现代化技术的水利工程闸门安全运行管理思考

摘要：水利工程闸门通常情况下是应用于拦截水流、控制水流以及调节流量等，以此来保障水利工程周边居民的生命财产安全。通过对闸门运行时荷载分布和应力状态的分析，提出启闭系统传动效能改进的方法。主要研究内容为止水构件材质改善、分布式感应器在工况检测中的作用，努力提高金属结构在复杂流体环境中的性能。在不涉及常规行政手段的情况下，用技术参数控制和结构补强工艺来达到闸门在长期运行周期内技术稳定、响应灵敏的目的。

关键词：闸门运维；调控系统；防腐涂层；运行工况

水利工程在建设的过程中已经逐步加强了对闸门生产及安装的重视度，但是，在闸门运用安全管理方面因相关技术的不足还存在一些差别，且大多数的水利工程管理人员对水利闸门安全运行管理的重要性没有强烈的意识，致使水利工程闸门运行的安全性无法得到全面的保障。传统维护模式已难以满足当前高频次调度的需求。采用高精度传感器、高性能防护材料、先进力学状态评估手段，是目前提高闸门使用寿命的主要方式。本文主要研究纯技术维度的运行控制策略，分析闸门各个功能模块在现代化改造过程中具体的工程技术途径，给系统高效运转提供理论依据。

一、闸门主体结构疲劳监测技术

（一）应变片布置与静态数据采集

在闸门主梁、支臂和纵隔板等主要承重部位布置高灵敏度的电阻应变片，可以得到金属结构在各种静水压力下应变分布的数值。数据采集频率要大于50Hz，才能把水位波动瞬态引起的微小形变反映出来。对采集到的电信号进行模态转换可以准确地找到应力集中区^[1]。当主梁应力水平接近材料许用值的时候，系统就会发出预警。以物理感应为基础的手段克服了以往依靠人工目测观察裂纹的局限性，可以对金属骨架的物理特性进行精细化的监控，保证结构一直处在弹性变形范围之内，防止由于超载运行而引起的不可逆的结构损伤。

（二）动力特性响应与模态分析

用振动传感器来检测闸门启闭过程中频率的变化，可以评价结构的稳定性。现代化技术对闸门前三个阶次的固有频率进行分析，与原始技术档案中基准值比较，可以判定闸门有无螺栓松动、焊缝脱焊等物理异常。流速大于3 m/s时，水流激振的能量如果和闸门固有频率发生共振，就会加快结构的损坏。安装调频质量阻尼器或者改变闸门开度调节频率可以避开共振区间。该种动态分析法可以提高对闸门动力响应的控制程度，把结构维护由被动修补变为主动干预，给之后的结构补强提供量化的数据支持。

二、腐蚀防护与结构补强技术要点

（一）复合涂层包覆工艺流程优化

金属闸门长期处在水浸和干湿交替的环境之中，氧化剥落是影响性能的主要因素。现代化防护策略用热喷涂锌铝合金底层加高性能环氧云铁中间漆，顶层涂覆氟碳涂料。这种多层包覆体系总厚度应保持在250 $\mu m$至300 $\mu m$之间。施工时表面粗糙度要达到Sa2.5级标准，提高涂层和基材的分子间结合力。新型涂料具有很强的抗紫外线能力和低表面能特性，可以大大减小生物附着引起的化学侵蚀。利用物理屏蔽的方法，使金属基体所处的环境得到很大的改善，从而减缓了晶间腐蚀的蔓延速度。

（二）电化学阴极辅助防腐系统应用

对水下不能做涂层维护的部位采用牺牲阳极阴极保护技术。在闸门底部和侧翼处装设铝基合金牺牲阳极，用电化学电位差产生的直流电使闸门主体成为受保护的阴极。在本系统中，保护电流密度控制在20 $mA/m^2$左右，使金属表面的极化电位在-850mV～-1100mV之间。安装时阳极块和闸门本体要形成良好的电气连接，电阻小于0.1Ω。该技术可以很好地弥补涂层破损处暴露出来的金属缺陷，在微观上形成一层连续的电子云防护层，从电化学机理上阻止了铁离子的析出过程，大大提高了闸门在腐蚀性水质中的稳定性。由此产生的电流可以有效地抑制金属基体表面的电化学活性，在泥沙冲刷比较剧烈的情况下，也可以保证电势分布的均匀性。

为了保证该系统具有持续性，必须定期对闸门各个重要部位的保护电位用参比电极进行测定。一般采用饱和甘汞电极或者锌参比电极做基准，保证各个测点的电位偏差不大于50 mV。对于由于长期运行造成的阳极材料损耗，要创建以质量损失率为依据的技术评价模型。当阳极残余质量低于初始值的25%时，在枯水期停机时要补装。通过改变阳极块的几何形状，比如采用流线型长条状结构，可以减小高速水流冲击造成的剥落^[2]。动态的电化学防御体系和物理涂层互相补充，在复杂的水化学环境中形成双重金属防护屏障，保证闸门金属基材在设计寿命内结构完整、力学性能良好。

（三）关键受力部位焊缝修复与强化

长期高频次运行会产生闸门节点部位的微观塑性变形，用激光熔覆技术局部加强焊缝，可大幅度提高抗疲劳极限。用含镍基合金的特殊粉末对焊缝表面进行熔敷，熔敷层硬度可以达到50HRC以上，比普通碳钢基体高很多。修复时激光功率控制在3 kW左右，防止热影响区过大造成基材组织变坏。熔敷的焊缝表面应力分布更均匀，疲劳强度比原来的要高30%以上。该局部加强技术方案，在结构薄弱环节点方面没有改变原设计布置，有效地提高了闸门在极端工况下抗裂性和承载能力。

三、闸门启闭过程工况调控技术

（一）闸门运行位置高精度感应系统

实现闸门精确控制的关键就是位置反馈。现代技术用绝对值多圈编码器代替原来的机械行程限位开关。编码器用柔性联轴器和启闭机卷筒轴相接，分辨率要达到0.01mm。传感器信号经由总线协议传送到控制单元，保证闸门两侧升降行程差控制在20mm之内。系统对钢丝绳张力进行实时检测，在两侧负荷相差大于额定值的15%的时候，驱动器就会立刻减速或者停止工作。数字化位置捕捉技术可以消除由于机械传动间隙造成的累计误差，使闸门在分级挡水或者精确流量调节的时候能准确地定位，避免由于闸门偏斜造成轨道卡滞。

（二）动态水头下的流量调节反馈

闸门在调节水位的时候受到动水压力的影响比较大，需要建立以水力学模型为基础的反馈系统。在闸门上游和下游各装一个超声波水位计，测量精度为1mm。当上下游水位差大于设定值时，控制逻辑就应自动调节闸门的开闭速度^[3]。高水头泄洪闸门开启初期速度应控制在0.2 m/min以下，减小水流冲刷对闸底板能量的冲击。用雷达测速仪实时监测过流速度，把它当作闭环控制的输入变量。动态调节开启逻辑，使过流断面能量转换趋于平缓，减少空蚀发生，保护闸门底缘、侧槽的几何完整性。

（三）传动部件机械磨损在线诊断

启闭机的齿轮减速箱和丝杆机构是动力传输的中枢，磨损状况影响到运行效率。现代化运维用油液颗粒度分析仪和振动传感器一起构成诊断体系。检测到的润滑油中有超过15 μm大的铁磁性磨屑所占比例突然增大，就说明轴承或者齿轮处于非常严重的磨损状态。同步电机轴承座上装有压电式加速度计，得到高频冲击脉冲特征。当振动烈度大于4.5mm/s的时候，说明需要更换润滑介质或者调整啮合间隙。非解体式监测方案大大降低了停机检查的次数，保证了传动链条的可靠工作，使动力输出一直处在高效区。

四、结语

通过对传感器监测、防腐工艺改进、运行工况反馈等现代化技术的分析可知，技术手段对于提高闸门运行稳定性有着明显的优势。摆脱传统的定性观察，转而采用量化、高精度的实时调控方式，这是水利工程运维进化的主要途径。未来可以继续对新型合金材料、微观修复工艺进行研究，既降低物理磨损和结构老化的速度又提高响应的速度。对各个重要的功能节点实施精细化的保养和技术革新，可以有效地应付复杂极端的水力环境改变，保证水利设施在整个生命周期里达到所期望的效能水平。

参考文献：

[1]温新雷. 水利闸门安全运行管理对策[J].河北水利,2024,(10):26-27.

[2]燕斌. 水利工程闸门安全运行管理[J].工程技术研究,2021,6(22):192-193.

[3]杨涌. 基于现代化技术的水利工程闸门安全运行管理研究[J].水利科学与寒区工程,2021,4(04):125-128.