林 良,廖 君（.温州泽雅水库管理站,浙江 温州 3503；.浙江同济科技职业学院,杭州 33）

闸门结构可靠性分析与设计

林 良1,廖 君2
（1.温州泽雅水库管理站,浙江 温州 325023；2.浙江同济科技职业学院,杭州 311231）

摘 要：由于闸门工作环境的特殊性，使得闸门结构设计涉及的因素很多；结合工程实例的具体情况，分析了闸门破坏事故产生的原因，对闸门结构进行了可靠性分析和设计改进；在此基础上，提出了闸门结构设计时应注意的因素。

关键词：闸门；结构设计；可靠性分析

1 前言

闸门结构设计的内容包括结构布置、荷载分析、内力计算以及应力计算等。单纯由于闸门结构强度不足而引起闸门破坏的事故实例比较少见，多数事故是伴随着其他因素的作用而产生的，如运行时出现了较大的动力荷载、制造材质质量低劣、工艺水平较低等。本文结合工程实例，分析了由于闸门的结构设计方面缺陷而引起的事故，并结合实际进行了改进。

2 分洪闸弧形闸门破坏事故

2.1 工程简介

该分洪闸是水流改道工程中的大型水闸，水闸计23孔，分设有10m×5m-5m弧形闸门，1＃～11＃孔为预应力钢筋混凝土弧形闸门，12＃～23＃孔为钢筋混凝土薄壳弧形闸门。均选用QPQ2×75kN卷扬启闭机，按一机启动3扇闸门的方式配置（其中10＃、11＃孔为一机启两门）。平时闸门操作频繁，事故发生前经受的最大水头为3.98m。

薄壳弧形闸门的结构型式比较复杂，钢筋混凝土斜支臂的上下两根肢杆支撑着上下两根横梁，挡水面板在横梁之间为带肋筒壳，在上横梁以上为加肋板。计算筒壳时，纵向简化为双悬臂梁，按材料力学公式计算其纵向应力；横向采用折板代替圆弧筒壳，两边固定在上下横梁处，用力矩分配法计算横向弯矩及应力。计算结果，纵向拉应力及主拉应力均小于4.2MPa。据此，设计上采用板厚50mm，截面中央配一层φ4mm钢筋网。

2.2 事故概况

某日，上、下游水位分别为3.02m、- 0.85m，管理人员看到水漫门顶后，即启动15＃～20＃诸孔闸门泄水，约2min后(闸门开度约0.4m)，15＃门叶壳面突然穿洞射水，同时发出很大的响声，工作桥振动强烈，桥上启闭钢索跳动不已，幅度达到200mm左右。管理人员慌忙停机，几分钟后，其他人员闻声赶来，打开全部闸门。在启门过程中，由于振动强烈，12＃、13＃、14＃、15＃及16＃诸门叶壳面均被振破，穿洞射水。孔洞均位于门叶中央偏下方，面积均在lO㎡以上，典型的破坏情况如16＃闸门门叶，见图1。门叶骨架基本完好，部分横隔板、拱肋、下横梁及支臂竖杆虽有裂缝，但不严重。

2.3 事故分析和处理

破坏原因是由于筒壳部分强度不够引起的。设计中结构计算方法过于简化，不能真实反映筒壳的受力情况，且配筋量太小，布筋也不尽合理。在筒壳和上下横梁及横隔板交接处，应力情况比较复杂，一般都需要特别加强处理，而设计中并未予以重视。因此在闸门投入运行后不久，在筒壳的四周便出现了密集的裂缝，典型情况如18＃闸门门叶，见图2。有的裂缝贯穿壳面，下游可见湿痕，这些裂缝一旦遇到强烈振动，极易破碎崩溃，这是原因之一。

其次是塘尾分洪闸在闸门小开度泄水时，下游形成淹没水跃，漩滚直接冲击门叶，产生了很大的动水作用力，激起门叶振动，促使已经开裂的筒壳面板发生破坏。

事故后，把12＃～23＃诸孔门叶的筒壳面板全部改为钢丝水泥网结构，在中央处增设两道横隔板以加强筒壳稳定性。对所有裂缝作了适当修补，并改善了底止水及底缘形式。

闸门修复后运行多年，情况良好。

3 水库溢洪道弧形闸门破坏事故

3.1 工程简介

该水库的溢洪道共计5孔，采用双扉式闸门，其布置见图3。下扉为10m×9m - 13m潜没式弧形闸门，实腹式双主横梁、斜支臂焊接结构，球形铰。上扉为10m×4m -4m露顶式弧面定轮闸门，实腹式双主横梁，用2×375kN弧形门启闭机操作。闸门的操作程序是：开门时先提升下扉，当开度达到7,5m左右时，下扉的吊座接触到上扉的底部，随后便连同上扉一起上升。关门时则相反。上扉犹如活动胸墙。

溢洪道建成后，由于水库库容较小，故运用比较频繁，且闸门大都在局部开启条件下运行。闸门发生事故前，每孔闸门的开门泄水累计总时数均在10000h以上。如5＃门在事故前曾操作587次，运行10480h，3＃门则更多，操作次数达961次。

3.2 事故概况

（1）某日，溢洪道门前水头12 .76m，当5＃门提升到0.76m时，突然一声巨响，弧形闸门右支臂上下肢杆在中部(离主横梁连接点约3.5m)向下弯曲，左支臂随之扭曲破坏。左右两支臂与支铰相连的螺栓全部拉断，两个吊座从门叶上撕下，门叶翻转，连同支臂被水流冲到下游。事后检查发现支承牛腿的混凝土表面有裂缝；上扉闸门的右下角变形，向上游位移约10cm。

（2）某日，库水位与门顶齐平，并仍在继续上涨，乃开门泄洪。先提2＃门，开度0.5m。接着提升3＃门，当开到0.34m时，突然一声巨响，弧形闸门右支臂在离主横梁约3.5m处，上、下肢杆向下弯曲、断裂，随之左支臂上、下肢杆也在离主横梁约3m处分别向上、向下弯折。左支臂与支铰的6个连接螺栓拉断5个，残留的一个螺栓将一截肢杆挂在牛腿上。右支臂与支铰的连接螺栓全部拉断，门叶连同支臂被水流冲到下游。启闭机卷筒上的钢丝绳压板受钢丝绳牵动，转向90度，钢丝绳被拉断后随门叶冲走。左、右牛腿均有深度不大的裂纹。上扉闸门左下角，距闸墩0.8m处，向上游方向凸出100mm左右，变形范围约300mm。

3.3 事故分析及处理

事故的主要原因是支臂强度不足。经核算，仅静水压力一项，支臂应力已达到158.4MPa。支臂肢杆为箱形截面，翼缘板宽300mm（竖直方向），腹板高664mm(水平方向)，在长约9.5m的支臂全长间虽有4根竖撑杆，但断面过小（为I20工字钢），且均直接焊接在腹板上，起不到增强支臂在平面内稳定的作用。闸门局部开启时，容易产生振动和由此引起的动应力。

其次，失事后对支铰位置作了量测，3＃、5＃门的左右支铰不同心、铰轴偏斜，误差均已超过了安装容许值，且是5套闸门中误差最大的2套，因此对支臂还会产生相当大的安装应力。

第一次事故后，因未作事故原因分析，仅按原设计图纸重制了一套新门。第二次事故后，重制3＃门时改进了支臂的结构设计，大幅度提高了支臂结构的强度，同时对其他各孔闸门也更换了支臂。

加固后，运用情况正常。

4 水电站溢流坝弧形闸门破坏事故

4.1 工程简介

该水电站的溢流坝上设有4孔9m x12m -11.8m弧形闸门，采用实腹式三主横梁、三肢斜支臂焊接结构，钢材牌号SS-41。选用固定式卷扬启闭机操作，门叶构造见图4。靠近电站引水口的44孔为排漂孔，其弧形闸门的顶部附设有排漂小门。

弧形闸门的结构比较单薄，门重37t，按孔口面积计算，单位孔口面积的门重仅0.34t /m2，较一般常见的弧形闸门约轻19%，属于轻型结构。

4.2 事故概况

建成当年开始蓄水，很快达到正常高水位。随后一般用3＃门作小开度泄水，调节库水位以维持在120.5m高程，最大开度为0.5m。

4.3 事故分析及处理

事故调查除现场调查外，还进行了现场水压试验、门叶材质分析及结构计算。调查结果认为破坏的原因是由于门叶支臂过于单薄，强度不足，在水压力的作用下失稳而破坏。

门叶支臂为三肢杆斜支臂，肢杆节间连接构件只有竖撑杆，整体性差。经验算，按两端铰接分析的压杆长细比分别为λ上肢为208，λ中肢为174，λ下肢为163，均已超过规范规定的容许长细比[A]为120。另外，实测到14、28门叶支臂各肢杆均有因构件自重而产生的初始挠度10～20mm，这对压杆设计来说，是一个不容忽视的原因。计算表明，支臂支杆因水压力而引起的应力，在无初始挠度时为75～80MPa,而有初始挠度时为180～200MPa。

实验测得门叶支臂肢杆的轴向压力为59.2 MPa(上肢)及72.6 MPa(下肢)，弯曲压力为41.6 MPa(上肢)及52.3 MPa(下肢)。按计算规范核算，其合成应力已超过压杆容许应力的4.3倍(上肢)及3.5倍(下肢)。

从门叶构造上考虑，支臂肢杆间的竖撑作用不大。底部止水为方形，外形不理想，在小开度泄水时，会引起较大的振动。试验表明，弧形闸门在这种场合，正处于动力不稳定区域。

事故后，对4孔闸门作了全面的改造和加固处理。

5 结论

结合工程实例的分析，闸门的结构设计应注意以下几点：

（1）闸门的结构布置要结合土建、机械等方面的情况全面考虑，布局要合理，作用力的传递途径要明确，结构的计算图式要尽可能符合闸门真实的工作状况。

（2）要充分了解闸门未来的运行工况，对作用在闸门上的各类荷载和力要分析正确，当存在有可能发生较大而又无法精确估算的作用力，特别是动水作用力时，结构布置和安全度的选取要特别慎重。

（3）闸门结构的各类构件都要有足够的强度、刚度和稳定性。

（4）结构的节点布置十分重要，要简单明快，过分繁琐复杂的节点容易引起各构件相互牵制，作用力不明确，形变能力低，容易引起应力集中和复杂的应力状态，不利于闸门结构的工作。

（5）当套用现成的工程设计或标准设计图纸时，要对原设计的设计条件和运行要求作深入了解，要尽可能去实地现场考察该闸门的实际制作情况和运行情况，必须杜绝盲目套用设计图纸的做法。

参考文献：

[1]范崇仁等.水工钢结构(第二版)[M].北京:水利电力出版社 ，1988.

[2]刘惟信.机械可靠性设计 [M] .北京: 清华大学出版社，2006

作者简介：林良（1962-）,浙江温州人，大专，助理工程师，从事水利工程技术管理与维护工作。