水工金属结构安全检测问题研究

水工金属结构安全检测问题研究段晓惠汪术明黄鸣钊[摘要]水工金属结构安全检测对于运行几十年的水利工程来说十分必要，但在实施过程中有许多实际问题还需研究，如怎么得到设计荷载情况下的检测问题。作者认为原型试验和回归分析不失为解决这一问题的有效手段，并进一步提出尚需考虑闸门启门力检测中的时间效应问题，门机应力检测中自重应力问题，作为引玉之砖，有待今后研究、解决、完善。[关键词]安全检测设计荷载原型试验丹江口水利枢纽一、概述水工金属结构安全检测是判断水电站金属结构运行安全度的重要手段，对于运行几十年的老设备尤为重要。安全检测是运用电测技术对运行中的设备进行检测。检测的主要项目有结构应力、结构变形、闸门最大启门力、裂纹、腐蚀等，其中起控制作用的是结构应力和闸门最大启门力，必须保证在设计荷载情况下结构的最大应力不大于材料的容许应力，闸门的最大启门力不大于启重机的设计起重能力。否则将是不安全的，需要采取措施对设备进行加固、改造，甚至将设备报废、更新。二、问题的提出但在实际的安全检测中，由于客观条件（如来水量、水库运行条件）的限制，库水位一般都低于正常蓄水位，更低于设计水位，因此闸门的实际工作水头低于设计水头，达不到设计荷载，这时检测的应力、启门力等数据都较小，肯定是在安全范围以内，不能作为安全鉴定的依据。这时只好采用理论计算来弥补安全检测的不足。在理论计算时，发现计算结果与实际情况存在较大的误差：⒈对于闸门最大启门力计算来说，方法是在现有水位条件下测出启门力，计算出滑道支承的静摩擦系数，再利用这个系数值反演计算闸门在设计水头时的最大启门力，从而达到目的。实际上，这个计算结果肯定是不准确的，问题就在于把摩擦系数作为了一个常数。笔者在丹江口水利枢纽进行过多次原型试验，发现闸门滑道材料的静摩擦力并非常量，而是变量。它与闸门工作水压力负相关，水压力越大，静摩擦系数越小，见表1。表1复合材料滑道静摩擦系数测试库水位（m）平均线压强（kN/cm）静摩擦系数152.8112.90.033151.8411.60.039150.209.50.048149.308.30.053以上可以看出静摩擦系数值随水位变化非常大，因此用一个固定不变的系数来计算各种水位情况下的启门力是不符合实际情况的。另外静摩擦系数的变化还体现在闸门静止承压时间上，它与静止承压时间正相关，即在相同水压力下，承压时间越长，静摩擦系数越大。通常把这种关系称作时间效应。见表2。表2复合材料滑道时间效应测试（库水位：148.80m）承压时间10分40分60分6小时6天5个月静摩擦系数0.0700.0710.0780.0830.0860.096从表2可以看到在相同水位情况下，5个月的承压与10分钟短期承压相比静摩擦系数显著增大，增加幅度达37%，显然闸门启门力也会大幅增加。这种时间效应的作用在闸门实际运行中是经常发生的，因为闸门静承压时间一般都大于半年，因此安全检测时对这种现象应充分加以考虑。⒉对于闸门应力计算来说，一般都是利用计算机程序进行，但实践证明计算结果往往与实测结果有很大差距，仅仅只能作为参考。这是因为理论计算时一些条件作了一些假定和简化，同时设备经过几十年的运行，钢材腐蚀严重，存在老化现象，与当初的设计情况有所不同，这些因素在理论计算中无法精确考虑。鉴于以上分析，理论计算与实际情况有较大出入，设备的安全检测应以现场试验为主，以实测数据作为安全度判断依据，理论计算的结果作为参考、对比。三、解决问题的措施上面提出的问题是安全检测试验应该在设计荷载条件下进行，而实际库水位总是低于设计水位，这是一个无法避免的矛盾。因此为了使安全检测更科学、更符合实际，必须采取一定的实验方法来模拟设计荷载的情况。丹江口水利枢纽堰顶闸门最大启门力测试的原型试验是采用数理统计分析的方法进行的。利用检修闸门与工作闸门之间的空腔，分别充入不同水位的水体，检测出相应的启门力，得到若干组水位和启门力的相关数据（数据越多越好）。具体处理时以启门力为横坐标，以水位为纵坐标，将水位和启门力的各组数据标在坐标图上，然后对这些数据作回归分析，计算出回归方程（具体计算方法参考统计学专业书籍），找出水位与启门力的相关关系，通过外延计算，就可以得出设计水位下的闸门最大启门力。丹江口水利枢纽15左堰顶闸门上游水位H与启门力N关系图如下：从上图中可以看到相关系数R高达0.965，说明启门力N与水位H的相关性非常好，这样计算得出的结果可信度较高，与实际情况相符。测试闸门的应力和变形也可以类似的应用上述方法。丹江口水利枢纽水工金属结构安全检测，利用了上述原型试验的方法取得了较好效果，为大坝安全鉴定提供了依据。四、结语水工金属结构安全检测是近几年逐步开展起来的一项工作，在实践中还存在一些问题有待研究，一些检测方法还有待完善，比如闸门滑块材料时间效应问题，门机应力检测时自重应力问题等，都应作进一步研究、解决，使之得出的检测数据更加准确，得出的安全评估结论更加科学、更加符合实际。H=0.0259N+112.32R=0.965014014314614915215510001200140016001800N(kN/cm)H(m)