泉州市山美水库溢洪道弧形钢闸门与启闭机除险改造浅析

泉州市山美水库溢洪道弧形钢闸门与启闭机除险改造浅析

程洪波

(泉州市山美水库水资源调配中心，福建 泉州  362000)

[摘要] 山美水库溢洪道弧形钢闸门与启闭机1982年投入运行，历经38年运行,其金属结构已超过折旧年限，且锈蚀、老化严重（根据《水利水电工程金属结构报废标准》（SL 226-98）金属结构折旧年限：大型闸、阀、启闭设备为30 年）。部分关键构件发生变形，对溢洪道的安全运行存在安全隐患。本文着重介绍溢洪道弧形钢闸门与启闭机现状，存在安全隐患问题，对闸门钢板厚度结构强度、刚度、稳定性复核计算，除险改造的必要性及除险改造内容。

[关键词]     弧形钢闸门  安全隐患   改造更新

[中图分类号]          [文献标识码]                  [文章编号]

1、概况

山美水库位于福建省泉州市山美村附近，在泉州市西北方向约50km，所在河流为晋江支流东溪，坝址以上流域面积1383 k m2（其中山美水库流域面积1023 k m2，跨区域调水的龙门滩水库流域面积360 k m2）。水库正常蓄水位96.48m，总库容6.55 亿m3。山美水库是泉州市最大饮用水源地，也是向台湾金门供水水源地，担负着晋江下游8个县、市、区400万人的生活和生产用水，年供水量约10亿m3。

山美水库溢洪道在主坝左岸岸坡300m的山凹处，由引渠、闸室、陡槽及挑流鼻坎组成,全长480m;采用钢筋混凝土结构,闸室控制段宽82m，分6 孔，每孔净宽12m，总净宽72m;闸门为斜支臂焊接结构，支铰为圆柱铰;每扇闸门配备卷扬式弧门启闭机1 台，闸门设双吊点，吊耳设置在面板迎水面上,设计流量3920 m3/s，校核流量6220 m3 /s。溢洪道弧形钢闸门1982 年投入使用,每年汛期均有开启闸门泄洪。2002年福建省水利水电勘察设计研究院对溢洪道弧形钢闸门进行复核验算，验算结果其面板折算应力和支铰座应力超过规范允许值，不满足规范要求； 2003 年3月对溢洪道弧形钢闸门门体、门叶和支铰座加固处理；2005 年1月建设溢洪道弧形钢闸门启闭机房和闸门计算机监控系统，2016 年对闸门重新进行了防腐处理,溢洪道闸门和启闭机主要技术参数见表1。

表1 溢洪道闸门和启闭机主要技术参数

2、现阶段钢闸门和启闭机存在安全隐患问题

2020年我中心委托福建省水利水电勘测设计研究院到溢洪道现场踏勘，发现钢闸门及启闭机出现如下问题：

2.1、闸门全关时底部出现少量漏水。

2.2、闸门在易积水的下部小梁及其附近面板的局部油漆层脱开、有锈迹、锈坑，闸门支臂腹板局部积水。

2.3、溢洪道启闭机生产日期为1979 年，由于受早期加工设备和技术的影响，启闭机部分零部件尺寸偏大。

2.4、启闭机原行程开关与启闭机匹配度不好，行程显示不精确，减速器周边少量漏油。

2.5、溢洪道弧形钢闸门与启闭机运行至今已有38年，随着使用年限的增加，钢板不断腐蚀，钢板的厚度越来越薄，对溢洪道安全运行存在隐患。

3、闸门钢板厚度结构强度、刚度、稳定性复核及启闭力复核计算

3.1、针对闸门钢板腐蚀、厚度变薄问题，2020年2月我中心委托福建省闽之星水利水电工程检测有限公司进行检测，使用进口DM4超声测厚仪测量，测量模式采用穿膜测厚，直接显示钢板净厚度。共抽取1#、3#、6#三扇闸门检测，每个部件取6～14 个区，详见表2～4。

表2   1#闸门钢板厚度

表3   2#闸门钢板厚度

表4   3#闸门钢板厚度

3.2、闸门结构强度、刚度、稳定性复核计算

对检测尺寸厚度进行闸门结构强度、刚度、稳定性复核计算。（按照规范 SL74-2013、SL 226-98中的规定,材料容许应力按表5.2.1-2 中的数值乘以使用年限修正系数K，闸门已运行38年，K 取0.9；闸门调整系数取0.9）。

主要受力部件尺寸取值如下：（按实测最小厚度）

面板厚度：9.48mm（原设计厚度10mm）

主梁腹板厚：11.72mm（原设计厚度12mm）

主梁前翼厚：12mm

主梁后翼厚：11.49mm（原设计厚度12 mm）

支臂腹板厚：11.77mm（原设计厚度12mm）

支臂翼缘厚：19.64mm（原设计厚度20mm）

强度计算：

主梁：τmax= 101.58MPa > 0.9K[τ]= 76.95MPa

σzhmax= 163.55MPa > 1.1×0.9K[σ]= 142.56MPa

支臂：σmax= 130.82MPa > 0.9K[σ]= 121.5MPa

σ= 146.79MPa > 0.9K[σ]= 121.5MPa

主梁与支臂刚度比：K0= 8.84 > 3～7

启闭力复核计算

闭门力：Fw = [1.2×（197×0.155+3.6×15.03）-0.9×45×12]/12

= -320kN

启门力：FQ= [1.2×（197×0.155+3.6×15.03）+1.1×45×12]/14

= 497kN

4、钢闸门和启闭机除险改造的必要性

4.1、经复核，溢洪道弧形钢闸门主梁与支臂连接处支座剪应力超过规范允许值32%，主梁折算应力超过规范允许值15%，支臂正应力超过规范允许值8%，支臂弯矩作用平面内的正应力超规范允许值21%。按规范要求，最大计算应力不应超过允许值，因此，溢洪道弧形钢闸门主梁、支臂强度不满足规范要求。根据《水利水电工程金属结构报废标准》（SL226-98）中2.0.4 条规定：超过规定折旧年限，经检测不能满足安全运行条件的设备，应报废。

4.2、原启闭设备2×375kN 卷扬式弧门卷扬机满足要求，由于受早期加工设备和技术的影响，启闭机部分零部件尺寸偏大，技术落后，耗能高，效率低，运行操作人员劳动强度大，自动化程度低，且不便实现技术改造。2005年更换新的二合一精密行程开关，使用后发现行程开关与启闭机匹配度不好，行程显示不精确。

4.3、闸门计算机监控系统

山美水库溢洪道闸门自动控制系统建成于2005 年，随着现场设备的增加，逐渐暴露出一些问题，如：双电源的切换还处于手动操作模式；电压、电流、开关状态等参数没有采集，也无法上传；闸门计算机监控系统没有与电站计算机监控系统联网，无法实现远程控制；设备电气元器件运行时间长，设备老化，存在无备用元器件更换问题。这些情况都迫切需要对闸门计算机监控系统进行改造，以适应水利信息化的要求。

4.4、视频监视系统

现场设置的摄像机涵盖闸门、启闭房和上游水库，但是缺少下游侧的监视，溢洪道泄洪时运行人员要调用各个角度的视频，需要增加下游侧摄像机完善视频监视范围。

综上，为发挥钢闸门和启闭机应有的作用，确保溢洪道安全运行，有必要对溢洪道钢闸门与启闭机进行改造更新，同时对闸门计算机监控系统、视频监视系统进行改造。

5、溢洪道除险改造的主要内容

2020年12月福建省水利水电勘察设计研究院对溢洪道钢闸门与启闭机除险改造进行设计，2021年10月开工建设，2022年4月完工，除险改造的主要内容：

5.1、溢洪道钢闸门与启闭机拆除

拆除项目包括：溢洪道弧形钢闸门12×11.68m 共6 扇，门体自重44.7t/扇，2×375kN 卷扬式弧门启闭机机6 台，自重19.2t/台。

5.2、溢洪道钢闸门与启闭机更新

5.2.1 整体更新6扇溢洪道弧形工作门门体、6 台溢洪道弧形工作门启闭机。闸门采用斜支臂、圆柱铰支承，门叶采用双主纵梁的结构型式，弧门的弧面半径为15m，闸门的主要材质为Q355B 钢；原有闸门门槽埋件较完好无损，保留原有闸门门槽埋件，不进行改造更换。更新的启闭机型式与原设计一致，选用卷扬式弧门启闭机。

5.2.2 原有牛腿混凝土较完好无损，2020 年山美水库大坝安全评价牛腿混凝土复核计算结果其强度满足规范要求，不进行改造更换。

5.2.3 经计算，更新后的启闭机启闭力为550kN, 原启闭机为2×375kN，启闭力在原启闭机的启闭能力范围内，启闭梁混凝土强度满足规范要求，不进行改造更换。

5.2.4 由于需要更换溢洪道弧门支铰，铰座固定螺杆外露部分锈蚀，撬掉铰座牛腿二期混凝土，预埋金属结构件后进行重新浇筑C30混凝土。

5.2.5 每台启闭机设置1 套失电应急液控启闭装置,该装置可保证在电源消失或电气设备故障的不利极端工况下，确保启闭机安全运行。

5.3、闸门防腐措施

5.3.1、闸门门体防腐蚀措施：门体表面喷砂除锈达到Sa2.5 级后,喷锌150μm；封闭层涂料采用环氧云铁防锈漆，干膜厚80μm；面漆采用无毒的环氧类涂料，干膜厚100μm。

5.3.2、闸门门槽防腐措施：与砼接触的表面喷砂除锈达Sa1 级后涂刷水泥浆二道，外露表面喷砂除锈达Sa2.5 后, 喷锌150μm；封闭层涂料采用环氧云铁防锈漆，干膜厚100μm；面漆采用无毒的环氧类涂料，干膜厚120μm。

5.4、电气系统改造更新

电气部分改造主要更换0.4kV 低压配电柜3 面，采用双电源自动切换装置进线切换；柴油发电机组作为溢洪道的应急电源，当10kV 电源消失时，柴油发电机通过母线向闸门启闭设备、应急照明等负荷供电。

5.5、视频监视系统

由于缺少下游侧、柴油发电机室监视，因此增加溢洪道往下游侧的球型摄像机一台，增加柴油发电机室摄像机一台。

5.6、闸门自动控制系统改造

改造闸门计算机监控系统以实现溢洪道闸门的现地集中控制、自动控制以及配电电气设备的监控，并为溢洪道闸门的远程控制做好技术准备。闸门计算机监控系统按 “无人值班”（少人值守）进行总体设计，满足实时性、可靠性、可维性、实用性、安全性、可扩性等性能要求。

5.6.1系统组成

闸门计算机监控主要由闸门的现地手动控制箱、闸位传感器及显示仪、限位开关、荷载传感器及显示仪、闸门现地监控单元（LCU）、操作员工作站、控制管理软件及监控网络等组成,采用分层分布结构，并能通过以太网交换机接入水电站计算机监控系统（远期功能）。

5.6.2系统功能

闸门计算机监控的运行控制分为三个等级，系统的控制权限以越接近设备控制权限越高。控制权顺序为：手动控制级、集中控制级、远程自动控制级。系统建成后，操作人员既可以在现地手动控制箱上启闭闸门，还可以通过现地监控单元实现集中控制，又可以通过操作员工作站实现对闸门的远程自动控制。闸门控制的所有重要数据将同时写入数据库服务器，以便于查询及日后水库的综合调度管理。

5.6.3监控内容

闸门计算机监控系统监控内容有：闸门位置状态、启闭机的运行状态、控制的方式及闸门的控制等。

6、结束语

本次改造更新在充分总结原有设计的基础上，根据国家现有规范标准，对闸门门体型材、支臂、圆柱铰支承、双主纵梁、止水设计、防腐措施进行优化改进，改造更新后的钢闸门、启闭机及控制系统做到技术成熟先进，运行安全可靠。在今年主汛期多次开闸泄水，运行状况良好，发挥拦洪蓄洪、削峰错峰重要作用；在枯水期拦蓄一库清水，每日源源不断向下游人民群众及台湾金门供水，充分发挥水资源的综合效益，为泉州市经济可持续发展提供有力保障。