趙偉明,譚 軍,申志高,薛世福
(湖南省水利水電科學研究院,湖南 長沙 410007)
中國水利工程大多建于20世紀50~70年代,弧形閘門等金屬結構裝備超過300萬t。弧形閘門作為擋水建筑物,與大壩的運行安全密切相關,尤其是超期運行多年的在役弧形閘門,對水庫大壩的安全評級影響較大。多年來的安全評價大多僅以超過固定資產折舊年限而確定報廢,與實際情況并不相符,并且存在一定浪費。
因此,本文以水府廟水庫大壩弧形閘門金屬結構的安全評價為例,研究超期多年的弧形閘門對水庫大壩案例評級的影響。
水府廟水庫位于湘江一級支流漣水中游,雙峰縣、湘鄉(xiāng)市、婁星區(qū)三地交界處。1958年9月動工修建水庫,1959年9月大壩建成,1960年7月水庫蓄水。壩址以上控制流域面積3 160 km2,占漣水流域面積的44%,水庫總庫容5.26億m3,正常蓄水位94.00 m,是一座以灌溉為主,兼顧發(fā)電、防洪、航運、供水等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程,屬Ⅱ等工程,其主要建筑物為2級,次要建筑物為3級,設計洪水標準為100 a一遇,校核洪水標準為1 000 a一遇。
水府廟水庫大壩為漿砌石重力壩,壩頂軸線全長242.05 m,其中溢流壩段長141.75 m,溢流段設置了15扇8 m×5.2 m(寬×高)的鋼質弧形泄洪閘門,底坎高程88.80 m,閘墩厚1.50 m,采用15 t索纜式啟閉機操作,操作方式為全開全關的動水啟閉。弧形閘門先后于2013年和2017年進行了大修,加固了部分桿件,目前可以正常運行。弧形泄洪閘門嚴格按照《閘門啟閉機運行維護規(guī)程》做好維護保養(yǎng)工作。
對溢流壩15扇工作閘門及其啟閉機進行了巡視檢查、外觀檢查,詳見圖1~3,并根據現(xiàn)場情況隨機抽取1,3,4,5,10號工作閘門進行了腐蝕等檢測與無損探傷[1-3],具體情況如下。
(1) 溢流壩15扇工作閘門外觀形態(tài)基本完好,門體無明顯變形和扭曲情況,面板和其余受力結構焊縫外觀基本完整,支臂無明顯變形和缺件現(xiàn)象,止水裝置正常。1~15號閘門主橫梁及支臂部分防腐面漆完整,面板(迎水側)面漆均有局部脫落現(xiàn)象,脫落處表面輕微銹蝕,閘門埋件(兩側軌道)表面輕度磨損、表面銹蝕[4-5]。被檢受力結構腐蝕程度根據SL 101-2014《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規(guī)程》均評定為A級、被檢二類焊縫內部質量滿足標準要求。閘門主要構件腐蝕量、涂層厚度檢測結果分別見表1~2。
圖1 閘槽及閘板部位出現(xiàn)銹蝕Fig.1 Corrosion appears on the gate groove and gate parts
圖2 閘門面板防腐涂層脫落Fig.2 Anti-corrosion coating of the gate panel comes off
圖3 閘門軌道埋件銹蝕Fig.3 Corrosion of embedded parts of gate track
(2) 閘室、閘墩等未見明顯裂縫、滲水、沖刷、氣蝕現(xiàn)象,閘墩上游側均存在輕微麻面現(xiàn)象,15孔溢流道底局部均存在沖刷、鈣質離析現(xiàn)象。
表1 1,3,4,5,10號工作閘門腐蝕量檢測結果
表2 1,3,4,5,10號工作閘門涂層厚度檢測結果
(3) 對1~15號工作閘門進行啟閉操作,閘門啟閉過程一切正常,無卡阻、噪音,且啟閉過程中啟閉機溫度正常,兩吊點同步。經外觀檢查,啟閉機整體情況正常,但存在以下問題:① 機架、制動器、減速器、鋼絲繩等部件外觀均有輕微老化、磨損及腐蝕;② 鋼絲繩表面缺乏機油防腐;③ 傳動齒輪也無防腐、潤滑措施。
水府廟水庫為山丘區(qū)水庫,屬Ⅱ等工程,其主要建筑物為2級,次要建筑物為3級,本次復核其設計標準為100 a一遇(1%),校核標準為1 000 a一遇(0.1%),下游消能防沖工程設計洪水為50 a一遇洪水。溢流堰設計最大過流能力6 550 m3/s,比水庫設計洪水位(95.72 m)時的最大下泄流量4 350 m3/s大34%;比水庫校核洪水位(97.11 m)時的最大下泄流量5 810 m3/s大11%。因此,水府廟水庫溢流堰在渲泄設計和校核洪水最大下泄流量時,不會危及泄洪建筑物本身及水庫大壩的安全。
水府廟水庫大壩為漿砌石重力壩,根據現(xiàn)場檢查結果及歷年運行情況,未發(fā)現(xiàn)滲流異?,F(xiàn)象,但壩體滲透系數(shù)偏大,且溢流壩下游壩面有滲水現(xiàn)象。
溢流壩段設15孔8 m×5.2 m(寬×高)弧形鋼閘門,閘墩長15 m,厚1.5 m,牛腿附近扇形受拉鋼筋配8Φ30 mm?;⌒伍l門支座結構驗算采用SL 191-2008《水工混凝土結構設計規(guī)范》中有關公式及規(guī)定進行。
(1) 閘墩裂縫控制驗算。弧門支座附近閘墩局部受拉區(qū)裂縫控制需滿足下列要求。Ⅰ閘墩受兩側弧門支座推力作用時:
Fs≤0.7ftkbB
(1)
Ⅱ閘墩受一側弧門支座推力作用時:
(2)
上式中:Fs為由荷載標準值計算的閘墩一側弧門支座推力值,支座推力值556 kN(其中水推力509 kN,浮力47 kN);b為弧門支座寬度,b=1.1 m;B為閘墩厚度,B=1.5 m;e0為弧門支座推力對閘墩厚度中心線的偏心距,e0=1.4 m;ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值,ftk=1.78 MPa。
閘墩受兩側弧門支座推力作用時,其受力為
F=0.7×1.78×103kPa×1.1 m×1.5 m
=2056 kN
閘墩受一側弧門支座推力作用時,其受力為:
由上述計算可知,兩種工作狀態(tài)下均有Fs≤F,說明牛腿設計寬度滿足抗裂要求。
(2) 閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋面積驗算。Ⅰ閘墩受兩側弧門支座推力作用時:
(3)
Ⅱ閘墩受一側弧門支座推力作用時:
(4)
閘墩受兩側弧門支座推力作用時:
閘墩受一側弧門支座推力作用時:
由上述計算可知,兩種工作狀態(tài)下均有Fs≤F,因此,閘墩受拉區(qū)射向配筋均滿足受力要求。
根據弧形閘門現(xiàn)場檢查結果,閘門現(xiàn)場示意詳見圖4,水府廟水庫大壩弧形鋼閘門未發(fā)現(xiàn)明顯變形,啟閉機能正常使用,閘門能正常開啟,但部分閘槽及閘板出現(xiàn)銹蝕;止水膠條有一定老化現(xiàn)象,導致閘門擋水不密實。
圖4 弧形閘門現(xiàn)場Fig.4 Site map of the arc gate
3.4.1 基本參數(shù)
孔口形式:露頂式;孔口寬度:8.0 m;底檻高程:88.80 m;正常高水位(設計洪水位):94.00 m;設計水頭:5.20 m;閘門高度:5.20 m;孔口數(shù)量:15孔;操作條件:動水啟閉;吊點間距:7.60 m;啟閉機:前拉式固定卷揚機。
3.4.2 基本結構布置
水府廟水庫大壩弧形閘門采用支臂雙主橫梁式焊接結構?;¢T半徑R=7.0 m,支鉸高度H2=5.527 m。支鉸采用圓柱鉸,側水封為“L”型橡皮水封,底水封為“刀”型橡皮水封。在閘門底主梁靠近邊梁的位置設置兩個吊耳,與啟閉機吊具通過吊軸相連接,采用2×150 kN固定式卷揚機操作。
閘門的門葉結構材料采用Q235(A3),支鉸材料為鑄鋼ZG310-570,材料容許應力如下(應力調整系數(shù)0.95)。
Q235:許用應力[σ]=165 MPa,許用擠壓應力[σp]=240 MPa;剪切應力[τ]=115 MPa。ZG310-570:[σ]=140 MPa,[τ]=105 MPa。
3.4.3 荷載計算
閘門在關閉位置的靜水壓力,由水平水壓力和垂直水壓力組成,荷載計算簡圖詳見圖5,計算公式及總水壓力P如下:
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
上式中:Ps為上游水平分力,kN;Vs為上游垂直分力,kN;Px為下游水平分力,kN;Vx為下游垂直分力,kN;Hs為上游水頭,m;Hx為下游水頭,m;R為弧形面板曲率半徑,m;B為孔口寬度,m;h為閘門高度,m;γ為水的容重,10 kN/m3;β為總水壓力作用方向與水平方向的夾角。
圖5 弧形閘門荷載計算示意Fig.5 Diagram of load calculation for radial gate
作用在閘門上的總水壓力詳見表3。
表3 作用在閘門上的總水壓力計算
正常運行時,總水壓力P=1 085.62 kN,總水壓力作用方向計算公式如下:
tanβ=Vs/Ps=93.375/1 081.6=0.086
因此,計算可得,β=4.91°。
3.4.4 結構計算
3.4.4.1 面板
面板厚度按下列公式[2]初選:
(10)
式中:kY為彈塑性薄板支承長邊中點彎曲應力系數(shù);α為彈塑性調整系數(shù)(b/a>3時,α=1.4;b/a≤3時,α=1.5);q為面板計算區(qū)格中心的壓力強度,N/mm2;a,b分別為面板計算區(qū)格的短邊和長邊長度,mm,從面板與主(次)梁的連接焊縫算起;[σ]表示材料Q235的許用應力,取165 MPa。
大中型工程的工作閘門容許應力應乘以0.90~0.95的調整系數(shù),本次水府廟水庫弧形閘門容許應力的調整系數(shù)取0.95;又根據《水利水電工程金屬結構報廢標準》規(guī)定,對在役閘門進行結構強度驗算時,容許應力還應再乘以0.90~0.95的使用年限修正系數(shù),對達到或超過折舊年限的閘門取0.90,水府廟水庫弧形閘門已在役40余年,因此,修正系數(shù)綜合取0.95×0.90=0.85。面板厚度復核計算結果詳見表4。
表4 面板厚度復核計算
分析可知,由于長期使用,面板強度降低且出現(xiàn)一定銹蝕;經測定,銹蝕厚度約1 mm,故實際厚度變?yōu)? mm。根據復核計算結果,面板最小厚度余量δ=9.1 mm,滿足要求。
3.4.4.2 主框架結構
弧形閘門主框架結構的計算[6]示意(圖6)應能反映實際結構的主要受力和變形性能,又能使計算簡便。對弧門空間桿件結構的平面簡化,采用水工結構有限元分析系統(tǒng)Autobank計算。
圖6 弧形閘門主框架結構計算示意(單位:mm)Fig.6 Calculation diagram of the main frame structure of the radial gate
強度計算條件:σmax≤[σ],計算構件的軸力詳見圖7,應力計算結果詳見表5。分析可知,應力計算結果均小于許用值,說明各桿件應力滿足要求。
圖7 弧形閘門計算構件軸力示意(單位:kN)Fig.7 Axial force diagram of the calculated components of the radial gate
表5 應力計算結果
以上應力計算結果均小于許用值,說明各桿件應力滿足要求。
雖然水府廟水庫弧形閘門金屬結構已超過報廢折舊年限,但弧形閘門及其啟閉機運行狀況、現(xiàn)狀基本正常,啟閉機選型滿足設計啟閉要求,受檢閘門面板局部輕微銹蝕,埋件輕度磨損、銹蝕,被檢二類焊縫內部質量滿足規(guī)范要求,安全檢測結果為“基本安全”。計算閘墩受拉區(qū)射向配筋滿足受力要求,閘墩牛腿設計寬度滿足抗裂要求;復核計算弧門面板、主橫梁的強度、剛度、穩(wěn)定性及閘門啟閉力等,工作門的面板最大折算應力、主梁最大計算拉(壓)應力、主梁最大計算撓度均在允許范圍內;閘門的啟閉力、持住力均小于啟閉機額定容量,能實現(xiàn)正常啟閉閘門,閘門閉門力為負值,無需加重可實現(xiàn)正常閉門。
綜上,水府廟水庫大壩弧形閘門運行和維護狀況良好,未達到SL 226-98《水利水電工程金屬結構報廢標準》規(guī)定的報廢條件,未嚴重影響工程正常運行,因此,水府廟水庫大壩泄洪閘金屬結構基本安全。