弧形闸门在冰冻期的受力状态分析

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弧形闸门在冰冻期的受力状态分析

处，是松花江航道梯级开发总体规划中的 7 “ ”座枢纽之一，是黑龙江省十五期间重点工程，并

“ ”列入了交通部十五补充计划，是 1 座以航运、发电和改善哈尔滨市水环境为主，同时具有交

通、旅游、供水、灌溉和水产养殖等综合利用功能的航电枢纽工程。自 2007 年10 月27 日首

台机组并网发电以来，已安全运行 7 a。

松花江大顶子山航电枢纽工程为大( Ⅰ) 型工程，工程等级为 1 等，永久性主要建筑物为 2 级，

设计洪水标准 100 a 一遇，校核洪水标准 300 a 一遇。枢纽总平面布置从右至左为: 船闸、10 孔

泄洪闸、河床式水电站、28 孔泄洪闸、混凝土过渡坝段、土坝及坝上公路 ( 桥) 等，坝线

全长 3 249. 78 m 。总装机容量 66 MW，最大下泄流量 22 704 m3 Ns� 。泄水闸每孔宽 20 m，

各设一道弧形工作闸门。弧形闸门主框架结构为焊接结构，采用双主横梁、斜支臂支撑。门叶

和支臂材料为 Q345D 钢板及 Q235B 型钢。

弧形工作闸门运行工况多，运行环境恶劣，要承担常温期挡水和封冻期挡水及洪水期泄水的任

务，闸门的安全运行对于枢纽的正常运行有着举足轻重的作用。本文结合封冻河流弧门结构挡

水工况的应力变形受冰压力影响的状态尚无实测资料可循的特殊性，对弧形工作闸门进行冰冻

期静应力安全检测，了解弧形闸门在冰冻期的受力状态，为大顶子山航电枢纽及高寒地区水工

闸门的安全运行以及设计与管理提供科学依据。

1 工程背景

大顶子山航电枢纽工程共计 38 孔泄水闸，自 2007 年投入使用以来，依据相关规范及设计单位

的要求，每年封冻期要在每扇弧门前方 1 m 处打冰槽或者每孔弧门前增加潜水泵等扰动装置使

其不受冰载荷。由于大顶子山航电枢纽的泄水闸数量较多，导致每年冬天需要投入大量的人

力、物力对泄洪闸进行防冰处理，而且在防冰作业过程中，很容易发生人员坠江、设备漏电等

危险。

鉴于此，通过几年不断摸索、实践，在冬季选择 4 孔弧门，分别采取人工打冰、门前放置保温

板隔离冰层、安装潜水泵扰动江水和直接承受冰载荷压力等 4 种方式进行试验，经肉眼观测发

现直接承受冰载荷的弧门门体结构未发生变化。为了科学、真实、可靠地掌握弧门直接承受冰

载荷压力情况，为今后封冻河流金属结构设备的设计、制造、安装及运行管理工作提供依据，

根据航电枢纽现场情况，在冬季江面封冻期间，选取 3 号弧门和 5 号弧门进行了应力检测对比

试验。其中，3 号弧门直接承受冰载荷压力，5 号弧门门前采取防冻措施而承受水压力。

2 弧形工作闸门应力检测

2.1 应力检测原理

应力检测采用电阻应变计和多通道静态电阻应变仪微机检测系统。应力测点上粘贴的电阻应变

计通过连接电缆与静态电阻应变仪内部的精密标准电阻构成应变电桥，其输出电压随应变量变

化且为线形关系。电桥输出电压经高性能、低噪声精密仪表放大器进行补偿，电压放大后，再

经过高精度 A ND �模数转换器转换为数字量送入微机，由专用软件实时动态采集记录，并且

进行滤波、消噪、平均、回归等等后处理。各通道的传输、放大以及转换都分别采用等效应变

源进行转换计算式的现场标定。依据各测点、各方向的应变实测值，实测应力按如下基本公式

换算:【1-2】

式中: σ 为测点的单向应力; σx 和σy 分别为平面测点 x 和y 方向应力; E 为应变片粘贴处闸门材

料的弹性模量，此处取E = 206 GPa; μ 为闸门材料泊松比，取μ =0. 333; ε，εx 和εy 分别为单向

测点应力值和平面测点 x 和y 方向应力值。

检测用电阻应变计选用中航电测仪器股份有限公司生产的 BE120-10AA 胶基电阻应变计，其精

度等级为 AA 级，灵敏系数 2. 01 ，电阻为( 120 ±0. 1) Ω。静态电阻应变仪则使用武汉优泰电子

技术有限公司生产的 60 点应变静态应变测试系统 uT7160。

应变计与被测构件的粘接采用 502 胶，测试导线采用经过ISO 认证的三芯屏蔽电缆，以提高检

测系统的抗干扰能力。由于测点需要长时间工作在水中和冰层中，为保证应力测量的可靠稳

定，使用 703 胶和水中胶对测点处的应变计进行了严格的密封处理，以提高测点的防潮性能和

抗压强度。为消除温度差异对测试结果的影响，各测点采用了单点一对一补偿的温度补偿方

式。弧形闸门应力检测系统组成见图 1。【图 1】

2.2 测点分布

由于弧形闸门结构对称，静水压力、冰压力也对称，故测点主要布置在所选闸门一侧的主要构

件上。根据三维有限元计算和类似工程原型观测资料，静应力试验测点布置在弧门主要受力构

件应力较大处。依据枢纽现场情况，为实现两扇弧形闸门应力检测共用保暖仪器房，同时缩短

屏蔽电缆长度，将3 号弧门测点布置在左半门，5 号弧门测点布置在右半门，两扇门测点共计

40 个。

1) 主横梁。在弧形闸门上、下主横梁下翼缘跨中及 1 N4 �跨处，布置 4 个测点，主横梁测点均

沿主梁轴向布置 ( 编号为1 ～4) 。

2) 支臂。在弧形闸门上主框架上支臂中部沿支臂轴向共布置 3 个测点，分别布置在上支臂腹板

及外、内翼缘上，编号为5 ～7; 下主框架下支臂测点位置均与上主框架相同，编号为8 ～

10 。上、下主框架支臂共布置 6 个测点。

3) 纵梁。在弧形闸门中纵梁的上主横梁上方悬臂部分的中部 ( 编号 11) 及根部( 编号 12) 各布

置2 个测点，在与上支臂相交的边纵梁的上主横梁上方悬臂部分的中部 ( 编号 13) 及根部( 编

号14) 各布置 2 个测点。纵梁测点均沿纵梁�{ 度方向布置，纵梁共布置 4 个测点。

4) 面板。在上主横梁上部的面板上布置了 2 个测点 ( 编号 15，16) ，在上主横梁下部及下主横

梁上部的面板上各布置了一个直角应变花 ( 编号 17 ～20) 。面板共布置 6 个测点。

2.3 应力检测工况

2.3.1 空门工况

在应力检测进行之前，放下检修门挡住上游江水，提升工作弧门，放掉工作弧门和检修门之间

的库水，继续提升工作弧门至堰顶位置。此时，弧门处于零荷载状态，空门工况形成。弧门保

持空门工况约10 min 后，使用 uT7160 静态电阻应变仪测读零应力文件并计算机存盘备用。

2.3.2 正常挡水工况

形成空门工况后，在检修门挡水的情况下，放下弧门并置于堰底。检修门局部开启，在弧门和

检修门之间充水至上游水位，等待约 10 min 使门体受力的机械滞后效应完全消除，水压力荷

载与弧门各测点应变值完全稳定，形成正常挡水工况。此时，使用 uT7160 静态电阻应变仪采

集测点应力并存盘备用，然后泄水，完成一次正常挡水应力检测过程。重复上述检测过程 3

次，以检查试验数据的重复性。3 次检测后，将弧门置于正常挡水工况下，等待江面封

冻。2.3.3 封冻挡水工况 ( 3 号门)封冻挡水工况下，弧门门体同时承受上下游静冰压力和冰层以

下水压力作用。由于冰压力会随冰层的厚度增加及气温、冰温等的变化而改变，因此弧门结构

的受力情况也会随着冰压力的变化而变化。从江面结冰开始跟踪观测，每 4 h 自动记录应力检

测数据1 次，每周安排工作人员巡视测量仪器、并现场处理停电等异常情况直到次年江面解

冻。

2.3.4 封冻正常挡水工况 ( 5 号门)

封冻期正常挡水工况下，弧门上游门前放置一排潜水泵，长期抽水扰动江水使门前不结冰，门

前只承受水压力，弧门下游仍然直接承受冰水压力。此工况下的应力检测方法与持续检测时间

封冻挡水工况相同。

3 应力检测结果及分析

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摘要：

弧形闸门在冰冻期的受力状态分析处，是松花江航道梯级开发总体规划中的7“”座枢纽之一，是黑龙江省十五期间重点工程，并“”列入了交通部十五补充计划，是1座以航运、发电和改善哈尔滨市水环境为主，同时具有交通、旅游、供水、灌溉和水产养殖等综合利用功能的航电枢纽工程。自2007年10月27日首台机组并网发电以来，已安全运行7a。松花江大顶子山航电枢纽工程为大(Ⅰ)型工程，工程等级为1等，永久性主要建筑物为2级，设计洪水标准100a一遇，校核洪水标准300a一遇。枢纽总平面布置从右至左为:船闸、10孔泄洪闸、河床式水电站、28孔泄洪闸、混凝土过渡坝段、土坝及坝上公路(桥)等，坝线全长3249.78m。总装...

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