铁甲水库弧形工作闸门安全评价

陆继鑫，沈长越，李晓林，徐 驰，朱笑然，钱世纲

(1.辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006；2.沈阳兴禹水利建设工程质量检测有限公司，辽宁 沈阳 110006)

水工金属结构通常包括闸门、启闭机及其他附属设施，其功能主要是拦截水流、控制流量、调节水位、排放漂浮物等，是水利工程安全可靠运行的重要组成部分[1- 6]。我国是世界上已建水利工程最多的国家，很多水利工程修建于20世纪50—70年代，由于当时资金、技术、施工工艺等因素的限制，建设质量参差不齐，特别是水工金属结构包括闸门、启闭机与控制设备，目前多数已陈旧老化，存有较大安全隐患，很大程度上威胁着下游人民的生命财产安全[7- 12]。

金属结构安全评价工作是对水库大坝中的金属结构设备进行安全评估的重要的工作，溢洪道的弧形工作闸门作为水库下泄通道的控制工程，定期对其开展安全评价，对保证水库大坝安全至关重要[13]。根据规范要求，闸门安全评价工作由现场安全检测工作及理论复核工作两部分组成[13]。2018年对铁甲水库进行安全评价工作，其中，弧形工作闸门安全评价为C级，大坝鉴定为三类坝。

1 工程背景

铁甲水库位于丹东市振兴区汤池镇万宝村，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电、养鱼等综合利用的一座大(2)型水利枢纽工程，水库校核洪水标准2000年一遇，校核洪水位93.59m，相应库容2.56亿m3；设计洪水标准为200年一遇，设计洪水位92.23m；正常高水位89.10m，死水位75.10m[14]。

溢洪道为正堰陡坡式，堰顶高程为86.60m，溢洪道宽56m，净宽52m，最大泄量为1537m3/s，堰上设置10.4m×5.2m(宽×高)弧形钢闸门5扇，采用双吊点前拉式弧门卷扬机启闭，启闭机额定容量为2×100kN，动水启闭，调节流量。

铁甲水库自1964年竣工投入使用，至今已运行50余年。虽然在2011年10月进行溢洪道改建工程中，对弧形工作闸门进行除锈、喷镀锌及涂料封闭等防腐措施。但该闸门已超过规范规定的30年报废折旧年限，需要进行安全检测对闸门现状进行数据采集及安全复核计算[15]。弧形闸门迎水侧及背水侧现状图如图1—2所示。

图1 溢洪道弧形闸门迎水侧

图2 溢洪道弧形闸门迎水侧

2 弧形闸门安全检测

2.1 外观普查

外观普查是对检查对象最直观直接的检测手段。铁甲水库溢洪道共设5扇弧形钢闸门，通过外观普查，闸门的外观整体良好，面板、横梁、支臂等金属构件无变形、扭曲等现象，闸门的面板和上主梁腹板部分区域有锈蚀，迎水面面板底部锈蚀较为严重。闸门腐蚀现状如图3—4所示。

图3 溢洪道弧形闸门迎水侧

图4 溢洪道弧形闸门迎水侧底部

2.2 涂层厚度及蚀余厚度检测及分析

铁甲水库溢洪道的5扇弧形工作闸门均为1964年出厂，运行至今已50余年，运行年限过长，同时根据规范要求，有必要对闸门钢构件的涂层厚度及蚀余厚度进行检测，检测得到的数据能够为后续理论复核计算提供实测依据。对溢洪道5扇闸门均进行实际检测，抽样检测率为100%，符合规范要求。闸门各钢构件的涂层厚度检测结果见表1，5扇闸门钢构件的蚀余厚度检测统计结果见表2。

表1 溢洪道闸门钢构件涂层厚度检测结果表 单位：μm

溢洪道共设5扇弧形工作闸门，以上数据均为分别对5扇闸门进行数据采集后整理而成。闸门外观整体良好，无变形、扭曲，弧形闸门面板、上主梁腹板部分区域有锈蚀，迎水面面板底部锈蚀较为严重。闸门结构表面防腐蚀涂层平均厚度为202μm，面板蚀余厚度平均值为7.27mm，主梁结构蚀余厚度平均值约为15.45mm，支臂20号槽钢翼缘和腹板的蚀余厚度平均值分别约为6.59mm和10.46mm。

3 弧形工作闸门安全复核计算

3.1 基本资料

本闸门为焊接钢结构表孔弧形工作闸门，采用双主梁斜支臂圆柱铰，梁系结构采用叠层布置，启闭设备采用前拉式弧门卷扬启闭机，容量为2×100kN。操作要求为动水启闭，调节流量。该闸门设计水位为91.55m，底坎高程86.60m，设计水头为4.95m，考虑超高因素，闸门高度取值为5.2m。复核计算时以静水压力为主要荷载作为计算的依据。闸门支铰中心距闸门底坎垂直距离4.95m，支铰中心高程为91.55m，面板曲率半径为6.0m。

闸门门叶部分主要材料为CT3，支臂部分主要材料为CT3。该闸门已运行50余年，根据规范的有关规定，使用年限修正系数K取0.9[15]。

表2 溢洪道5扇闸门钢构件蚀余厚度检测统计结果表

闸门材料CT3，原苏联钢材代号，中国材料取为Q235A(尺寸分组为第1组)，允许抗拉(压)应力为[σ]=160×0.9×0.95=136.8MPa，抗剪应力为[τ]=95×0.9×0.95=81.2MPa，允许变形[f]=[L/600]=10.03mm。

3.2 面板复核计算

面板厚度按下式计算：

(1)

式中，Ky—弹塑性薄板支承长边中点弯应力系数；q—面板计算区格中心的水压力强度，MPa；α—弹塑性调整系数，b/a>3时，α=1.4；b/a≤3时，α=1.5；a、b—面板计算区格的短边和长边长度，mm；[σ]—钢材的抗弯容许应力，[σ]=136.8MPa[16]

根据闸门的主次梁框格布置，将面板分为上(1#及2#)、中(3#及4#)、下(5#)三段，共5块区格，每块面板厚度计算结果见表3。

表3 闸门面板厚度计算结果表

根据以上计算结果，并考虑一定的防锈蚀余度，面板厚度取为δ=10mm。实测面板蚀余厚度最大值为7.84mm，最小值6.70mm，平均值为7.27mm，均不满足强度条件。

3.3 主框架单位刚度比复核

根据闸门主框架锈蚀的检测成果，主梁前、后翼缘和腹板蚀余厚度最小值为分别为15.35、15.12、15.03mm，支臂结构中，20a槽钢翼缘和腹板的蚀余厚度最小值分别为为10.08mm和6.12mm。因此，弧形钢闸门复核计算以主梁前后翼缘和腹板厚度取15mm；支臂结构中20a槽钢翼缘取10mm，腹板厚度取6mm。主梁和支臂的断面尺寸如图5—6所示。

图5 主梁断面尺寸图

图6 支臂断面尺寸图

经计算主横梁的惯性矩Ix=84385.5cm4，支臂的惯性矩Ihx=4287.6cm4。主框架尺寸如图7所示。

表4 主框架计算荷载表

表5 主梁及支臂强度、刚度计算结果表

图7 主框架尺寸图

其中主框架基本尺寸有计算跨度b=6020mm，a=1875mm，c=2190mm，h=5456mm，夹角α=tan-1(a/h)=18.97°，经计算支臂长度h′=h/cosα=5769mm。主框架单位刚度比计算公式为[16]：

(2)

经计算K0=18.9，根据规范规定，斜支臂弧形闸门的主框架刚度比K0=3～7。支臂可能存在强度不足，需进一步复核。

3.4 主框架的强度及稳定复核

以主横梁及斜支臂组成的主框架，在水压力+最大启闭力Q=100kN组合叠加作用下的瞬时状态为最危险工况。此状态下计算荷载结果列于表4。

分别对主梁及支臂的强度，刚度进行复核计算，计算结果见表5。

根据上述结果可以得到：

(1)σL，σ1，σ2均小于材料允许抗拉(压)应力[σ]=136.8MPa，τ小于材料允许抗剪应力[τ]=81.2MPa，但数值非常接近，主梁的悬臂端挠度及跨中挠度均小于允许挠度[f]=10.03mm。

(2) 支臂强度小于[σ]=136.8MPa，强度满足要求，但在弯矩作用平面内和弯矩作用平面外稳定应力均大于允许抗拉(压)应力[σ]=136.8MPa计算均不满足要求。

4 结语

(1) 弧形钢闸门面板经计算，需要厚度为10mm，面板蚀余厚度经检测最大值为7.84mm，已不满足强度要求，闸门面板应更换。

(2) 主梁强度、刚度、整体稳定性满足要求，但抗剪强度储备不足。

(3) 支臂强度满足要求，在弯矩作用平面内和弯矩作用平面外稳定性计算均不满足要求，承受设计水头支臂将发生失稳，支臂必须更换。

根据以上，整扇闸门因腐蚀、强度、刚度等条件需要更换的构件数达到30%以上，且工作年限超过规范规定的30年报废折旧年限，所以该闸门已满足报废条件，建议更换整扇闸门。