马蹄滩水库金属结构安全性评价

第３３卷第４期　西华大学学报（自然科学版）　２叭４年７月　Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．４　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ・Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｊｕ１．２０１４　・能源与环境・　马蹄滩水库金属结构安全性评价　杨耀，付成华　（西华大学能源与环境学院，四川成都６１００３９）　摘要：结合马蹄滩　程，对水库金属结构进行设计复核计算，分析并评价其在特征水位工况下的安全性。结　果表明：冲砂孔工作闸门的强度、刚度均满足规范要求，但在运行过程中应加强监测；取水口工作闸门的强度不满　足规范要求，刚度满足规范要求，建议更换闸门；取水口拦污栅栅条强度、稳定性均满足规范要求，安全稳定。研究　结果可为同类水利工程的安全评价提供借鉴，为制订水库的除险加固措施提供参考。　关键词：大坝；金属结构；闸门；安全评价　中图分类号：ＴＶ３４　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３—１５９Ｘ（２０１４）０４—０１０９—０５　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—１５９Ｘ．２０１４．０４．０２４　Ｓａｆｅｔｙ　Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　Ｍａｔｉｔａｎ　Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ＹＡＮＧ　Ｙａｏ．ＦＵ　Ｃｈｅｎｇ—ｈｕａ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＥｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｘｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３９　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　Ｏｉｌ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｏｆ　Ｍａｔｉｔａｎ　ｄａｍ，ｔｈｅ　ｃｈｅｃｋ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｃａ￣ｉｅｄ　ｏｕｔ　ｏｎ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ　ｓｔｒｕｃ—　ｔｕｒｅ　ｕｎｄｅｒ　ａ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅ１．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｓｌｕｉｃｅ　ｇａｔｅ　ｃｏｎｆｏｒｍｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ，ｔｈｅ　ｇａｔｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　ｉｎ　ｓｅｒｖｉｃｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｇａｔｅ　ｄｉｄ　ｎｏｔ　ａｃｃｏｒｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄａｍ　ｉｎｔａｋｅ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｍｅｔ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇａｔｅ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ　ｒｅｍａｉｎｅｄ　ｈｉｇｈ　ｓｔａｔｕｓ，ａ　ｎｅｗ　ｇａｔｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｔｒａｓｈ　ｒａｃｋ　ｈａｄ　ａ　ｇｏｏｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｈｈｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ　ｗａｓ　ｈｉｇｈ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｕｐｓｔｒｅａｍ　ｏｆ　ｄａｍ．Ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｍａｙ　ｏｆｆｅｒ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｕｎｓａｆｅ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ．Ｔｈｅｓｅ　ｆｉｎｄｉｎｇｓ　ｃａｎ　ｈｅｌｐ　ｕｓ　ｔｏ　ｅｖａｌｕａｔｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｌｏｏｄ　ｓｅａｓｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄａｍ；ｍｅｔａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｇａｔｅ；ｓａｆｅｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　中小型水库大坝是我国水利工程基础设施的重　竣工验收后５年内进行，以后应每隔６～１０年进行　要组成部分，它们在发电、防洪、灌溉、排涝、航运和　一次　Ｊ。大坝安全评价是大坝安全鉴定的首要程　生态环境保护等方面起着重要作用。２０世纪５０年代　序，金属结构安全评价又是大坝安全评价的重要组　以来，我国陆续建成大大小小的水库数万座，由于当　成部分之一。大坝金属结构作为大坝的重要组成　时经济技术落后，大多数］　程施工条件差、施工质量　部分，对水库的安全运行起着至关重要的作用。金　不高，建成后运行管理经费不足，运用管理水平较低，　属结构在长期的使用过程中会发生锈蚀、变形与破　给大坝的安全运行带来了安全隐患。加上几十年的　损，特别是水工钢闸门，经常在水下或干湿交替的　运行，水库的各种病险相继出现，例如防洪能力不足、　环境中运行，受到周围各种介质的侵蚀，锈蚀问题　大坝填筑质量不良、裂缝、渗流、稳定性不足、抗震能　更为严重与突出　；因此，进行金属结构的设计安　力不足、金属结构和启闭机锈蚀老化等¨　，这些都严　全复核对评价大坝的安全运行具有重要意义。　重威胁水库大坝的稳定与安全。　本文以马蹄滩水库为研究对象，对其金属结构　为保证水库大坝安全稳定运行，水利部下文要　进行设计复核验算，可为同类工程的安全评价提供　求大坝实行定期安全鉴定制度，首次安全鉴定应在　参考　收稿目期：２０１３—１２—２４　基金项目：西华大学水利水电　程校级重点学科资助项目（ＸＺＤ０８１５—０９）。　作者简介：杨耀（１９６８一），女，副教授，硕士，主要研究方向为水＿［结构Ｔ程。　ｌｌ０　西华大学学报・自然科学版　１　工程概况　马蹄滩水库地处四川省广元市柏林沟镇马蹄　滩村，以发电为主，同时担负库区１３个渡口的航运　以及向下游两河水电站供水的任务。拦河大坝为　浆砌条石重力坝，最大坝高３０　ＩＤ，坝长２６８　ｍ，电站　是冲砂孑Ｌ工作闸门、取水口工作闸门和拦污栅，因　长期位于水下，锈蚀速度更快。加之检修作业环境　条件恶劣，使得日常维护管理工作不够到位。其间　还受到“５．１２”大地震的影响，水库工程的各组成部　分可能存在较大的安全隐患。为确保工程的安全　运行，需对金属结构的安全性进行评价。　装机容量５６０　ｋＷ。水库正常蓄水位５４９．８５　ｍ，原设　计洪水位５５２．５５　ｍ，原校核洪水位５５３．５５　１３１。工程　于１９６４年动工兴建，１９７３年第１台机组投产发电。　２　计算条件和计算方法　２．１计算条件　马蹄滩水库建库４０年来，洪水系列年限较当初　设计依据系列已延伸，洪水过程亦增加了新的情　况，这使得水库按现行规范复核计算得到的特征水　位也较设计时发生了改变。金属结构设备的运行　按照现行ＳＬ４４－－２００６（（水利水电工程设计洪水　计算规范》计算，马蹄滩水库复核设计洪水位为　５５３．４５　ｍ，复核校核洪水位为５５４．６６　１７１，分别比原　相应水位高０．９０　ＩＹＩ和１．１　１　Ｉｌｌ。冲砂孔底板高程　５２８．５５　ｉｎ，取水口底板高程５３４．５５　ｍ　。金属结构　时间超过了规定的折旧年限，随着运行时间的增　加，这些设备会产生不同程度的锈蚀与磨损。尤其　设备特性见表１。　表１　马蹄滩水库金属结构设备技术特性　由于篇幅限制，本文仅以冲砂孔工作闸门、取　根据《水利水电工程钢闸门设计规范》　ｊ，对于　大中型工程的工作闸门和重要事故闸门，容许应力应　乘以０．９０～０．９５的调整系数。此外，《水利水电工程　金属结构报废标准》　规定，对在役闸门进行结构强　度验算时，容许应力应乘以０．９０～０．９５的使用年限　水口工作闸门、拦污栅为例进行设计洪水位和校核　洪水位条件下的设计复核计算。　２．２计算方法　金属结构的安全评价计算公式　如下：　１）面板厚度计算公式为　…　修正系数。此闸门已在役４０年，修正系数取０．９０。　２）弯应力强度计算公式为　…　式中：ｋ　为弹塑性薄板支承长边中点弯曲应力系　数；Ｏ／为弹塑性调整系数，当ｂ／ａ≤３时，Ｏｌ＝１．５，当　式中：　…为弯矩；Ｗ为截面抵抗矩。　ｂ／ａ＞３时，口＝１．４，其中０、ｂ分别为面板计算区格　的短边和长边长度，ｍｉｌｌ，从面板与主（次）梁的连接　３）剪应力强度计算公式为　５　焊缝算起；Ｐ为面板计算区格中心的水压力强度，　Ｐ＝０．００９　８　ｈ　Ｎ／ｒａｍ。，瓦　式中：Ｖｍ　为剪力；ｓ为半截面面积矩；，（１为截面惯性　其中ｈ为面板区格中心处的　水头，１ＴＩ；［　］为钢材的抗弯容许应力。　矩；ｔ　为腹板厚度。　第４期　杨耀，等：马蹄滩水库金属结构安全评价　４）折算应力计算公式为　来的设计尺寸也能满足闸门面板稳定所需的厚度　ｏｒ：＾＝４，／　＋（　一　）　一　（　一　）　式中：　幻０　；　ｍ　；　一　。　要求，为了保证闸门的安全运行，应加强实时监测；　校核工况下，计算出的折算应力、面板厚度（８．４　ｍｍ）亦能满足要求。此外，从表中还可以看出，无　论是设计工况还是校核工况下，主梁弯曲应力、剪　应力、挠度均小于容许值，满足规范要求。　５）挠度计算公式为　——～５　ｑＬ　Ｌ——３８４　Ｅ１　●－。　—一　３．２取水口工作闸门计算结果分析　取水口工作闸门形式为潜孑Ｌ式平面钢闸门，门　６）栅条整体稳定的临界荷载计算公式如下：　受均布荷载的简支粱，　：　４／Ｅ－－［ｙＧＩｅ一　受均布荷载的悬臂梁，　一：　　７　２Ｖ　Ｊ厕Ｙ　ｕ　　ｄ　式中：ｐ　为栅条整体稳定的临界荷载；，　为截面对】，　轴惯性矩，　＝硒　／１２；，　为截面抗扭惯性矩，　＝　硒　／３；Ｅ为钢材的弹性模量；Ｇ为钢材的剪切模量；ｚ　为栅条的跨度；ｈ为栅条断面高度；　为栅条断面　厚度。　３　计算结果分析　３．１　冲砂孔工作闸门计算结果分析　冲砂孑Ｌ工作闸门形式为潜孔式平面钢闸门，门　叶计算结果见表２。　表２冲砂孔工作闸门门叶主要构件计算结果　由表２可知，设计工况下，面板折算应力的计算　值为８２．８　ＭＰａ，小于容许值２２５．７　ＭＰａ，经计算出的　面板厚度（８．２　ｍｍ）小于原闸门面板设计厚度　（１０　ｍｍ），这说明在复核设计洪水位下，即使采用原　叶计算结果见表３。　表３取水口工作闸门门叶主要构件计算结果　由表３可知，在设计工况和校核工况下，面板折　算应力的计算值分别为２１０．２　ＭＰａ和２２４．４　ＭＰａ，　与容许值接近。经计算２种工况下的面板厚度分别　为１４．３　ｍｍ和１４．８　ｍｍ，均超过原闸门面板设计厚　度（１２　ｉＴｌｍ）。这说明在复核设计洪水位和复核校核　洪水位情况下，采用原闸门面板设计厚度已不能满　足面板稳定要求。此外，从表３看出：２种工况下，　主梁弯曲应力、剪应力、挠度均小于容许值，满足规　范要求；但２种工况下次梁弯曲应力分别超出容许　值１７．３％和２５．４％，不满足规范要求。　３．３拦污栅计算结果分析　取水口拦污栅形式为潜孔倾斜式，栅叶结构主　ｌ１２　西华大学学报・自然科学版　２０１４正　要材料为Ｑ２３５，计算结果见表４。　表４栅叶主要构件各项指标计算结果（设计水头差４　ｍ）　测，且不宜继续长期使用；取水口工作闸门刚度满　足规范要求，强度不满足规范要求，存在较大的安　全隐患，应更换闸门；取水口拦污栅栅条强度、稳定　性均满足规范要求，结构安全。　３）通过对该中型水库金属结构的设计复核计　算，其结果可为运行中的同类水利工程的安全评价　提供借鉴，在水库除险加固措施的制定方面具有一　定的参考价值。　参　考文　献　［１］张国栋，李雷，彭雪辉．基于大坝安全鉴定和专家经验的病　由表４可知，设计复核后的栅条弯曲应力、剪应　力计算值分别为９Ｏ．００、７．７５　ＭＰａ，小于容许值。悬　臂和跨中的整体稳定安全系数分别为２．８７和６．３０，　大于其容许值。即取水口拦污栅栅条经复核计算　险程度评价技术［Ｊ］．中国安全科学学报，２００８，１８（９）：１５８—１６６．　［２］水建管［２００３］２７１号水库大坝安全鉴定办法［Ｓ］．北京：水　利水电ｍ版社，２００３．　后，各项计算指标均没有超过容许值，其强度、稳定　性均满足规范要求，不存在安全问题。　［３］周力．水工钢闸门的检测及强度计算［Ｊ］．中国农村水利水　电，２００７（１）：９７—９８．　４　结　论　１）金属结构安全评价是大坝安全评价的重要　［４］西华大学．马蹄滩电站大坝安全复核报告［Ｒ］．成都：两华　大学，２０１２．　［５］ｓＩＪ７４一ｌ９９５水利水电　程钢闸门设计规范［Ｓ］．北京：水利　水电出版社，１９９５．　组成部分，对于多年运行的病险水库，金属结构的　设计复核对评价大坝的安全运行具有重要意义。　２）经过复核计算，该工程冲砂孑Ｌ工作闸门的强　［６］ＳＬ２２６－－１９９８水利水电工程金属结构报废标准［Ｓ］．北京：　水利水电出版丰十，１９９８　（编校：夏书林）　度、刚度均满足规范要求，但面板计算厚度接近原　面板实际厚度，在闸门运行过程中应加强实时监　●●◆●◆◆◆◆●●●●●●◆◆●◆◆◆◆◆●◆◆●●◆●●●●●●●●●●●◆◆◆●◆◆◆　（上接第１０３页）　中国科学技术大学，２００９．　Ｔｅｓｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｃｏｎｏｍｉｃ　Ｓｕｒｖｅｙｓ，２００６（７）：３０５—３６６．　［８］Ｈａｍｉｌｔｏｎ　Ｄ．Ｔｉｍｅ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｍ］．Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ：Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ．１９９４：２９—３３．　［５］罗应婷．ＳＰＳＳ统计分析从基础到实践［Ｍ］．北京：电子工业　出版社，２００７：２８５—３００．　［９］刘润幸．利用ＳＰＳＳ进行主成分回归分析［Ｊ］．中圈公共卫　生，２００１（１７）：７４６—７４８．　［６］胡永宏．综合评价方法［Ｍ］．北京：科学出版社，２０００：　５７—６３．　（编校：夏书林）　［７］Ｂｅｒａ　Ａ，Ｈｉｇｇｉｎｓ　Ｍ．ＡＲＣＨ　ｍｏｄｅｌｓ：Ｐｒｏ—ｐｅｒｔｉｅｓ，Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ