跨流域不间断输水工程的闸门应力检测方法优化

摘 要：南水北调工程某控制闸的工作闸门运行多年，受结构变形、损伤、锈蚀等因素影响，闸门运行的可靠性降低。对闸门进行安全检测，特别是应力检测，是了解其安全性能的有效手段。针对跨流域不间断输水闸门应力检测工况很难接近设计工况的现状，在检测工况下利用ANSYS有限元法对弧门进行加载受力分析，对比模拟计算成果及实测结果，验证有限元模型的计算可靠性，进而通过ANSYS有限元法分析设计工况下的结构受力状况，全面校核闸门安全性能。

关键词：闸门;应力检测;有限元法;电测法;安全性能

中图分类号：TV663.4 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）32-0057-05

Optimization of Gate Stress Detection Method for Cross-basin Uninterrupted Water Delivery Project

WANG Jiang

（Shanghai Investigation， Design & Research Institute Co.，Ltd.， Shanghai 200434）

Abstract： The working gate of a control gate of the South-to-North Water Diversion Project has been in operation for many years， affected by structural deformation， damage， rust and other factors， the reliability of the gate operation is reduced， and the safety inspection of the gate， especially the stress inspection， is an effective means to understand its safety state. Aiming at the current situation that the stress detection condition of the continuous water delivery gate across the river basin is difficult to approach the design condition， this paper uses ANSYS finite element method to analyze the loading force of the radial gate under the detection condition， and compares the simulation calculation results and the actual measurement results to verify the calculation reliability of the finite element model， then uses ANSYS finite element method to analyze the structural force status under design conditions and comprehensively check the safety performance of the gate.

Keywords： gate;stress detection;finite element method;electrical measurement method;safety performance

由于天然降水时空分布不均衡，不同地区水资源差异较大。随着社会经济的发展，跨流域调水工程规模不断增大，技术日趋成熟。我国大型的跨流域调水工程包括南水北调、引黄济青、引滦入津、引黄入晋及红旗渠等。国外著名的工程有澳大利亚的东水西调、美国西部的北水南调等[1]。水工钢闸门广泛应用于跨流域调水工程，是控制工程引水流量的关键水利设备。闸门安全稳定运行对渠道流态控制和上下游渠道结构安全起到了至关重要的作用[2]。根据《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》（SL 101—2014）[3]，对闸门进行应力检测是了解闸门安全性态的有效手段。目前，对闸门进行应力测试及有限元仿真分析已有大量的研究[4-7]，为闸门安全稳定运行提供了宝贵经验，而对于跨流域不间断输水工程闸门应力检测工况很难接近设计工况的检测及分析较少，寻找合适的优化替代解决方案有待深入研究。本文以南水北调工程某控制闸为例，根据实际检测工况进行电测法和有限元法对比分析，并利用模型推算設计工况下的闸门受力状况，校核闸门整体安全性，有效解决了运行安全与检测工况需求矛盾的现状，为今后类似工程提供了参考。

1 概况

南水北调工程某控制闸工作闸门孔口尺寸为7.0 m×8.0 m（宽×高），闸门主要构件材料为Q345B钢，弧门面板曲率半径为11.0 m，闸门启闭水头为7.679 m，闸门结构如图1所示，闸门启闭设备为QHLY2×320 kN-4.412 m液压启闭机。

2 电测法

电测法通过固定在被测结构上的应变片获取电信号。为采集较好的测试信号，电测法采用硅橡胶进行密封处理，以保证绝缘度良好。检测数据利用屏蔽导线传递至检测系统。

2.1 测点布置

闸门结构静应力检测根据弧形工作闸门的受力特点布设采集点，应力采集点主要分布于闸门的横梁、支臂、面板及纵梁等部位。本次共设置22个采集点，单向采集点18个，三向采集点4个，共30个数据。应力采集点位如图2所示。

2.2 检测工况

闸门上下游水头为6.91 m，闸门完全开启且处于锁定状态时，各参数清零。在闸门完全落底后，采集相对静应力值，完成三次静应力数据采集。

2.3 静应力检测结果

2.3.1 检测数据处理。根据单向应力状态的胡克定律，可得测点应力与应变的关系为：

三向测点应力与应变的关系为：

式中：σ、σ为分别为x、y方向的应力（x、y方向分别与ε、ε方向一致）;τ为与x轴夹角45°方向的应力;E为钢材的弹性模量，取2.06×10 MPa;μ为钢材的泊松比，取0.30;ε、ε、ε分别为三向测点的应变。

三向测点的折算应力σ按式（5）计算。

2.3.2 电测法检测结果。静应力检测进行3次，各检测数据相差不超过10%，取3次测量最大值作为弧形闸门静应力的最终检测结果。测点1至测点9的实测最大相对应力值分别为25.75 MPa、-16.78 MPa、22.96 MPa、-26.36 MPa、4.68 MPa、-22.03 MPa、-17.17 MPa、-18.38 MPa和14.83 MPa（单向测点应力正值为拉，负值为压，下同），测点10数据丢失，测点11至测点18的实测最大相对应力值分别为-17.82 MPa、-7.74 MPa、-21.12 MPa、-16.78 MPa、-1.74 MPa、-13.00 MPa、-18.23 MPa和-13.79 MPa。另外：测点19、20、21的三向测点数据丢失;测点22、23、24的三向测点折算应力为17.8 MPa;测点25、26、27的三向测点折算应力为22.8 MPa;测点28、29、30的三向测点折算应力为19.6 MPa。

3 有限元法

3.1 计算模型及参数

3.1.1 模型建立及导入。水工闸门为典型的空间薄壁结构体系，由板、壳、梁、杆等构件组合而成[8]。分析弧形闸门的整体结构分布及受力特点，将其面板、横梁、纵梁、边梁、支臂、竖杆离散为板单元，支铰简化为块体单元。依据提供的闸门图纸及现场测试数据，在Pro/E软件中建立三维模型。Pro/E模型以step格式导入ANSYS软件，如图3所示。

3.1.2 单元体选择。采用三维实体有限元模型对闸门进行仿真分析，使用solid45单元体，优点是模型细节体现较好。通过网格剖分，共划分成56 612个单元。

3.1.3 结构尺寸及材料特性。结构尺寸按设计图纸及锈蚀后实测数据取用。鉴于工作闸门运行状况，折减系数取0.95。对于Q345B碳素钢，其许用应力为213.75 MPa（厚度≤40 mm）;对于Q235碳素钢，其许用应力为152 MPa（厚度≤16 mm）、142.5 MPa（厚度介于16～40 mm）;对于ZG310-570支铰材料，其许用应力为128.25 MPa（厚度≤100 mm）。弹性模量、泊松比按照小节2.3.1数值取用。

3.1.4 约束处理。闸门底梁受到底槛铅垂向上的竖向约束，支臂的支铰受铰约束。具体约束施加位置如图4所示。

3.1.5 荷载确定和施加。闸门应力校核时主要考虑水压力及闸门自重，模拟分析时加载水头为6.92 m。具体载荷加载方式如图5所示。

3.2 结构应力计算结果

限于篇幅，此处仅给出面板、主梁、纵梁、支臂及支铰的应力分布云图，主要构件当量应力分布如图6至图8所示。面板当量应力极大值为23.8 MPa，分布于面板与小横梁之间的纵梁连接处。主横梁包括前、后翼缘及腹板，腹板主要受弯应力及剪应力作用，后翼缘主要受弯应力作用，上、下主横梁当量应力极大值分别为87.3 MPa、85.2 MPa。纵梁腹板当量应力极大值为157.5 MPa，边梁前翼缘板当量应力极大值为69.8 MPa。上、下支臂当量应力极大值为78.6 MPa，支铰当量应力极大值为34.5 MPa。

4 检测方法及结果分析

4.1 电测法和有限元法

电测法是根据闸门的结构形式、受力特点，在闸门主要受力构件应力相对较大的部位布置测点进行实际水位下的结构应力检测。对于跨流域不间断输水工程，闸门调度难度大，检测水头受季节性水位需求影响，应力检测工况选择余地小，更是难以接近设计工况。因而，受检测方法及检测条件的约束，结构静应力检测只能了解特定水位下闸门主要构件测点表面处的应力状况，而不能对闸门设计工况下构件的整体应力分布状况进行全面测量。对于这种跨流域不间断输水工程，仅仅采用电测法检测数据无法对闸门整体进行安全评估。

有限元法能够全面了解闸门的受力情况，检测成果更为直观、清晰。但有限元法受网格划分、边界条件、约束条件及加载方式的影响，计算结果会存在一定误差，因此需要对计算模型进行校核及对比验证，检查模型的优劣。有限元法计算结果和电测法检测结果进行相互比较与验证分析，能够佐证有限元模型的优劣，进而提高任意水头下闸门应力推算的可靠性。

4.2 电测法与有限元法成果对比

应力测试时，闸门处于完全开启和锁定状态，各参数清零，但有限元计算的数值为该闸门在检测工况下的绝对应力。为了消除两项结果的相对差，在有限元计算中将模型工况设置为锁定状态，标定为零点，并记录零点状态下的应力值，换算出检测工况下静应力计算值。

根据测试水位下闸门结构有限元计算所得到的结构应力等值线云图，可得到对应实测点位置的应力值，并将该测点的计算应力值与实测应力值进行比较。这里对三向应力（测点编号见图2）的实测应力值和有限元计算应力计算值进行比较分析。由图9可知，实测值与计算值存在1.4%～8.9%的误差，表明电测法及有限元法是闸门应力检测的有效方法，且有限元模型在结构尺寸选取、边界设置、网格剖分及加载设置等方面设置合理，说明利用该模型进行设计工况下的应力推算具有较高的可靠度。

5 设计工况下闸门静应力校核

运用ANSYS有限元软件对设计水头7.679 m下的弧形闸门进行静应力分析，应力当量云图如图10至图12所示，设计水头下工作闸门应力统计结果如表1所示。根据云图及统计结果可知，弧形工作主要结构部位的仿真应力均小于规范对强度的许用应力要求，结构整体安全。

6 结语

钢闸门是输水调度的重要结构。对长期服役、频繁调度、锈蚀明显、异常卡阻的闸门来说，进行安全检测特别是应力校核，是了解其服役状态的有效手段。针对跨流域不间断调水工程应力测试时水位调度难度大，现场检测工况无法达到设计或校核工况的闸门，对比检测工况下电测法及有限元法的相应成果，并利用模型推算任意工况下闸门受力状况，校核閘门整体安全性能，是评判闸门整体安全的有效手段。应力检测中进行电测法与有限元法成果比较分析时，为消除两项结果的相对差，结构尺寸需要按设计图纸及锈蚀后实测数据取用，在相同状态下对闸门进行零点标定。

参考文献：

[1]姜昀，史常艳.中国跨流域调水工程规划环境管理对策建议[J].世界环境，2018（5）：58-61.

[2]麦麦提明·依比布拉.存在变形缺陷的某平面闸门静力特性仿真分析[J].水利科技与经济，2020（2）：70-75.

[3]水利部.水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程：SL 101—2014[S].北京：中国水利水电出版社，2014.

[4]王江.水工钢闸门应力复核评判方法研究[J].水利技术监督，2020（5）：184-188.

[5]赵瑞文，童一飞，谭清锰.基于应力应变实验的有限元分析结果验证[J].机械设计与制造工程，2018（5）：9-13.

[6]郭建斌，王江.基于ANSYS钢闸门吊耳框架应力集中安全分析[J].中国农村水利水电，2014（5）：101-104.

[7]胡强，王娇，朱振寰.基于检测数据的弧形钢闸门支臂可靠度分析[J].江西水利科技，2021（2）：101-104.

[8]王学亮，杜蔚琼，李东明，等.弧形钢闸门有限元分析及结构优化[J].水利规划与设计，2020（7）：70-74.