某水庫潛孔弧形閘門失穩事故分析

張懷仁，古小七，洪 偉，盛旭軍，鄭 莉，孔垂雨

(1.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044；2.水利部綜合事業局，北京 100053)

2019年9月中旬，建成于20世紀70年代并于2002年進行除險加固的陜西某水庫潛孔弧形工作閘門發生失穩事故(以下簡稱事故工作閘門)。事故經過為：水庫進入主汛期后遭遇連續強降雨，庫水位快速上漲并超過汛限水位，為保證水庫安全，按上級防汛指令提閘泄洪，操作人員按“啟門”按鈕，閘門開度至50cm時運行正常。排沙5min后按“閉門”按鈕關閉閘門時，當閘門閉門開度至3cm時，開度儀數據未變化，液壓站壓力表顯示管道壓力正常，此時，一聲巨響從閘門底部傳來，閘室鋼蓋板巨烈震動，開度儀無規律跳動，按“緊急停止”按鈕無變化，閘室檢修平臺檢修口有水涌出并迅速上升至液壓缸體。此次事故雖未造成人員傷亡，但作為肩負著下游一個約30萬人口城市生活供水的唯一水源地，給當地人民群眾生產生活造成重大影響。

我國是世界上水庫數量最多的國家，但受客觀因素影響，病險水庫數量大，安全隱患多是當前我國大壩安全管理中最突出的問題，金屬結構和機電設備不安全是我國水庫安全的主要問題之一[1-4]。水工金屬結構是水利樞紐正常有效運行的重要組成部分，其功能主要是攔截水流、控制流量、調節水位、排放漂浮物等[5-6]。弧形閘門相較于水工金屬結構中其他型式的閘門具有啟閉省力、運轉可靠、受力合理、流態良好等諸多優點，是當前水工金屬結構中應用最廣泛的門型之一。水利工程建設者們通過大量的工程設計和建造經驗避免閘門失穩事故的發生，但國內外依然存在一些弧形閘門失穩案例，如陜西某渠首沖刷閘、遼寧渾河攔河閘、美國阿肯色河航運系統的閘門遭到破壞等[7-9]，閘門失穩不僅會危及下游人民群眾的生命財產安全，往往還會造成巨大的經濟損失，據不完全統計，近年來我國已有近30起弧形閘門失穩破壞的實例[10]。因此，對該事故工作閘門進行了現場檢測與復核計算，分析事故原因，為其他相關工程安全運行提供借鑒。

1 事故工作閘門檢測數據

為分析事故原因，檢測人員對該事故閘門及配套的液壓啟閉機進行了巡視檢查、外觀檢測、腐蝕檢測、材質檢測、安裝幾何位置測量等現場檢測。經現場檢測發現，該事故工作閘門左右側支臂在靠近支鉸軸約0.9m處出現扭曲變形。檢測人員對事故工作閘門支臂材質(牌號為Q235B，型號為20A槽鋼)進行化學成分分析和力學性能檢驗，檢驗結論為“合格”(檢測結果見表1)，對閘門安裝空間位置(未受可見性破壞部分)進行三維坐標測量，檢測結果顯示事故工作閘門左右兩支鉸軸的同軸度為16.9mm。

表1 事故工作閘門化學成分與力學性能檢測成果表

2 事故工作閘門復核計算數據

有限單元法是通過對連續結構進行有限數目的離散化，有效地分析復雜結構、處理復雜問題的數值計算分析方法。其原理是把連續的整體結構劃分為有限數量的單元體，將單元富有代表性的點(一般為端點)設置為結點，從而使得相鄰單元具有連續性，構成一個整體來代替原有的連續型結構[11-12]。

事故工作閘門主要由面板、主橫梁、次梁、主縱梁、橫梁后翼板、上支臂、下支臂、支臂間連接梁、裙板及支鉸等金屬結構件組成。閘門孔口尺寸為2.0m×2.4m(寬×高)，設計水頭為41.33m，校核水頭為46.34m，面板總水壓力為2810.8kN，閘門為單節弧形門葉，雙支臂，門葉頂部設置單吊點吊耳，閘門門葉及吊耳、支臂等主要結構材料為Q235B鋼(支臂為槽鋼)，閘門主提升啟閉機為320kN單吊點液壓式啟閉機，閘門工作方式為動水啟閉。

2.1 三維實體模型

根據弧形閘門結構設計，在SolidWorks中建立事故工作閘門三維實體模型并導入ANSYS進行網格劃分及邊界條件設定。閘門整體采用實體單元進行網格劃分，單元劃分按閘門結構布置上的特點采用自動網格劃分，由ANSYS網格處理模塊面板、主橫梁腹板翼板、主縱梁腹板翼板、吊耳板、支臂、支臂裙板等規則構件離散為八節點六面體實體單元，部分不規則板件(如支鉸座、活動支鉸及支鉸軸等)由網格劃分器自動離散為Solid187四節點四面體單元。實體之間接觸的部分在前處理系統中通過印記面(Imprint Face)的形式，使模型在劃分網格的時候，對共享印記面的部分劃分為接近相同的網格，從而使總裝配體模型中各個子模型的相鄰節點實現共享或在接觸面中實現較好的綁定，這樣可避免在有限元計算過程中，通過接觸而相鄰的兩個模型因接觸面節點不一致而出現局部單元剛性過大的情況，通過劃分較為細密的網格來保證較高的計算精度(三維模型如圖1所示)。

圖1 事故工作閘門全實體三維模型

在ANSYS環境下，閘門模型坐標系設定如下：坐標原點設置在弧形閘門面板底部中間結合處中點部位，x軸正向為垂直水流向，z軸正向指向水流下游方向，y軸正向指向重力反方向，x軸、y軸、z軸符合笛卡爾坐標系右手螺旋法則。網格劃分綜合考慮所校核閘門幾何尺寸以及計算機計算資源與計算精度的平衡性，設置網格大小為20mm。劃分完成的網格質量，大部分網格的長寬比(Aspect Ratio)為1～10.8，雅各比比率(Jacobian Ratio)為1～6.3，翹曲系數和平行度偏差在合理范圍內，網格質量較好。

2.2 約束邊界條件

事故工作閘門正常擋水工況下的載荷和約束施加方式如下：在支鉸座底面施加固定約束(Fixed Support)用來模擬支鉸座在邊墻上的固定；弧形門葉左右兩端側水封部位施加無摩擦支撐(Frictionless Support)用來模擬門葉側導輪對門葉的x方向約束作用，同時避免門葉向其他方向出現位移；閘門吊耳處施加y方向遠程約束(Remote Displacement)以模擬閘門在閉門時的約束作用；水壓載荷作用在閘門面板正面區域處。

弧形閘門起吊工況下的約束施加方式如下：在支鉸座底面施加固定約束用來模擬支鉸座在邊墻上的固定；弧形門葉左右兩端側水封部位施加無摩擦支撐用來模擬門葉側導輪對門葉的x方向約束作用，同時避免門葉向其他方向出現位移；水壓載荷作用在閘門面板正面區域處，吊耳孔施加320kN的軸承載荷(啟閉力)，方向y方向。

有限元計算模型各工況的約束邊界條件如圖2—3所示。

圖2 正常工作載荷約束邊界條件的設置示意圖

圖3 起吊工況載荷約束邊界條件的設置示意圖

事故工作閘門于2004年投入使用，運行已約16年，時間系數取0.90；閘門為弧形工作門，重要性調整系數取0.95，所以其綜合許用應力調整系數為0.855(閘門實際許用應力值見表2)。

表2 閘門實際容許應力

2.3 有限元計算結果分析

(1)整體結構分析

在約束邊界條件環境下，用ANSYS計算閘門整體結構有限元結果為：在正常工作工況下，閘門主結構在最大綜合von Mises應力為282.33MPa，超過Q235B鋼局部承壓最大容許應力為205.2MPa，超過Q235B鋼屈服應力為235.0MPa(主結構應力位移數據詳見表3)，應力最大位置在支臂部件從支鉸處上游方向第一根斜撐同上支腿交界處(圖4)，其原因是門葉在水壓荷載下發生變形時將水壓荷載傳遞至支撐臂，支腿作為承力構件發生變形，變形過程中部分斜撐同上支腿交界處出現最大擠壓應力；且上下支腿部件的應力超過規范要求的區域面積較大，事故工作閘門整體結構部分區域強度不足。

表3 正常工作工況下事故工作閘門主結構應力位移表

圖4 主結構最大Vonmises應力位置(單位：MPa)

(2)上下支腿構件分析

對上支腿及下支腿進行有限元計算，上下支腿部件的最大綜合von Mises應力為271.32MPa，超過Q235B鋼局部承壓最大容許應力為205.2MPa，超過Q235B鋼屈服應力為235.0MPa，上下支腿部件絕大部分區域的綜合von Mises應力均在182.71～240MPa，很大部分區域應力超過Q235B鋼局部承壓最大容許應力為205.2MPa(圖5)；上下支腿部件Z向應力基本處于壓應力狀態，其大部分區域在-137～-205MPa(圖6)，大部分區域明顯超出了Q235B容許應力(抗拉抗壓應力為136.8MPa)，上下支腿部件YZ平面剪應力在-84～-105MPa(圖7)，大部分區域剪應力超過了Q235B抗剪容許應力為81.2MPa，支腿的強度不足，易導致閘門在正常工況下失穩。

圖5 上下支腿von Mises應力云圖(單位：MPa)

圖6 z軸應力云圖(單位：MPa)

圖7 yz面剪應力云圖(單位：MPa)

3 結論與建議

(1)對事故工作閘門在正常工作工況下的復核計算顯示，閘門主結構在最大綜合von Mises應力為282.33MPa，超過Q235B鋼局部承壓最大容許應力為205.2MPa，超過Q235B鋼屈服應力為235.0MPa，應力最大位置在支臂部件從支鉸處上游方向第一根斜撐同上支腿交界處。計算結果與現場檢測成果吻合，事故工作閘門存在設計不恰當、支臂結構設計單薄(且采用槽鋼制造)、支臂結構強度不足等問題，在正常擋水工況下支臂失穩發生彎扭屈，從而導致整扇閘門破壞。

(2)事故發生前，事故工作閘門為高水頭小開度運行，閘門開啟瞬時與水體接觸面積大，受水壓荷載影響導致較大的動水激勵，也是導致閘門失穩因素之一。

(3)事故工作閘門左右側支鉸同軸度安裝存在較大誤差，閘門啟閉不夠平順，閘門啟閉運行時摩阻力較大，長期運行也易產生失穩。

我國大部分病險水庫除險加固工作已經完成且水庫安全狀況改善顯著，但部分水庫水工金屬結構設備仍存有安全隱患，加強已建水庫水工金屬結構安全評價檢測是消除隱患的重要技術手段。