水電站潛沒式弧形閘門結構應力測試與分析

朱晨，徐要偉，于淑敏

(華電鄭州機械設計研究院有限公司，鄭州 450046)

0 引言

閘門是水工建筑物中活動的擋水結構，用于關閉、開啟或局部開啟過水孔口，以控制水位、調節流量、過運船只、排放泥沙等。因此，在水利工程興利除害過程中，閘門是發揮關鍵作用的結構物，它的安全性和適用性，在很大程度上影響著整個水工建筑物的運行效果[1]。高水頭水電站的表孔弧形閘門主要承受上游水載荷，應力測試過程中只需對應變計做簡單防護，便可以達到較好的測試效果。而潛沒式弧形閘門不僅承受上游水載荷，下游回水的載荷同時也對閘門結構產生影響，測試過程中，部分關鍵測點長期浸泡在水中，僅做簡單的防護是不夠的，需對應變計進行防護，以保證測試系統可獲得準確的應力數據，從而評價閘門結構的安全性。

1 測試條件

1.1 閘門參數

某水電站由左岸河床式廠房、攔河閘壩和右岸連接壩等建筑物組成，裝設6臺燈泡貫流式水輪發電機組。攔河閘壩壩段有5孔泄洪孔，共設有5扇弧形閘門?？卓诔叽鐬?3.0 m×16.0 m(寬×高)，底檻高程為528.0 m，正常蓄水位為554.0 m，設計水頭為26.0 m，電站滿發流量尾水位為538.1 m。閘門形式為主橫梁、斜支臂、圓柱鉸，面板曲率半徑為26.0 m，主要材質為Q345B。閘門動水啟閉，可局部開啟。

1.2 測試系統

本次測試采用應變電測法，將電阻應變片粘貼在被測構件的測點處，使其隨同構件變形，將構件測點處的應變轉換為電阻應變計的電阻變化，便可確定測點處的應變，進而按胡克定律得到其應力[2]。測試系統由電阻應變計、應變適調器、動態應變儀及數據存儲設備組成，如圖1所示。電阻應變計采用BE120-4AA(11)型單向電阻應變計、BE120-4BB(11)型雙向電阻應變計及BE120-2CA(11)型三向電阻應變花，應變適調器為DH3810N-1型，動態應變儀為DH5922N型動態信號測量系統，采用1/4橋接法進行測量，并設置溫度補償。

圖1 測試系統Fig.1 Test System

1.3 測點布置

在對弧形閘門運行工況進行基本受力分析的基礎上，結合現場測試經驗，此次應力測試將測點布置于水工鋼閘門的主梁、邊梁、支臂、面板、吊耳等受力構件上[3]。#1弧形閘門結構靜應力測試共布置32個測點，其中上主橫梁6個、下主橫梁6個、面板4個、邊梁2個、吊耳板1個、支臂13個，如圖2所示。

支臂測點布置(視向順水流方向)：閘門右側上、下支臂各布置6個測點(Y1-6—17)，成對布置在支臂翼板和腹板上，褲衩處部置1個測點(Y1-5)；每個測點布置1個單向應變計。主橫梁測點布置：上、下主橫梁跨中及支承部位各布置6個測點；上、下主橫梁翼板各布置2個單向應變計(Y1-1—4)，上、下主橫梁腹板各布置4個三向應變花(Y3-1—8)，測量主梁腹板3個方向的應變，通過計算可得到主應力σ1，σ2及夾角θ。面板測點布置：面板上、下主橫梁跨中及支承部位共布置4個測點(Y2-1—4)；每個測點布置1個雙向應變計，測量0°，90°方向的應變，其中0°為沿主橫梁長度方向，90°為垂直主橫梁腹板方向。邊梁測點布置：側邊梁靠近上主梁處的腹板、翼板各布置1個單向應變計(Y1-18—19)。吊耳板測點布置：左側吊耳板處布置1個三向應變花(Y3-9)。

圖2 應力測試布點位置示意Fig.2 Location of stress test points

1.4 應變計防護

潛沒式弧形閘門運行工況較特殊，在閘門關閉和小角度局部開啟時，閘門部分結構淹沒于下游回水中，部分測點位于水位以下，必須進行有效防護，確保應變計的穩定和采集數據的準確性。測試過程如下。

(1)記錄測試的環境溫度和濕度變化情況。

(2)在應變計試板上粘貼應變計。

(3)對試板上的應變計進行防護。在應變計和接線端子上覆蓋防護涂層，防護涂層由溶劑A和溶劑B混合而成，具體配比根據現場測試的環境條件確定。涂層的厚度和面積根據應變計尺寸確定，試板上的涂層參數(厚度和面積)應和實際布點時保持一致。

(4)模擬現場環境，檢驗防護效果，檢查接線端子是否短路或應變計是否進水。

(5)對試板加載，根據理論值和實測值的差異，確定防護處理后應變計的修正系數(如差異較大，應對實測數據進行修正)。

(6)通過以上步驟對防護方法進行驗證后，采用驗證的參數對實際測點進行防護。

2 測試過程與數據采集

為全面掌握弧形閘門工作狀態的應力分布，考慮潛沒式弧形閘門的特殊工況，此次測試以上游檢修閘門擋水，下游弧形閘門開度為8.5 m時為初始狀態，整個測試過程包含以下3個工況。

工況1：初始狀態，上游水位554 m，上游檢修閘門擋水，弧形閘門開度為8.5 m。此時閘門位于下游回水水位以上，只承受自重載荷，無其他載荷施加。測試系統平衡清零并進入采集狀態。工況2：弧形閘門由初始狀態關至0 m開度。此時下游回水載荷施加于門體。工況3：充水平壓，上游檢修閘門提起出水面。此時上游靜水壓力載荷全部施加于閘門門體，測試數據反映閘門最終狀態應力分布情況，測試完畢。測試結果見表1。

表1 #1弧形閘門應力測試結果Tab.1 Stress test results of No.1 radial gate

表1中：雙向片σx，σy分別對應測點0°方向和90°方向的應力值；三向片σ1，σ2分別為測點最大主應力和最小主應力；θ為最大主應力與應變計0°方向夾角；應力值“-”表示壓應力。

3 數據分析

(1)#1弧形閘門最大靜應力值為-95 MPa，分別位于測點Y1-6(右上支臂從面板向支鉸方向，第1梁格內側翼板上靠近腹板處)和測點Y1-9(右上支臂從面板向支鉸方向，第6梁格腹板上靠近內側翼板處)；面板最大應力點為測點Y2-3(下主梁上部左起第3縱梁與第4縱梁之間面板中心)，應力值為-80 MPa(σx，沿面板寬度方向)；主梁最大靜應力點為測點Y3-5(下主梁左起第3梁格，主梁腹板靠近面板處)，應力值為-78 MPa；邊梁最大靜應力點為測點Y1-18(左側邊梁與上支臂相交處)，應力值為-92 MPa；吊耳最大靜應力點為測點Y3-9(左側吊耳板處)，應力值為-76 MPa。

(2)測試數據表明，弧形閘門的構件中支臂的工作應力相對較大，在運行中應重點關注。

(3)通過對比上、下支臂的應力數據可知，下支臂的應力值較上支臂的應力值小，主要原因是受下游回水施加的反向載荷作用，使其結構偏于安全。

(4)弧形閘門工作狀態下，結構最大應力值為-95 MPa。按NB 35055—2015《水電工程鋼閘門設計規范》的要求，該測點許用應力值為220 MPa[4]，實測值低于許用應力值，滿足要求且安全裕度較大。

4 結論

測試過程中各測點數據穩定，無異常點，說明應變計的防護效果良好，滿足特殊工況下的測試要求。各測點數據的變化趨勢與弧形閘門荷載的變化趨勢一致，說明測試系統穩定。對應測點的數據一致性較好，說明測試效果良好。通過應力測試，掌握了弧形閘門工作狀態下的結構應力分布情況，與許用應力進行對比，評價弧形閘門結構強度安全。