水电站潜没式弧形闸门结构应力测试与分析

朱晨，徐要伟，于淑敏

(华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450046)

0 引言

闸门是水工建筑物中活动的挡水结构，用于关闭、开启或局部开启过水孔口，以控制水位、调节流量、过运船只、排放泥沙等。因此，在水利工程兴利除害过程中，闸门是发挥关键作用的结构物，它的安全性和适用性，在很大程度上影响着整个水工建筑物的运行效果[1]。高水头水电站的表孔弧形闸门主要承受上游水载荷，应力测试过程中只需对应变计做简单防护，便可以达到较好的测试效果。而潜没式弧形闸门不仅承受上游水载荷，下游回水的载荷同时也对闸门结构产生影响，测试过程中，部分关键测点长期浸泡在水中，仅做简单的防护是不够的，需对应变计进行防护，以保证测试系统可获得准确的应力数据，从而评价闸门结构的安全性。

1 测试条件

1.1 闸门参数

某水电站由左岸河床式厂房、拦河闸坝和右岸连接坝等建筑物组成，装设6台灯泡贯流式水轮发电机组。拦河闸坝坝段有5孔泄洪孔，共设有5扇弧形闸门。孔口尺寸为13.0 m×16.0 m(宽×高)，底槛高程为528.0 m，正常蓄水位为554.0 m，设计水头为26.0 m，电站满发流量尾水位为538.1 m。闸门形式为主横梁、斜支臂、圆柱铰，面板曲率半径为26.0 m，主要材质为Q345B。闸门动水启闭，可局部开启。

1.2 测试系统

本次测试采用应变电测法，将电阻应变片粘贴在被测构件的测点处，使其随同构件变形，将构件测点处的应变转换为电阻应变计的电阻变化，便可确定测点处的应变，进而按胡克定律得到其应力[2]。测试系统由电阻应变计、应变适调器、动态应变仪及数据存储设备组成，如图1所示。电阻应变计采用BE120-4AA(11)型单向电阻应变计、BE120-4BB(11)型双向电阻应变计及BE120-2CA(11)型三向电阻应变花，应变适调器为DH3810N-1型，动态应变仪为DH5922N型动态信号测量系统，采用1/4桥接法进行测量，并设置温度补偿。

图1 测试系统Fig.1 Test System

1.3 测点布置

在对弧形闸门运行工况进行基本受力分析的基础上，结合现场测试经验，此次应力测试将测点布置于水工钢闸门的主梁、边梁、支臂、面板、吊耳等受力构件上[3]。#1弧形闸门结构静应力测试共布置32个测点，其中上主横梁6个、下主横梁6个、面板4个、边梁2个、吊耳板1个、支臂13个，如图2所示。

支臂测点布置(视向顺水流方向)：闸门右侧上、下支臂各布置6个测点(Y1-6—17)，成对布置在支臂翼板和腹板上，裤衩处部置1个测点(Y1-5)；每个测点布置1个单向应变计。主横梁测点布置：上、下主横梁跨中及支承部位各布置6个测点；上、下主横梁翼板各布置2个单向应变计(Y1-1—4)，上、下主横梁腹板各布置4个三向应变花(Y3-1—8)，测量主梁腹板3个方向的应变，通过计算可得到主应力σ1，σ2及夹角θ。面板测点布置：面板上、下主横梁跨中及支承部位共布置4个测点(Y2-1—4)；每个测点布置1个双向应变计，测量0°，90°方向的应变，其中0°为沿主横梁长度方向，90°为垂直主横梁腹板方向。边梁测点布置：侧边梁靠近上主梁处的腹板、翼板各布置1个单向应变计(Y1-18—19)。吊耳板测点布置：左侧吊耳板处布置1个三向应变花(Y3-9)。

图2 应力测试布点位置示意Fig.2 Location of stress test points

1.4 应变计防护

潜没式弧形闸门运行工况较特殊，在闸门关闭和小角度局部开启时，闸门部分结构淹没于下游回水中，部分测点位于水位以下，必须进行有效防护，确保应变计的稳定和采集数据的准确性。测试过程如下。

(1)记录测试的环境温度和湿度变化情况。

(2)在应变计试板上粘贴应变计。

(3)对试板上的应变计进行防护。在应变计和接线端子上覆盖防护涂层，防护涂层由溶剂A和溶剂B混合而成，具体配比根据现场测试的环境条件确定。涂层的厚度和面积根据应变计尺寸确定，试板上的涂层参数(厚度和面积)应和实际布点时保持一致。

(4)模拟现场环境，检验防护效果，检查接线端子是否短路或应变计是否进水。

(5)对试板加载，根据理论值和实测值的差异，确定防护处理后应变计的修正系数(如差异较大，应对实测数据进行修正)。

(6)通过以上步骤对防护方法进行验证后，采用验证的参数对实际测点进行防护。

2 测试过程与数据采集

为全面掌握弧形闸门工作状态的应力分布，考虑潜没式弧形闸门的特殊工况，此次测试以上游检修闸门挡水，下游弧形闸门开度为8.5 m时为初始状态，整个测试过程包含以下3个工况。

工况1：初始状态，上游水位554 m，上游检修闸门挡水，弧形闸门开度为8.5 m。此时闸门位于下游回水水位以上，只承受自重载荷，无其他载荷施加。测试系统平衡清零并进入采集状态。工况2：弧形闸门由初始状态关至0 m开度。此时下游回水载荷施加于门体。工况3：充水平压，上游检修闸门提起出水面。此时上游静水压力载荷全部施加于闸门门体，测试数据反映闸门最终状态应力分布情况，测试完毕。测试结果见表1。

表1 #1弧形闸门应力测试结果Tab.1 Stress test results of No.1 radial gate

表1中：双向片σx，σy分别对应测点0°方向和90°方向的应力值；三向片σ1，σ2分别为测点最大主应力和最小主应力；θ为最大主应力与应变计0°方向夹角；应力值“-”表示压应力。

3 数据分析

(1)#1弧形闸门最大静应力值为-95 MPa，分别位于测点Y1-6(右上支臂从面板向支铰方向，第1梁格内侧翼板上靠近腹板处)和测点Y1-9(右上支臂从面板向支铰方向，第6梁格腹板上靠近内侧翼板处)；面板最大应力点为测点Y2-3(下主梁上部左起第3纵梁与第4纵梁之间面板中心)，应力值为-80 MPa(σx，沿面板宽度方向)；主梁最大静应力点为测点Y3-5(下主梁左起第3梁格，主梁腹板靠近面板处)，应力值为-78 MPa；边梁最大静应力点为测点Y1-18(左侧边梁与上支臂相交处)，应力值为-92 MPa；吊耳最大静应力点为测点Y3-9(左侧吊耳板处)，应力值为-76 MPa。

(2)测试数据表明，弧形闸门的构件中支臂的工作应力相对较大，在运行中应重点关注。

(3)通过对比上、下支臂的应力数据可知，下支臂的应力值较上支臂的应力值小，主要原因是受下游回水施加的反向载荷作用，使其结构偏于安全。

(4)弧形闸门工作状态下，结构最大应力值为-95 MPa。按NB 35055—2015《水电工程钢闸门设计规范》的要求，该测点许用应力值为220 MPa[4]，实测值低于许用应力值，满足要求且安全裕度较大。

4 结论

测试过程中各测点数据稳定，无异常点，说明应变计的防护效果良好，满足特殊工况下的测试要求。各测点数据的变化趋势与弧形闸门荷载的变化趋势一致，说明测试系统稳定。对应测点的数据一致性较好，说明测试效果良好。通过应力测试，掌握了弧形闸门工作状态下的结构应力分布情况，与许用应力进行对比，评价弧形闸门结构强度安全。