水府庙水库弧形闸门金属结构安全性态分析

2022-11-23 01:59赵伟明申志高薛世福
水利水电快报 2022年8期
关键词:启闭机弧形闸门

赵伟明,谭 军,申志高,薛世福

(湖南省水利水电科学研究院,湖南 长沙 410007)

0 引 言

中国水利工程大多建于20世纪50~70年代,弧形闸门等金属结构装备超过300万t。弧形闸门作为挡水建筑物,与大坝的运行安全密切相关,尤其是超期运行多年的在役弧形闸门,对水库大坝的安全评级影响较大。多年来的安全评价大多仅以超过固定资产折旧年限而确定报废,与实际情况并不相符,并且存在一定浪费。

因此,本文以水府庙水库大坝弧形闸门金属结构的安全评价为例,研究超期多年的弧形闸门对水库大坝案例评级的影响。

1 工程概况

水府庙水库位于湘江一级支流涟水中游,双峰县、湘乡市、娄星区三地交界处。1958年9月动工修建水库,1959年9月大坝建成,1960年7月水库蓄水。坝址以上控制流域面积3 160 km2,占涟水流域面积的44%,水库总库容5.26亿m3,正常蓄水位94.00 m,是一座以灌溉为主,兼顾发电、防洪、航运、供水等综合利用的大(2)型水利枢纽工程,属Ⅱ等工程,其主要建筑物为2级,次要建筑物为3级,设计洪水标准为100 a一遇,校核洪水标准为1 000 a一遇。

水府庙水库大坝为浆砌石重力坝,坝顶轴线全长242.05 m,其中溢流坝段长141.75 m,溢流段设置了15扇8 m×5.2 m(宽×高)的钢质弧形泄洪闸门,底坎高程88.80 m,闸墩厚1.50 m,采用15 t索缆式启闭机操作,操作方式为全开全关的动水启闭。弧形闸门先后于2013年和2017年进行了大修,加固了部分杆件,目前可以正常运行。弧形泄洪闸门严格按照《闸门启闭机运行维护规程》做好维护保养工作。

2 弧形闸门现状及存在的主要问题

对溢流坝15扇工作闸门及其启闭机进行了巡视检查、外观检查,详见图1~3,并根据现场情况随机抽取1,3,4,5,10号工作闸门进行了腐蚀等检测与无损探伤[1-3],具体情况如下。

(1) 溢流坝15扇工作闸门外观形态基本完好,门体无明显变形和扭曲情况,面板和其余受力结构焊缝外观基本完整,支臂无明显变形和缺件现象,止水装置正常。1~15号闸门主横梁及支臂部分防腐面漆完整,面板(迎水侧)面漆均有局部脱落现象,脱落处表面轻微锈蚀,闸门埋件(两侧轨道)表面轻度磨损、表面锈蚀[4-5]。被检受力结构腐蚀程度根据SL 101-2014《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》均评定为A级、被检二类焊缝内部质量满足标准要求。闸门主要构件腐蚀量、涂层厚度检测结果分别见表1~2。

图1 闸槽及闸板部位出现锈蚀Fig.1 Corrosion appears on the gate groove and gate parts

图2 闸门面板防腐涂层脱落Fig.2 Anti-corrosion coating of the gate panel comes off

图3 闸门轨道埋件锈蚀Fig.3 Corrosion of embedded parts of gate track

(2) 闸室、闸墩等未见明显裂缝、渗水、冲刷、气蚀现象,闸墩上游侧均存在轻微麻面现象,15孔溢流道底局部均存在冲刷、钙质离析现象。

表1 1,3,4,5,10号工作闸门腐蚀量检测结果

表2 1,3,4,5,10号工作闸门涂层厚度检测结果

(3) 对1~15号工作闸门进行启闭操作,闸门启闭过程一切正常,无卡阻、噪音,且启闭过程中启闭机温度正常,两吊点同步。经外观检查,启闭机整体情况正常,但存在以下问题:① 机架、制动器、减速器、钢丝绳等部件外观均有轻微老化、磨损及腐蚀;② 钢丝绳表面缺乏机油防腐;③ 传动齿轮也无防腐、润滑措施。

3 泄洪闸安全评价

3.1 抗洪能力评价

水府庙水库为山丘区水库,属Ⅱ等工程,其主要建筑物为2级,次要建筑物为3级,本次复核其设计标准为100 a一遇(1%),校核标准为1 000 a一遇(0.1%),下游消能防冲工程设计洪水为50 a一遇洪水。溢流堰设计最大过流能力6 550 m3/s,比水库设计洪水位(95.72 m)时的最大下泄流量4 350 m3/s大34%;比水库校核洪水位(97.11 m)时的最大下泄流量5 810 m3/s大11%。因此,水府庙水库溢流堰在渲泄设计和校核洪水最大下泄流量时,不会危及泄洪建筑物本身及水库大坝的安全。

3.2 渗流安全评价

水府庙水库大坝为浆砌石重力坝,根据现场检查结果及历年运行情况,未发现渗流异常现象,但坝体渗透系数偏大,且溢流坝下游坝面有渗水现象。

3.3 结构安全评价

溢流坝段设15孔8 m×5.2 m(宽×高)弧形钢闸门,闸墩长15 m,厚1.5 m,牛腿附近扇形受拉钢筋配8Φ30 mm。弧形闸门支座结构验算采用SL 191-2008《水工混凝土结构设计规范》中有关公式及规定进行。

(1) 闸墩裂缝控制验算。弧门支座附近闸墩局部受拉区裂缝控制需满足下列要求。Ⅰ闸墩受两侧弧门支座推力作用时:

Fs≤0.7ftkbB

(1)

Ⅱ闸墩受一侧弧门支座推力作用时:

(2)

上式中:Fs为由荷载标准值计算的闸墩一侧弧门支座推力值,支座推力值556 kN(其中水推力509 kN,浮力47 kN);b为弧门支座宽度,b=1.1 m;B为闸墩厚度,B=1.5 m;e0为弧门支座推力对闸墩厚度中心线的偏心距,e0=1.4 m;ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值,ftk=1.78 MPa。

闸墩受两侧弧门支座推力作用时,其受力为

F=0.7×1.78×103kPa×1.1 m×1.5 m

=2056 kN

闸墩受一侧弧门支座推力作用时,其受力为:

由上述计算可知,两种工作状态下均有Fs≤F,说明牛腿设计宽度满足抗裂要求。

(2) 闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋面积验算。Ⅰ闸墩受两侧弧门支座推力作用时:

(3)

Ⅱ闸墩受一侧弧门支座推力作用时:

(4)

闸墩受两侧弧门支座推力作用时:

闸墩受一侧弧门支座推力作用时:

由上述计算可知,两种工作状态下均有Fs≤F,因此,闸墩受拉区射向配筋均满足受力要求。

3.4 金属结构安全评价

根据弧形闸门现场检查结果,闸门现场示意详见图4,水府庙水库大坝弧形钢闸门未发现明显变形,启闭机能正常使用,闸门能正常开启,但部分闸槽及闸板出现锈蚀;止水胶条有一定老化现象,导致闸门挡水不密实。

图4 弧形闸门现场Fig.4 Site map of the arc gate

3.4.1 基本参数

孔口形式:露顶式;孔口宽度:8.0 m;底槛高程:88.80 m;正常高水位(设计洪水位):94.00 m;设计水头:5.20 m;闸门高度:5.20 m;孔口数量:15孔;操作条件:动水启闭;吊点间距:7.60 m;启闭机:前拉式固定卷扬机。

3.4.2 基本结构布置

水府庙水库大坝弧形闸门采用支臂双主横梁式焊接结构。弧门半径R=7.0 m,支铰高度H2=5.527 m。支铰采用圆柱铰,侧水封为“L”型橡皮水封,底水封为“刀”型橡皮水封。在闸门底主梁靠近边梁的位置设置两个吊耳,与启闭机吊具通过吊轴相连接,采用2×150 kN固定式卷扬机操作。

闸门的门叶结构材料采用Q235(A3),支铰材料为铸钢ZG310-570,材料容许应力如下(应力调整系数0.95)。

Q235:许用应力[σ]=165 MPa,许用挤压应力[σp]=240 MPa;剪切应力[τ]=115 MPa。ZG310-570:[σ]=140 MPa,[τ]=105 MPa。

3.4.3 荷载计算

闸门在关闭位置的静水压力,由水平水压力和垂直水压力组成,荷载计算简图详见图5,计算公式及总水压力P如下:

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

上式中:Ps为上游水平分力,kN;Vs为上游垂直分力,kN;Px为下游水平分力,kN;Vx为下游垂直分力,kN;Hs为上游水头,m;Hx为下游水头,m;R为弧形面板曲率半径,m;B为孔口宽度,m;h为闸门高度,m;γ为水的容重,10 kN/m3;β为总水压力作用方向与水平方向的夹角。

图5 弧形闸门荷载计算示意Fig.5 Diagram of load calculation for radial gate

作用在闸门上的总水压力详见表3。

表3 作用在闸门上的总水压力计算

正常运行时,总水压力P=1 085.62 kN,总水压力作用方向计算公式如下:

tanβ=Vs/Ps=93.375/1 081.6=0.086

因此,计算可得,β=4.91°。

3.4.4 结构计算

3.4.4.1 面板

面板厚度按下列公式[2]初选:

(10)

式中:kY为弹塑性薄板支承长边中点弯曲应力系数;α为弹塑性调整系数(b/a>3时,α=1.4;b/a≤3时,α=1.5);q为面板计算区格中心的压力强度,N/mm2;a,b分别为面板计算区格的短边和长边长度,mm,从面板与主(次)梁的连接焊缝算起;[σ]表示材料Q235的许用应力,取165 MPa。

大中型工程的工作闸门容许应力应乘以0.90~0.95的调整系数,本次水府庙水库弧形闸门容许应力的调整系数取0.95;又根据《水利水电工程金属结构报废标准》规定,对在役闸门进行结构强度验算时,容许应力还应再乘以0.90~0.95的使用年限修正系数,对达到或超过折旧年限的闸门取0.90,水府庙水库弧形闸门已在役40余年,因此,修正系数综合取0.95×0.90=0.85。面板厚度复核计算结果详见表4。

表4 面板厚度复核计算

分析可知,由于长期使用,面板强度降低且出现一定锈蚀;经测定,锈蚀厚度约1 mm,故实际厚度变为9 mm。根据复核计算结果,面板最小厚度余量δ=9.1 mm,满足要求。

3.4.4.2 主框架结构

弧形闸门主框架结构的计算[6]示意(图6)应能反映实际结构的主要受力和变形性能,又能使计算简便。对弧门空间杆件结构的平面简化,采用水工结构有限元分析系统Autobank计算。

图6 弧形闸门主框架结构计算示意(单位:mm)Fig.6 Calculation diagram of the main frame structure of the radial gate

强度计算条件:σmax≤[σ],计算构件的轴力详见图7,应力计算结果详见表5。分析可知,应力计算结果均小于许用值,说明各杆件应力满足要求。

图7 弧形闸门计算构件轴力示意(单位:kN)Fig.7 Axial force diagram of the calculated components of the radial gate

表5 应力计算结果

以上应力计算结果均小于许用值,说明各杆件应力满足要求。

4 结 论

虽然水府庙水库弧形闸门金属结构已超过报废折旧年限,但弧形闸门及其启闭机运行状况、现状基本正常,启闭机选型满足设计启闭要求,受检闸门面板局部轻微锈蚀,埋件轻度磨损、锈蚀,被检二类焊缝内部质量满足规范要求,安全检测结果为“基本安全”。计算闸墩受拉区射向配筋满足受力要求,闸墩牛腿设计宽度满足抗裂要求;复核计算弧门面板、主横梁的强度、刚度、稳定性及闸门启闭力等,工作门的面板最大折算应力、主梁最大计算拉(压)应力、主梁最大计算挠度均在允许范围内;闸门的启闭力、持住力均小于启闭机额定容量,能实现正常启闭闸门,闸门闭门力为负值,无需加重可实现正常闭门。

综上,水府庙水库大坝弧形闸门运行和维护状况良好,未达到SL 226-98《水利水电工程金属结构报废标准》规定的报废条件,未严重影响工程正常运行,因此,水府庙水库大坝泄洪闸金属结构基本安全。

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