浅谈除险加固工程金属结构改造的若干问题与设计

申景涛，董旭荣

（1.陕西省水利厅，陕西 西安 710004；2.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710000）

1 研究背景

在20 世纪60年代～80年代投入运行的水利水电工程中，存在如花凉亭水库运行50 多年，已属三类病险水库，金属结构设备年久失修，主要承载构件的应力、稳定性指标已达不到现规范要求，启闭设备不具备安全运行条件［1]；再如江西省观音山水库［2]、河北省张家口云州水库［3]钢闸门均存在水封磨损开裂，闸门漏水严重，闸门埋件锈蚀严重，启闭设备容量不足，行程不够，高度指示装置损坏等问题。

金属结构设备如拦污栅、钢闸门、压力管道及启闭机等，由于长期在潮湿、水中以及干湿交替的恶劣环境中工作，锈蚀损坏情况严重，易导致结构破坏失稳；其次多年的运行管理维护不当，库区泥沙污物淤积、多数启闭、检修设备损坏丢失，导致闸门及压力管道不能正常运行；再者随着设计规范的不断更新优化，这些金属结构的设计已不能满足现有规范要求［4]，存在一定的安全隐患。

以拦污栅为例，1960年建成的湖南白渔潭水电站，拦污栅为木质，1965年改为钢质，仍多次被冲断；1970年建成的四川龚咀水电站，拦污栅前泥沙、杂物、半沉木较多，地下厂房进口拦污栅的损坏多数为半沉木撞击、挤压栅条、使之断裂变形；1987年建成的福建沙溪口水电站，拦污栅堵塞严重，人工清污不及时，常年水头损失估计为0.3 m～0.8 m（以0.5 m 水头损失估算，年损失电能达2.4×107kW·h），拦污栅前后测得最大压差高达6 m［5]。由此可见金属结构的改造不仅关系到大坝的安全，同时直接影响着电站的经济效益。因此除险加固工程金属结构改造已迫在眉睫。

本文以某工程为例，列举除险加固工程金属结构设备存在的问题，阐明改造设计的方法，提出此类工程应注意的问题。

2 工程概况

水库1978年建成，主要任务是矿山供水，进水口金属结构布置采取分层取水的方式，在坝体1098.3 m、1104.3 m、1112.3 m、1118.3 m 高程设四个取水口，孔口尺寸1.1 m×1.1 m，后接4条钢管合并为1 条取水管，每个进水口设1 扇拦污栅，共4 扇，在阀井内每条管路各设1 台DN700 的检修闸阀和1 台DN700的工作闸阀，末端设1 台DN700 的控制工作闸阀，共9 台，4 扇拦污栅共用1 扇平面检修门以便检修闸阀。

泄洪底孔金属结构布置采取泄水底孔进口设事故检修平面门1 扇，孔口尺寸为2.2 m×2.2 m，设计水头45 m，采用尼龙滑块作支承，水封设于下游，闸底高程1085.0 m，动水闭门，静水启门，启闭设备采用1 台单吊点固定卷扬式启闭机QPQ630 kN-8.5 m，通过吊杆启闭闸门，隧洞出口采用DN1700锥阀控制流量，底孔事故闸门前原设计有一扇拦污栅，现已损坏。

溢洪道金属结构布置采取工作弧形闸门一扇，可控制泄流，动水全开全关，侧止水为“L”型橡皮水封，底止水为带橡皮的木水封，启闭设备选用2×150 kN 手电两用固定卷扬式启闭机。

整体工程金属结构现状见表1。

表1 金属结构特性表（现状）

2.1 金属结构安全检测的方式

1）巡视检查

检查与闸门和启闭机相关的水力学条件、水工建筑物是否有异常迹象，附属设施是否完善有效，并判断对闸门和启闭机的影响。

2）闸门外观及现状检测

对闸门外观形态进行全面检查和检测，主要检查闸门门体及其构件在服役运行期间是否出现变形、损伤、构件折断、部件脱落、焊缝开裂、严重腐蚀、严重漏水等影响闸门安全运行的异常状况。

3）启闭机性能状态检测

对启闭机的性能状态进行考核和检测，通过对机架、电动机、减速器、电气系统等的全面检查，判断启闭机各项功能是否正常，考核启闭机是否能够安全运行。

4）腐蚀检测

通过目视检查和仪器检测判断闸门和启闭机是否存在局部严重锈蚀及锈损等影响设备安全运行的部位。

5）材料检测

通过在设备非受力部位钻取屑样进行钢材的化学成分分析，确定结构材料的化学成分，并根据设计资料和相关标准，判断取样位置的构件主要成分是否符合设计及标准的规定。

6）水下探查

通过水下部分的探查观测闸门、拦污栅门体及门槽水下部分结构状况，为安全评价提供重要依据。

2.2 金属结构安全检测结果

（1）取水口拦污栅（水下）

1）取水口拦污栅栅体都有不同程度的被垃圾覆盖现象，取水口越浅垃圾覆盖越严重，其中2#拦污栅垃圾覆盖最为严重，栅体几乎全部被垃圾覆盖，栅体上游流道布满垃圾；3#拦污栅垃圾覆盖较多；4#拦污栅垃圾覆盖相对较少。

2）取水口左右门槽滑道均已锈蚀，且存在大量锈包，4#取水口右侧门槽在水深17.98 m 的位置存在异物，见图1、图2。

图1 水下拦污栅污物堆积

图2 水下拦污栅吊杆锈蚀

（2）取水口检修门

1）启闭机轨道尚在，但未见启闭机及启闭机室。

2）坝顶放置的取水口检修闸门及吊耳顶部受雨水侵蚀严重，已被损坏，见图3、图4。

图3 取水口检修闸门锈蚀

图4 检修闸门吊耳锈蚀破坏

（3）取水口阀门（共9 套）

1）阀门连接明管外壁涂层全部脱落。

2）阀门室未见检修吊，轨道尚在。

3）检修阀（4 套）及连通阀为手动启闭阀门，操作极为不方便；1#取水口检修阀机架座已经断裂。

4）工作阀（4 套）驱动电机全部丢失，并且无手摇机构，无法操作；工作阀控制系统已完全失效。

5）连接螺栓锈损，管壁锈蚀严重，见图5、图6。

图5 阀门连接明管外壁锈蚀

图6 控制系统瘫痪且老化严重

（4）泄洪底孔固定卷扬启闭机

1）高度限制器失效；未设置负荷控制器。

2）制动器和减速器老化严重，制动轮锈蚀且硬度值不符合标准要求，电动机（JZB 型）已被列入国家公布的淘汰电动机名录，见图7。

图7 泄洪底孔事故闸门启闭机电动机老化

3）启闭机机架局部涂层有大面积脱落现象。

（5）泄洪底孔事故检修闸门（水下）

1）吊耳及面板锈蚀均匀；主轨与侧轨表面均已经锈蚀。

2）门体顶部污物较多，门体与右边门槽存在较多夹杂物；门槽底部发现较大金属异物（疑为工字钢焊接件）。

3）未发现泄洪底孔拦污栅。

（6）泄洪底孔固定锥形阀

1）漏水严重（射水）；无手动、电动互锁装置；未配备检修设施；连接螺栓锈损，管壁锈蚀严重，见图8。

图8 泄洪底孔锥形阀漏水

2）驱动装置漏油严重；未设置负荷控制器。

3 金属结构改造设计

3.1 进水口金属结构改造

根据闸门和启闭机安全检测结果，进水口拦污栅、检修闸门和阀门应全部更换。

（1）1#～4#拦污栅孔口尺寸均为1.1 m×1.1 m，4 孔拦污栅均进行改造，拦污栅结构和布置与原拦污栅相同，拦污栅埋件不更换，因此支承中心距仍为1.45 m，拟采用滑块支承的平面焊接结构，侧向限位滑槽，每孔拦污栅与吊杆连接锁定于闸顶，启闭设备拟采用电动葫芦100 kN-6 m。电动葫芦悬挂于排架下，拆除原混凝土排架，采用刚排架。

检修闸门与原结构节本相同，采用滑块支承的平面焊接钢闸门，水封采用“P”型水封，主梁采用工字型，面板厚12 mm，启闭设备与拦污栅共用电动葫芦100 kN-6 m［6-7]。

面板厚度估算采用下式：

式中：ky为弹塑性薄板支承长边中点弯应力系数；查表；α 为弹塑性调整系数；b/a当＞3 时，α 取1.4；b/a≤3 时，α 取1.5；a、b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；q为面板计算区格中心的水压力强度；N/mm2；［σ]为钢材的抗弯容许应力，查表。

经计算，面板厚度δ=9.7 mm，考虑锈蚀余量2 mm，则δ=11.7 mm。根据板厚系列，取面板厚度δ=12 mm。

（2）进水口9 台闸阀和5 套伸缩节进行更换，由于钢管锈蚀严重，把弯管、四通等连接钢管更换，钢管留出可焊接短管外，割掉其余钢管全部更换，留出的短管进行防腐处理。法兰与现有标准不能配套，因此更换原有连接法兰［8]。

进水口闸门的更换，由于原埋件保持不变，所以新建闸门应于原埋件配套这是关键，其次侧向限位的材质是选择铸铁，还是尼龙材质，要看侧重于降低摩擦力，还是保护原埋件，本次改造选用尼龙材质，由于原埋件已经有锈蚀现象，所以更侧重保护原埋件，此外尼龙材质在干摩擦时有较高的摩擦系数，而在有油或有水时，摩擦系数下降很大。

3.2 泄洪底孔金属结构改造

根据安全检测结果，更换泄洪底孔进口事故检修闸门和启闭机。打捞底部的型钢，对锈蚀的埋件进行防腐处理。进口原设有拦污栅，因故没有实施，从底孔实际运行来看，没出现什么问题，因此维持原状不变。

改建的闸门运行方式仍为动水闭门、充水平压后静水启门，结构形式与原闸门基本相同，拟采用单吊点、滑动支承、后水封的平面焊接闸门，门顶设一个φ300 充水阀；原闸门采用胶木滑道，胶木遇水膨胀后表面硬度降低，老化后摩擦系数值存在突变，从丹江口水电站运行20 多年后的原型观测来看，摩擦系数f＝0.33～0.38，远远大于规范推荐值0.12～0.14，不能保证闸门动水闭门运行，给工程的安全运行带来极大隐患，故本次设计的滑道拟改用承载能力高，低磨损、自润滑性能好的尼龙滑道。埋件不进行更换，主体材料拟采用Q235C，改造后启闭设备采用高扬程固定卷扬启闭机QPG630-42 m，可以把闸门从底槛直接提到检修平台进行检修［9]。

原泄洪底孔出口采用锥阀DN1700，改造设计经方案对比后更换锥形阀，新建弧形工作闸门。

改造方案为：方案1，重新加工安装一个DN1700 锥阀；方案2，新建弧形工作闸门。

对比方案优缺点论证：①依据原设计要求底孔需参与泄洪，若底孔出口采用锥形阀，则进口必须设置拦污栅；②DN1700 锥阀为非标系列的阀门，标准系列为DN1600、DN1800 锥阀，采用DND1600 的标准阀门时泄量不够，采用DND1800 的标准阀门时局部会产生负压，通过调研后国内需定制生产非标的DN1700 锥阀；③锥形阀泄流时雾化严重；④锥形阀检修不方便。相比于锥形阀，根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74-2019）泄水系统工作闸门宜选用弧形闸门［7]。此外，弧形工作闸门可通过控制开度来调节下泄流量，并且弧形闸门便于维修利于运行管理。

3.3 闸门及埋件防腐设计

按照各种闸门的工作特性和工作环境，对照水工金属结构防腐蚀规范设计防护措施。达到安全、有效、经济、合理的目的初选闸门及埋件的表面防护措施。

此次改造闸门及埋件按重防腐条件对待，闸门门体和拦污栅均采用喷锌防腐，本水库为饮用水源地，因此面漆采用饮用水专用涂料。埋件和钢管除锈等级为Sa2 级，刷涂环氧富锌底漆80 μm、环氧云铁封闭漆厚度50 μm、饮用水专用涂料200 μm［10]。

闸门支铰轴、吊耳轴、支承轮轴、连接轴等表面采用镀铬防腐，第一层为乳白铬，第二层为硬铬，厚度均不小于0.04 mm。固定闸门水封的所有螺栓均采用不锈钢螺栓，其余螺栓均采用镀锌螺栓，螺母均采用镀锌处理。

4 结语

1）大多数金属结构改造工程都牵扯到水下作业施工的问题，水下作业施工难度大，潜水员水下作业费用昂贵，因此在改造的初步设计时应充分考虑金属结构安装的施工组织、设备、人员和资金的投入，做详细的施工组织计划。

2）金属结构改造工程应尽量不破坏原水工结构，不宜大规模拆除，以保证原机构的完整性，特别需注意在不破坏或不改建原闸门、启闭机等设备的埋件时，保证新建闸门、启闭机满足原埋件的尺寸要求。

3）应特别注意原设计各结构所具备的功能，以指导合理化设计，合理化施工，合理化运行。比如具备泄洪要求的结构一定不能在汛期进行改造；具备城乡供水、灌溉要求的，一定要制定合理的停水计划表或调水、补水方案，各方协调以满足在改建期对水的需求；具备发电要求的应尽量降低因改造停止发电所损失的经济效益。

4）金属结构改造工程不应是简单的发现眼前问题就解决当前问题，应具有长远的打算，超前的意识，应将新的设计理念、材料、制作加工及施工工艺、设备应用于改造工程中去，否则是禁不起时间的考验的。