申景濤,董旭榮
(1.陜西省水利廳,陜西 西安 710004;2.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710000)
在20 世紀(jì)60年代~80年代投入運(yùn)行的水利水電工程中,存在如花涼亭水庫運(yùn)行50 多年,已屬三類病險(xiǎn)水庫,金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備年久失修,主要承載構(gòu)件的應(yīng)力、穩(wěn)定性指標(biāo)已達(dá)不到現(xiàn)規(guī)范要求,啟閉設(shè)備不具備安全運(yùn)行條件[1];再如江西省觀音山水庫[2]、河北省張家口云州水庫[3]鋼閘門均存在水封磨損開裂,閘門漏水嚴(yán)重,閘門埋件銹蝕嚴(yán)重,啟閉設(shè)備容量不足,行程不夠,高度指示裝置損壞等問題。
金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備如攔污柵、鋼閘門、壓力管道及啟閉機(jī)等,由于長(zhǎng)期在潮濕、水中以及干濕交替的惡劣環(huán)境中工作,銹蝕損壞情況嚴(yán)重,易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn);其次多年的運(yùn)行管理維護(hù)不當(dāng),庫區(qū)泥沙污物淤積、多數(shù)啟閉、檢修設(shè)備損壞丟失,導(dǎo)致閘門及壓力管道不能正常運(yùn)行;再者隨著設(shè)計(jì)規(guī)范的不斷更新優(yōu)化,這些金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)已不能滿足現(xiàn)有規(guī)范要求[4],存在一定的安全隱患。
以攔污柵為例,1960年建成的湖南白漁潭水電站,攔污柵為木質(zhì),1965年改為鋼質(zhì),仍多次被沖斷;1970年建成的四川龔咀水電站,攔污柵前泥沙、雜物、半沉木較多,地下廠房進(jìn)口攔污柵的損壞多數(shù)為半沉木撞擊、擠壓柵條、使之?dāng)嗔炎冃危?987年建成的福建沙溪口水電站,攔污柵堵塞嚴(yán)重,人工清污不及時(shí),常年水頭損失估計(jì)為0.3 m~0.8 m(以0.5 m 水頭損失估算,年損失電能達(dá)2.4×107kW·h),攔污柵前后測(cè)得最大壓差高達(dá)6 m[5]。由此可見金屬結(jié)構(gòu)的改造不僅關(guān)系到大壩的安全,同時(shí)直接影響著電站的經(jīng)濟(jì)效益。因此除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)改造已迫在眉睫。
本文以某工程為例,列舉除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備存在的問題,闡明改造設(shè)計(jì)的方法,提出此類工程應(yīng)注意的問題。
水庫1978年建成,主要任務(wù)是礦山供水,進(jìn)水口金屬結(jié)構(gòu)布置采取分層取水的方式,在壩體1098.3 m、1104.3 m、1112.3 m、1118.3 m 高程設(shè)四個(gè)取水口,孔口尺寸1.1 m×1.1 m,后接4條鋼管合并為1 條取水管,每個(gè)進(jìn)水口設(shè)1 扇攔污柵,共4 扇,在閥井內(nèi)每條管路各設(shè)1 臺(tái)DN700 的檢修閘閥和1 臺(tái)DN700的工作閘閥,末端設(shè)1 臺(tái)DN700 的控制工作閘閥,共9 臺(tái),4 扇攔污柵共用1 扇平面檢修門以便檢修閘閥。
泄洪底孔金屬結(jié)構(gòu)布置采取泄水底孔進(jìn)口設(shè)事故檢修平面門1 扇,孔口尺寸為2.2 m×2.2 m,設(shè)計(jì)水頭45 m,采用尼龍滑塊作支承,水封設(shè)于下游,閘底高程1085.0 m,動(dòng)水閉門,靜水啟門,啟閉設(shè)備采用1 臺(tái)單吊點(diǎn)固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)QPQ630 kN-8.5 m,通過吊桿啟閉閘門,隧洞出口采用DN1700錐閥控制流量,底孔事故閘門前原設(shè)計(jì)有一扇攔污柵,現(xiàn)已損壞。
溢洪道金屬結(jié)構(gòu)布置采取工作弧形閘門一扇,可控制泄流,動(dòng)水全開全關(guān),側(cè)止水為“L”型橡皮水封,底止水為帶橡皮的木水封,啟閉設(shè)備選用2×150 kN 手電兩用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。
整體工程金屬結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀見表1。
表1 金屬結(jié)構(gòu)特性表(現(xiàn)狀)
1)巡視檢查
檢查與閘門和啟閉機(jī)相關(guān)的水力學(xué)條件、水工建筑物是否有異常跡象,附屬設(shè)施是否完善有效,并判斷對(duì)閘門和啟閉機(jī)的影響。
2)閘門外觀及現(xiàn)狀檢測(cè)
對(duì)閘門外觀形態(tài)進(jìn)行全面檢查和檢測(cè),主要檢查閘門門體及其構(gòu)件在服役運(yùn)行期間是否出現(xiàn)變形、損傷、構(gòu)件折斷、部件脫落、焊縫開裂、嚴(yán)重腐蝕、嚴(yán)重漏水等影響閘門安全運(yùn)行的異常狀況。
3)啟閉機(jī)性能狀態(tài)檢測(cè)
對(duì)啟閉機(jī)的性能狀態(tài)進(jìn)行考核和檢測(cè),通過對(duì)機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、減速器、電氣系統(tǒng)等的全面檢查,判斷啟閉機(jī)各項(xiàng)功能是否正常,考核啟閉機(jī)是否能夠安全運(yùn)行。
4)腐蝕檢測(cè)
通過目視檢查和儀器檢測(cè)判斷閘門和啟閉機(jī)是否存在局部嚴(yán)重銹蝕及銹損等影響設(shè)備安全運(yùn)行的部位。
5)材料檢測(cè)
通過在設(shè)備非受力部位鉆取屑樣進(jìn)行鋼材的化學(xué)成分分析,確定結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)成分,并根據(jù)設(shè)計(jì)資料和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),判斷取樣位置的構(gòu)件主要成分是否符合設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
6)水下探查
通過水下部分的探查觀測(cè)閘門、攔污柵門體及門槽水下部分結(jié)構(gòu)狀況,為安全評(píng)價(jià)提供重要依據(jù)。
(1)取水口攔污柵(水下)
1)取水口攔污柵柵體都有不同程度的被垃圾覆蓋現(xiàn)象,取水口越淺垃圾覆蓋越嚴(yán)重,其中2#攔污柵垃圾覆蓋最為嚴(yán)重,柵體幾乎全部被垃圾覆蓋,柵體上游流道布滿垃圾;3#攔污柵垃圾覆蓋較多;4#攔污柵垃圾覆蓋相對(duì)較少。
2)取水口左右門槽滑道均已銹蝕,且存在大量銹包,4#取水口右側(cè)門槽在水深17.98 m 的位置存在異物,見圖1、圖2。
圖1 水下攔污柵污物堆積
圖2 水下攔污柵吊桿銹蝕
(2)取水口檢修門
1)啟閉機(jī)軌道尚在,但未見啟閉機(jī)及啟閉機(jī)室。
2)壩頂放置的取水口檢修閘門及吊耳頂部受雨水侵蝕嚴(yán)重,已被損壞,見圖3、圖4。
圖3 取水口檢修閘門銹蝕
圖4 檢修閘門吊耳銹蝕破壞
(3)取水口閥門(共9 套)
1)閥門連接明管外壁涂層全部脫落。
2)閥門室未見檢修吊,軌道尚在。
3)檢修閥(4 套)及連通閥為手動(dòng)啟閉閥門,操作極為不方便;1#取水口檢修閥機(jī)架座已經(jīng)斷裂。
4)工作閥(4 套)驅(qū)動(dòng)電機(jī)全部丟失,并且無手搖機(jī)構(gòu),無法操作;工作閥控制系統(tǒng)已完全失效。
5)連接螺栓銹損,管壁銹蝕嚴(yán)重,見圖5、圖6。
圖5 閥門連接明管外壁銹蝕
圖6 控制系統(tǒng)癱瘓且老化嚴(yán)重
(4)泄洪底孔固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)
1)高度限制器失效;未設(shè)置負(fù)荷控制器。
2)制動(dòng)器和減速器老化嚴(yán)重,制動(dòng)輪銹蝕且硬度值不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,電動(dòng)機(jī)(JZB 型)已被列入國(guó)家公布的淘汰電動(dòng)機(jī)名錄,見圖7。
圖7 泄洪底孔事故閘門啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)老化
3)啟閉機(jī)機(jī)架局部涂層有大面積脫落現(xiàn)象。
(5)泄洪底孔事故檢修閘門(水下)
1)吊耳及面板銹蝕均勻;主軌與側(cè)軌表面均已經(jīng)銹蝕。
2)門體頂部污物較多,門體與右邊門槽存在較多夾雜物;門槽底部發(fā)現(xiàn)較大金屬異物(疑為工字鋼焊接件)。
3)未發(fā)現(xiàn)泄洪底孔攔污柵。
(6)泄洪底孔固定錐形閥
1)漏水嚴(yán)重(射水);無手動(dòng)、電動(dòng)互鎖裝置;未配備檢修設(shè)施;連接螺栓銹損,管壁銹蝕嚴(yán)重,見圖8。
圖8 泄洪底孔錐形閥漏水
2)驅(qū)動(dòng)裝置漏油嚴(yán)重;未設(shè)置負(fù)荷控制器。
根據(jù)閘門和啟閉機(jī)安全檢測(cè)結(jié)果,進(jìn)水口攔污柵、檢修閘門和閥門應(yīng)全部更換。
(1)1#~4#攔污柵孔口尺寸均為1.1 m×1.1 m,4 孔攔污柵均進(jìn)行改造,攔污柵結(jié)構(gòu)和布置與原攔污柵相同,攔污柵埋件不更換,因此支承中心距仍為1.45 m,擬采用滑塊支承的平面焊接結(jié)構(gòu),側(cè)向限位滑槽,每孔攔污柵與吊桿連接鎖定于閘頂,啟閉設(shè)備擬采用電動(dòng)葫蘆100 kN-6 m。電動(dòng)葫蘆懸掛于排架下,拆除原混凝土排架,采用剛排架。
檢修閘門與原結(jié)構(gòu)節(jié)本相同,采用滑塊支承的平面焊接鋼閘門,水封采用“P”型水封,主梁采用工字型,面板厚12 mm,啟閉設(shè)備與攔污柵共用電動(dòng)葫蘆100 kN-6 m[6-7]。
面板厚度估算采用下式:
式中:ky為彈塑性薄板支承長(zhǎng)邊中點(diǎn)彎應(yīng)力系數(shù);查表;α 為彈塑性調(diào)整系數(shù);b/a當(dāng)>3 時(shí),α 取1.4;b/a≤3 時(shí),α 取1.5;a、b為面板計(jì)算區(qū)格的短邊和長(zhǎng)邊長(zhǎng)度,mm,從面板與主(次)梁的連接焊縫算起;q為面板計(jì)算區(qū)格中心的水壓力強(qiáng)度;N/mm2;[σ]為鋼材的抗彎容許應(yīng)力,查表。
經(jīng)計(jì)算,面板厚度δ=9.7 mm,考慮銹蝕余量2 mm,則δ=11.7 mm。根據(jù)板厚系列,取面板厚度δ=12 mm。
(2)進(jìn)水口9 臺(tái)閘閥和5 套伸縮節(jié)進(jìn)行更換,由于鋼管銹蝕嚴(yán)重,把彎管、四通等連接鋼管更換,鋼管留出可焊接短管外,割掉其余鋼管全部更換,留出的短管進(jìn)行防腐處理。法蘭與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)不能配套,因此更換原有連接法蘭[8]。
進(jìn)水口閘門的更換,由于原埋件保持不變,所以新建閘門應(yīng)于原埋件配套這是關(guān)鍵,其次側(cè)向限位的材質(zhì)是選擇鑄鐵,還是尼龍材質(zhì),要看側(cè)重于降低摩擦力,還是保護(hù)原埋件,本次改造選用尼龍材質(zhì),由于原埋件已經(jīng)有銹蝕現(xiàn)象,所以更側(cè)重保護(hù)原埋件,此外尼龍材質(zhì)在干摩擦?xí)r有較高的摩擦系數(shù),而在有油或有水時(shí),摩擦系數(shù)下降很大。
根據(jù)安全檢測(cè)結(jié)果,更換泄洪底孔進(jìn)口事故檢修閘門和啟閉機(jī)。打撈底部的型鋼,對(duì)銹蝕的埋件進(jìn)行防腐處理。進(jìn)口原設(shè)有攔污柵,因故沒有實(shí)施,從底孔實(shí)際運(yùn)行來看,沒出現(xiàn)什么問題,因此維持原狀不變。
改建的閘門運(yùn)行方式仍為動(dòng)水閉門、充水平壓后靜水啟門,結(jié)構(gòu)形式與原閘門基本相同,擬采用單吊點(diǎn)、滑動(dòng)支承、后水封的平面焊接閘門,門頂設(shè)一個(gè)φ300 充水閥;原閘門采用膠木滑道,膠木遇水膨脹后表面硬度降低,老化后摩擦系數(shù)值存在突變,從丹江口水電站運(yùn)行20 多年后的原型觀測(cè)來看,摩擦系數(shù)f=0.33~0.38,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范推薦值0.12~0.14,不能保證閘門動(dòng)水閉門運(yùn)行,給工程的安全運(yùn)行帶來極大隱患,故本次設(shè)計(jì)的滑道擬改用承載能力高,低磨損、自潤(rùn)滑性能好的尼龍滑道。埋件不進(jìn)行更換,主體材料擬采用Q235C,改造后啟閉設(shè)備采用高揚(yáng)程固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)QPG630-42 m,可以把閘門從底檻直接提到檢修平臺(tái)進(jìn)行檢修[9]。
原泄洪底孔出口采用錐閥DN1700,改造設(shè)計(jì)經(jīng)方案對(duì)比后更換錐形閥,新建弧形工作閘門。
改造方案為:方案1,重新加工安裝一個(gè)DN1700 錐閥;方案2,新建弧形工作閘門。
對(duì)比方案優(yōu)缺點(diǎn)論證:①依據(jù)原設(shè)計(jì)要求底孔需參與泄洪,若底孔出口采用錐形閥,則進(jìn)口必須設(shè)置攔污柵;②DN1700 錐閥為非標(biāo)系列的閥門,標(biāo)準(zhǔn)系列為DN1600、DN1800 錐閥,采用DND1600 的標(biāo)準(zhǔn)閥門時(shí)泄量不夠,采用DND1800 的標(biāo)準(zhǔn)閥門時(shí)局部會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓,通過調(diào)研后國(guó)內(nèi)需定制生產(chǎn)非標(biāo)的DN1700 錐閥;③錐形閥泄流時(shí)霧化嚴(yán)重;④錐形閥檢修不方便。相比于錐形閥,根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 74-2019)泄水系統(tǒng)工作閘門宜選用弧形閘門[7]。此外,弧形工作閘門可通過控制開度來調(diào)節(jié)下泄流量,并且弧形閘門便于維修利于運(yùn)行管理。
按照各種閘門的工作特性和工作環(huán)境,對(duì)照水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范設(shè)計(jì)防護(hù)措施。達(dá)到安全、有效、經(jīng)濟(jì)、合理的目的初選閘門及埋件的表面防護(hù)措施。
此次改造閘門及埋件按重防腐條件對(duì)待,閘門門體和攔污柵均采用噴鋅防腐,本水庫為飲用水源地,因此面漆采用飲用水專用涂料。埋件和鋼管除銹等級(jí)為Sa2 級(jí),刷涂環(huán)氧富鋅底漆80 μm、環(huán)氧云鐵封閉漆厚度50 μm、飲用水專用涂料200 μm[10]。
閘門支鉸軸、吊耳軸、支承輪軸、連接軸等表面采用鍍鉻防腐,第一層為乳白鉻,第二層為硬鉻,厚度均不小于0.04 mm。固定閘門水封的所有螺栓均采用不銹鋼螺栓,其余螺栓均采用鍍鋅螺栓,螺母均采用鍍鋅處理。
1)大多數(shù)金屬結(jié)構(gòu)改造工程都牽扯到水下作業(yè)施工的問題,水下作業(yè)施工難度大,潛水員水下作業(yè)費(fèi)用昂貴,因此在改造的初步設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮金屬結(jié)構(gòu)安裝的施工組織、設(shè)備、人員和資金的投入,做詳細(xì)的施工組織計(jì)劃。
2)金屬結(jié)構(gòu)改造工程應(yīng)盡量不破壞原水工結(jié)構(gòu),不宜大規(guī)模拆除,以保證原機(jī)構(gòu)的完整性,特別需注意在不破壞或不改建原閘門、啟閉機(jī)等設(shè)備的埋件時(shí),保證新建閘門、啟閉機(jī)滿足原埋件的尺寸要求。
3)應(yīng)特別注意原設(shè)計(jì)各結(jié)構(gòu)所具備的功能,以指導(dǎo)合理化設(shè)計(jì),合理化施工,合理化運(yùn)行。比如具備泄洪要求的結(jié)構(gòu)一定不能在汛期進(jìn)行改造;具備城鄉(xiāng)供水、灌溉要求的,一定要制定合理的停水計(jì)劃表或調(diào)水、補(bǔ)水方案,各方協(xié)調(diào)以滿足在改建期對(duì)水的需求;具備發(fā)電要求的應(yīng)盡量降低因改造停止發(fā)電所損失的經(jīng)濟(jì)效益。
4)金屬結(jié)構(gòu)改造工程不應(yīng)是簡(jiǎn)單的發(fā)現(xiàn)眼前問題就解決當(dāng)前問題,應(yīng)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的打算,超前的意識(shí),應(yīng)將新的設(shè)計(jì)理念、材料、制作加工及施工工藝、設(shè)備應(yīng)用于改造工程中去,否則是禁不起時(shí)間的考驗(yàn)的。