赵山渡水电站主槽区弧形泄洪闸门的安全复核

潘巍伟，张晓武

（浙江珊溪水利水电开发股份有限公司，浙江 温州325300）

0 引言

赵山渡水电站是飞云江干流中游河段珊溪水利枢纽工程的重要组成部分，水库总库容3414万m3，主要建筑物由泄洪闸、河床式电站厂房、左岸及右岸混凝土重力坝、输水总干渠进水闸等组成。泄洪闸与发电厂房采用空箱隔墩相连接，桩号0+000～闸右0+009为5m，空箱式隔墩宽9.5m，长49.13m，150号钢筋混凝土浇筑。底板厚3.0～2.0m，两侧200号钢筋混凝土边墩厚1.2m。上游部位设2道200号钢筋混凝土挡水墙，墙顶高程25.5m。主槽区泄洪闸堰顶高程8.5m，闸室段长36.5m。除16号孔左侧闸墩厚2.6m外，其余闸墩厚1.8m。闸底板厚度7.5～4.5m，溢流面板厚度1.0m，设弧形钢闸门，闸门尺寸（宽×高）12m×14m，配液压式启闭机2×1000kN。上游护坦长5.1m，厚0.5m，顶高程7.5～4.0m。消力池长40.0m，消力池底板高程3.5m，池深3.0m，底板厚2.0m。下游护坦长20.0m，护坦顶高程6.5m，护坦厚度0.8m。下游海漫长68.0m，海漫顶高程6.5m，海漫厚度0.8m。防冲槽长23.0m，底高程1.0m。

1 问题提出

赵山渡水利枢纽工程是2002年7月通过单位工程验收，至今已经运行超过17年。泄洪闸是工程的主要金属结构，关系到防洪安全和发电效益。泄洪闸若存在问题，防洪安全直接受到严重影响。同时在丰水期，要降低水位运行，发电效益也明显降低。经过运行人员的长期观测记录，主槽区（10～16号孔）泄洪闸的问题较多，必须作全面的检测、复核和评估，找出问题，以便提出整改和修复措施，进行下一步的工作。

2 主要技术条件

主槽区泄洪闸闸门运行已有17年，根据SL226-1998《水利水电工程金属结构报废标准》，本次主槽区泄洪闸检测、评估和鉴定使用年限修正系数K取用0.92，应力调整系数取0.95。

（1）材料16Mn钢允许应力：

[σ]=0.92×0.95×230=201.02N/mm2

[τ]=0.92×0.95×135=117.99N/mm2

（2）梁系容许相对扰度：

（3）闸门为实腹式焊接钢结构，泄洪闸左侧主槽区共设7扇弧形钢闸门，弧门宽12m，门高14m，底槛高程8.5m，总水压力本次复核为13247kN。门型为双主横梁，斜支臂型主框架，支承采用圆柱铰。支铰高程20.5m，侧止水采用L型橡皮止水，底止水采用刀型水封。每扇闸门各设2×1000kN双缸液压启闭机1台。启门速度0.7m/min，工作行程7.2m。

（4）计算条件：①计算假定：闸门的结构采用平面体系，计算时忽略面板和纵向梁系曲率的影响，按容许应力法进行计算。②计算工况：本次复核泄洪道进口弧形闸门计算工况为上游按100年一遇设计水位22.0m，下游无水，动水启门瞬间。主要包括以下荷载：闸门自重、在设计水头下的静水压力、在设计水头下的动水压力和启闭力。弧形工作闸门各部件要承受不同程度的动力荷载，依据SL74-2013《水利水电工程钢闸门设计规范》的规定，动力系数可取K=1.0～1.2。本次复核动力系数取K=1.05，应力调整系数取0.95。

3 技术复核

3.1 闸门面板复核

进行面板验算时，忽略弧形门面板曲率的影响，按近似平板进行验算。面板的局部弯曲应力除顶底区格按三边固定一边简支进行计算，其他区格皆按四边固定的弹性薄板承受均布荷载进行计算。水平次梁（或主梁）与水平次梁为面板区格，编号从上至下分别为1号～16号梁格。

面板厚度δ按下式计算：

式中：

Ky-弹塑性薄板支承长边中点弯应力系数；

a-弹塑性调整系数，SL74-2013《水利水电工程钢闸门设计规范》规定，当面板计算区格的长边与短边之比b/a＞3时，取a=1.4；当b/a≤3时，取a=1.5；

q-面板计算区格中心的水压力强度；

[σ]-钢材的抗弯容许应力，取201.02MPa。

经计算，复核工况下面板各区格所需厚度见表1。

从表1可以看到，面板计算所需最大厚度位于6号区格，δ=10.47mm。原设计面板厚度12mm，本次工程检测主槽区闸门面板最小蚀余厚度为11.66mm，面板厚度满足规范要求。

表1 面板各区格所需厚度表

取6号区格计算其折算应力σzh：

式中：

σmy-垂直于主梁轴线方向面板支承长边的局部弯曲应力；

σmx-面板沿主梁轴线方向的局部弯曲应力，σmx=μσmy，其中μ为泊桑比，取 0.3；

σox-对应于面板验算点的主梁上翼缘的整体弯曲应力；

[σ]- 抗弯容许应力，取 201.02MPa。

计算得折算应力σzh=201.7MPa＜[σzh]=1.1α[σ]=331.68MPa，式中α为弹塑性调整系数，取1.4，面板强度满足规范要求。

3.2 主横梁复核

主横梁由与面板相贴的前翼缘、腹板和后翼缘组成。根据结构布置计算，上主梁截面为控制截面，选取上主梁进行应力计算。主梁跨中断面和支座断面最大应力均发生在启门瞬间，设计工况下主梁应力成果见表2。由表2可见，跨中断面前后翼缘最大正应力均小于容许应力[σ]=201.02MPa。设计工况主梁最大剪应力τ=92.5MPa，小于容许剪应力 [τ]=117.99MPa。主梁按受均布荷载的等截面梁计算其最大挠度为0.68cm，小于[f]=[L0/600]=2cm，主梁挠度满足规范要求。

表2 主横梁应力计算成果

3.3 支臂复核

经计算，支臂的最不利工况为启门瞬间，计算成果见表3。由表3可见，支臂在弯矩作用平面外和弯矩作用平面内的最大应力值均小于容许应力[σ]=201.02MPa，因此支臂处于整体稳定状态。

3.4 主框架复核

弧形闸门实腹式主横梁的单位刚度与支臂单位刚度的比值K0按下式计算：

K0=（IL0×h）/（Ih×L0）

式中：IL0-框架主横梁截面惯性矩；

Ih-框架支臂截面惯性矩；

L0-框架主横梁计算跨度，即主梁中和轴线与支臂轴线交点之间的距离；

h-框架支臂长度，即铰点至主梁中和轴线的距离。

SL74-2013《水利水电工程钢闸门设计规范》规定：对斜支臂弧形闸门，K0=3～7；经计算，本闸门K0=5.65，满足现行规范要求。

3.5 启闭力复核

根据规范（SL74-2013），启闭力复核计算采用下列公式计算：

式中：r0、r1、r3、r4- 分别为转动铰摩阻力、止水摩阻力、闸门自重、上托力和下吸力对弧型闸门转动中心的力臂，m；

R1、R2-分别为加重（或下压力）和启门力对弧型闸门转动中心的力臂，m；

nT-摩擦阻力安全系数；

nG-计算闭门力时的闸门自重修正系数；

n′G-计算持住力和启门力时的闸门自重修正系数；

G-闸门自重，kN；

Gj-加重块重量，kN；

Px-下吸力，kN；

Pt-上托力，kN；

Tzd-支承摩阻力，kN；

Tzs-止水摩阻力，kN。

经计算，闸门不能依靠自重闭门，闸门开启所需的启门力为1865kN，原启闭机容量为2×1000kN，能满足要求。

4 结论

经计算和复核，得出如下结论：

（1）闸门不能依靠自重闭门，因此实际运行中闸门增加了铸铁及混凝土配重块250kN，已能满足闸门下门需要。在闸门相对开度为0.2时，设计工况下闸门所需的持住力为765.6kN。启门力按静水水位差为1m计算，闸门开启所需的启门力为675kN。原启闭机容量为2×1000kN，启闭机容量满足要求。但是从现场检测情况来看各孔存在主滚轮转动不灵活，防腐涂层脱落、表面锈蚀等现象。建议应及时对该部位进行检修及防腐处理。否则主滚轮锈蚀不动，闸门启闭由滚动摩擦变成滑动摩擦，要求启闭力将相应变大，会影响闸门正常启闭。

（2）闸门各部件为轻微腐蚀，闸门焊缝未发现超标缺陷，工作闸门、检修闸门启闭机完好，运行正常。闸门经复核验算部件强度与稳定性，启闭机启闭力均满足规范要求。

（3）启闭机运行基本正常。油压装置尚存在以下缺陷：主槽区闸门3号油箱顶盖管路渗油、空气呼吸器破损；操作柜上电动机启动操作按钮与所启动电动机不对应。以上缺陷建议处理，以免产生误操作。