林光輝，李 勤，岳高峰，丁 鵬

(1、水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江杭州310012；2、浙江省水利水電裝備表面工程技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310012)

1 概 述

浙江省曹娥江大閘樞紐工程位于錢塘江下游主要支流曹娥江河口，是我國強(qiáng)涌潮河口地區(qū)第一大閘，是浙東水資源配置的重要樞紐工程，是國家重大水利基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。該工程擋潮泄洪閘閘孔總凈寬560 m，設(shè)計(jì)流量約11 340 m3/s，共設(shè)28孔，單孔寬度為20 m，底板高程為-0.5 m(黃海)。擋潮泄洪閘工作閘門采用潛孔式平面滑動(dòng)閘門，胸墻底高程4.5 m，孔口尺寸20.0 m×5.0 m。

由于曹娥江大閘地處錢塘江河口，建閘面臨強(qiáng)涌潮沖擊、閘下泥沙淤積、海水侵蝕等一系列問題。尤其是錢塘江存在特有的強(qiáng)涌潮，閘門將承受高達(dá)98 kN/m2的涌潮荷載。

拱形桁架式閘門結(jié)構(gòu)是空間管桁結(jié)構(gòu)在水工閘門中首次實(shí)例應(yīng)用，空間管桁結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)閘門中的實(shí)腹梁格作為承重結(jié)構(gòu)，利用構(gòu)件的軸向應(yīng)力取代彎曲應(yīng)力，不僅改善了底緣的過流條件和閘后水流環(huán)繞各構(gòu)件時(shí)的過流條件，而且用鋼量省、提高剛度，也非常符合與生態(tài)水系相適應(yīng)、與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)以及景觀功能等要求。雖然空間管桁結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但在水利工程領(lǐng)域還是首例，且建筑領(lǐng)域和水利領(lǐng)域受荷載情況也很不一樣。將這樣一種新型的閘門結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜的曹娥江河口，是技術(shù)上的創(chuàng)新，必然要求在后期的閘門安全檢測(cè)技術(shù)上較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)閘門有所改進(jìn)和提高。

2 水閘結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境

拱形桁架式閘門包括多榀魚腹形雙拱結(jié)構(gòu)組件和面板。單榀魚腹形雙拱結(jié)構(gòu)組件包括交叉設(shè)置的正拱和反拱，雙拱交叉閉合部分為梭形，交叉開放部分為魚尾形。正拱兩端通過弦桿連接，正拱、反拱、弦桿通過與弦桿垂直的腹桿相連。相鄰各榀魚腹形雙拱結(jié)構(gòu)組件之間通過橫向連接桿連接，橫向連接桿設(shè)置在拱和腹桿相交的節(jié)點(diǎn)附近，各榀魚腹形雙拱結(jié)構(gòu)組件的弦桿外直接焊接鋼制擋水面板(見圖1)。

水閘的工作環(huán)境地處錢塘江下游主要支流曹娥江河口，強(qiáng)涌潮是此河口潮汐的重要特征。根據(jù)涌潮模型試驗(yàn)結(jié)果推薦設(shè)計(jì)涌潮高度3.2 m，閘門上受到涌潮壓力在35～90 kPa；而且曹娥江河口海域來沙豐富，屬于細(xì)粉沙，具有易沖易淤的特點(diǎn)。曹娥江河口地表水Cl-含量高，在干濕交替條件下，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性[1]。據(jù)研究表明[2]，鋼結(jié)構(gòu)在海水環(huán)境會(huì)發(fā)生多種因素的腐蝕：鋼件表面存在各種各樣的缺陷，海水會(huì)加快表面缺陷腐蝕；潮水中的壓力變化較大，容易發(fā)生形變，大應(yīng)力和變形會(huì)加速腐蝕；河口地表水Cl-含量高，導(dǎo)電性好，對(duì)鋼鐵腐蝕性大；河口生物容易使閘門上發(fā)生銹蝕；水流沖擊發(fā)生的物理磨損，加強(qiáng)了極化作業(yè)，加快腐蝕。

圖1 水閘結(jié)構(gòu)示意

3 安全檢測(cè)

3.1 腐蝕檢測(cè)

由于曹娥江大閘處于高氯離子腐蝕環(huán)境，金屬結(jié)構(gòu)的防腐問題非常突出。閘門設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)工程情況，對(duì)閘門劃分潮差區(qū)、浪濺區(qū)和大氣區(qū)，并分區(qū)采用不同涂層進(jìn)行分層多道防腐技術(shù)處理。根據(jù)工程情況，腐蝕檢測(cè)時(shí)需要注意以下兩點(diǎn)：

(1)由于大閘處于河口位置，泥沙、漂浮物、水生物比較豐富，因此腐蝕量檢測(cè)前應(yīng)對(duì)被檢部位表面進(jìn)行清理，去除表面附著物、污物、腐蝕物等。

(2)腐蝕檢測(cè)斷面應(yīng)選取腐蝕相對(duì)較重部位、隱蔽部位。由于曹娥江大閘承重結(jié)構(gòu)由4榀雙拱型桁架結(jié)構(gòu)組成，每榀中由正拱、反拱、弦桿通過腹桿和橫向連接桿焊接組成主框架結(jié)構(gòu)，其中拱腳處節(jié)點(diǎn)和正、反拱相交處節(jié)點(diǎn)是雙拱空間鋼管結(jié)構(gòu)閘門的薄弱環(huán)節(jié)[3]，也是比較隱蔽的位置；因此腐蝕測(cè)點(diǎn)選取注意這些隱蔽關(guān)鍵部位的選擇，視情況宜增加檢測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

3.2 振動(dòng)檢測(cè)

閘門振動(dòng)檢測(cè)包括振動(dòng)響應(yīng)檢測(cè)(位移、速度、加速度、動(dòng)應(yīng)力等)和動(dòng)力特性檢測(cè)[4]。通常情況下，振動(dòng)檢測(cè)是閘門在高水頭下經(jīng)常動(dòng)水操作或經(jīng)常局部開啟工作進(jìn)行的抽檢項(xiàng)目。曹娥江大閘不僅在擋水工況下需要承受錢塘江強(qiáng)涌潮的沖擊，在洪水期調(diào)節(jié)泄量時(shí)也需要局部開啟，因此振動(dòng)檢測(cè)尤為重要。因其結(jié)構(gòu)的特殊性和工況的復(fù)雜性，測(cè)試前方案需要進(jìn)行的反復(fù)斟酌，選取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)和代表性工況對(duì)閘門進(jìn)行試驗(yàn)。

水閘在設(shè)計(jì)階段，對(duì)水閘自振特性和曹娥江涌潮沖擊荷載規(guī)律進(jìn)行了比較詳細(xì)和全面的測(cè)試研究分析[5]，可以看出涌潮沖擊的主頻率在0～1 Hz之間，大閘在閘前正常水位時(shí)最低階頻率為6.8 Hz，兩個(gè)基頻沒有重合，所以水閘不會(huì)引起共振。但是由于曹娥江閘門地域的特殊性，導(dǎo)致它要承受極大的涌潮荷載，在荷載的沖擊下，整個(gè)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生較大的動(dòng)力響應(yīng)，而且經(jīng)過一段時(shí)期的運(yùn)行，水封破壞、門槽條件的改變、設(shè)備運(yùn)行卡阻等情況都有可能存在；因此在安全檢測(cè)中應(yīng)將水閘的動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試分析作為重點(diǎn)，定期觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，觀察結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的變化情況，以便及時(shí)設(shè)備維護(hù)和運(yùn)行調(diào)整。

3.3 應(yīng)力檢測(cè)

曹娥江大閘承重結(jié)構(gòu)由4榀雙拱型桁架結(jié)構(gòu)組成，每榀中由正拱、反拱、弦桿通過腹桿和橫向連接桿焊接組成主框架結(jié)構(gòu)。主要受力構(gòu)件為正拱、反拱和弦桿，三者組成一個(gè)自平衡體系。閘門內(nèi)力分布規(guī)律是正拱和反拱交叉部位、弦桿的端部及腹桿存在一定的彎矩作用，其他部位基本承受拉、壓軸力作用。結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大的部位是在正、反拱相交的正拱管壁上；在雙拱交叉點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的剛度發(fā)生變化，是結(jié)構(gòu)剛度較弱的部位，其相對(duì)位移也較大。

(1)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置和應(yīng)變片形式的選擇時(shí)應(yīng)符合該位置的內(nèi)力情況，對(duì)稱結(jié)構(gòu)如在一側(cè)布置檢測(cè)點(diǎn)外，還應(yīng)在對(duì)稱側(cè)布置適當(dāng)數(shù)量的比照測(cè)點(diǎn)。

(2)在滿足檢測(cè)項(xiàng)目的前提下，測(cè)點(diǎn)宜少不宜多；測(cè)點(diǎn)必須有代表性，應(yīng)選擇高應(yīng)力區(qū)布點(diǎn)，便于分析和計(jì)算；為了保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，應(yīng)布置適量的校核測(cè)點(diǎn)。

(3)對(duì)傳感器應(yīng)預(yù)先篩選分檔，按有關(guān)量測(cè)技術(shù)要求將傳感器固定在測(cè)量部位，并做好絕緣防潮處理。處于水下時(shí)，必須做好防水處理。當(dāng)測(cè)量導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響時(shí)，應(yīng)對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)線電阻修正。連接測(cè)量導(dǎo)線時(shí)，應(yīng)保證連接處接觸電阻穩(wěn)定，并將導(dǎo)線妥善固定。

3.4 無損檢測(cè)

拱形桁架式閘門門葉主體結(jié)構(gòu)分為面板組件、邊梁組件、魚腹梁、主副拱腳、聯(lián)系桿件、吊耳、滑塊、止水系統(tǒng)等八大部分焊接而成。焊縫數(shù)量繁多，而且形式多樣，焊接質(zhì)量要求高。其中正拱、反拱的連接焊縫是三維空間曲線的相貫線焊縫，因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性，生產(chǎn)制造過程稍有不慎，更容易產(chǎn)生焊接缺陷。水閘已經(jīng)經(jīng)過近10年的運(yùn)行，安全檢測(cè)過程中應(yīng)觀測(cè)焊縫質(zhì)量的變化情況，做好記錄檔案，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在隱患。

4 結(jié) 論

鑒于沿海拱形桁架式閘門的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境特殊性，大閘在安全檢測(cè)中應(yīng)注意以下問題：

(1)腐蝕檢測(cè)時(shí)表面污物的清理和檢測(cè)部位的選擇。

(2)閘門振動(dòng)檢測(cè)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注振動(dòng)響應(yīng)檢測(cè)(位移、速度、加速度、動(dòng)應(yīng)力等)，測(cè)試過程保障傳感器和電纜線的固定，避免過度干擾信號(hào)。

(3)應(yīng)力檢測(cè)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)合理選型和布置。

(4)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量檢查，關(guān)注關(guān)鍵部位的焊縫變化情況，做好記錄檔案。

上述對(duì)新型水閘結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)中腐蝕、應(yīng)力、振動(dòng)和無損檢測(cè)等檢測(cè)項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)逐項(xiàng)進(jìn)行探討，提出各部分測(cè)試時(shí)的難點(diǎn)和注意事項(xiàng)，確保安全檢測(cè)有效的開展。