年，由于工程管理单位的精心维护和保养，金属结构设备一直运行正常，未发生重大安全事故。为掌握水工金属结构设备的运行性态，确保工程运行安全，结合大坝安全定期检查，对水工金属结构的安全状况进行评价，为主管部门决策提供科学依据。

2 检测内容和方法

根据规范的相关规定，结合白山水电站金属结构实际运行情况，对钢闸门和启闭机着重进行了以下检测和分析：

1）闸门外观检测。外观检测以目测为主，配合使用量测工具，对闸门的外观形态和锈蚀状况进行检查。主要是检查闸门整体及主要构件的折断、损伤和局部明显变形情况。

2）闸门锈蚀量检测。根据闸门主要构件的锈蚀程度和锈蚀部位，锈蚀量检测分别采用数字超声波测厚仪、改制的游标卡尺和涂层厚度测定仪等量测仪器和工具进行。

3）闸门焊缝超声波探伤。采用EPOCH2300型超声波探伤仪进行，距离—波幅曲线利用CSK-ⅢA试块实测。

4）闸门材料检测。检测可以确定结构材料的机械性能和化学成分，鉴别材料牌号。

5）启闭机检测。主要是对启闭机的现状、运行状况和电气参数进行检测。通过检测，发现启闭机运行中存在的问题，提出有效改进措施，确保启闭机的安全运行。

6）闸门启闭力检测与计算分析。启闭力检测主要采用动态信号测试系统，检测状态应尽可能接近设计状态，若无法做到，则应根据实测结果进行分析计算，最终获得设计水位下闸门的启闭力。

3 检测结果

3.1 深孔弧门检测范围的确定

在闸门检测过程中需要对闸门整体状况、支铰装置状况、主要构件状况、支臂与主纵梁之间连接状况、闸门底止水装置状况、面板和主要构件以及埋件锈蚀状况进行检测分析。

3.2 深孔弧门锈蚀量检测结果

对15号坝段深孔工作闸门进行锈蚀量检测，共获得检测数据114个（每个检测数据均为3个以上测点数据的平均值）。检测结果见表1。

3.3 深孔弧门焊缝超声波探伤检测结果

根据闸门受力状况和焊缝类别，选定闸门主纵梁、横梁、面板、支臂和吊耳板为探伤构件。接受超声波探伤的焊缝为：主纵梁后翼缘板对接焊缝、主纵梁腹板与后翼缘板T形连接焊缝、主纵梁腹板与面板T形连接焊缝、主纵梁后翼缘板与横梁后翼缘板连接焊缝、横梁腹板与主纵（边）梁腹板T形连接焊缝、横梁腹板与翼缘板T形连接焊缝、面板对接焊缝、支臂翼缘板对接焊缝、支臂腹板与翼缘板T形连接焊缝、支臂翼缘板与联接板T形连接焊缝、支臂腹板与联接板T形连接焊缝、吊耳板与联接板T形连接焊缝等。焊缝探伤比例为：一类焊缝约70%，二类焊缝约50%。

表1 闸门主要构件锈蚀量和锈蚀速率的平均值

焊缝超声波探伤结果表明：

1）闸门主纵梁腹板与面板T形连接焊缝、主纵梁腹板与横梁腹板T形连接焊缝局部存在未焊透制造缺陷，但未焊透深度未超过GB/T14173规范规定的要求，允许存在。其余所有受检焊缝均未发现有超标缺陷存在。

2）闸门所有受检焊缝均未发现裂纹缺陷。

3.4 深孔弧门材料检测结果

为减小材料检测对闸门结构的影响，根据现场取样条件，材料化学成分分析试样取自闸门的横梁后翼缘和纵梁后翼缘，见表2。

表2 化学成分测试结果

闸门材料抗拉强度检测是对闸门主要构件进行多个部位进行检测，每个构件材料抗拉强度值取多个测点的平均值，见表3，4。

表3 闸门主要构件抗拉强度测试结果

通过上述测试结果得出：

表4 碳素结构钢和低合金结构钢化学成分及抗拉强度

1）闸门材料的化学成分与低合金结构钢Q345相符合。

2）闸门材料的抗拉强度与低合金结构钢Q345相符合。

3）根据材料化学成分及抗拉强度的检测结果综合分析，闸门材料为低合金结构钢Q345，与设计图纸相符。

3.5 深孔弧门强度、刚度验算分析

根据该闸门结构形式和受力特点，采用有限元ANSYS软件对弧形闸门进行有限元分析，为更真实反应运行状况的真实情况，将闸门面板、主横梁、主纵梁、小纵梁、小横梁、支臂、底小梁划分为20节点四面体（SOLID186）单元。通过solidworks建立闸门的三维模型，将三维模型导入ANSYS建立闸门结构有限元分析模型，计算模型的节点总数为1 482 430个，单元总数为290 100个。

3.5.1 荷载情况

闸门计算荷载主要考虑作用于闸门的静水压力和闸门自重。计算工况为设计工况，闸门的作用水头为70 m。具体加载方式见图1。

3.5.2 边界计算

坐标系定义为：Z轴沿水流方向，Y轴沿重力方向，X轴沿主横梁轴向。

边界约束施加，如图2。

1）面板底部支承在地面上，施加Y方向固定约束；

2）闸门支铰绕支铰轴旋转，支铰轴允许绕X轴自由转动，其它自由度约束。

图1 荷载情况

图2 边界约束

3.5.3 计算结果

模型计算结果见图3-7所示。

图3 闸门整体应力云图

图4 闸门面板应力云图

图5 闸门面板变形云图

图6 闸门支臂变形云图

图7 支臂应力云图

3.5.4 结果分析

1）门叶面板、中节门叶隔板、后翼缘、中节门叶横梁结构、底小梁大部分区域等效应力值均小于材料Q345(16Mn)钢的容许折算应力值，满足设计的要求；

2）边节门叶主纵梁腹板与支臂连接处、横梁后翼与主纵梁后翼相交处出现较大应力集中，建议采取加固措施减小应力值；

3）中节门叶隔板与横梁后翼相交处小范围内应力值偏高，其值大约在300 MPa，超出容许折算应力，且接近于材料的屈服极限，建议对超标部位进行补强加固。

4 结语

闸门整体状况完好，主要构件未见损伤变形；闸门涂层基本完整，但闸门主要构件局部区域老锈坑密集，锈蚀严重；闸门支臂与主纵梁之间连接完好，未见异常；闸门主要构件焊缝超声波探伤未发现超标和裂纹缺陷；闸门吊耳装置零部件齐全，连接牢靠；闸门支铰运转正常；闸门止水装置完好，闸门不漏水。闸门复核计算结果表明，闸门主要构件的强度和刚度基本满足规范要求，局部连接部位出现极小范围应力集中，导致应力超标，从设计角度看并不影响正常使用。

根据闸门复核计算结果和检测成果进行综合分析，深孔工作闸门可继续使用，建议局部补强加固满足安全运行要求。