三門峽水利樞紐泄流底孔破壞及處理

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      摘要：黃河三門峽水利樞紐建成后。由于庫區(qū)及上游河道泥沙嚴重淤積，被迫對工程進行改建。經(jīng)過工程改建和調(diào)度運行的調(diào)整，基本解決了泥沙淤積問題，并發(fā)揮了較大的經(jīng)濟社會效益。但高含沙水流使泄洪建筑物造成嚴重損壞。通過水工模型試驗，材料抗磨蝕試驗和現(xiàn)場修補試驗，對泄洪底孔的磨蝕破壞機理和修復措施進行了研究。

　　關(guān)鍵詞：泄流底孔；破壞機理；修復處理；三門峽水利樞紐?

　　1、工程概況?

　　三門峽水利樞紐位于黃河中游，是以防洪為主的大型水利樞紐工程。工程于1960年大壩基本建成，并開始蓄水。蓄水后庫內(nèi)及水庫上游渭河河道出現(xiàn)了嚴重的泥沙淤積。從1964年起被迫對工程進行改建。第一次改建將4條電站引水鋼管改為泄流排沙鋼管，并在左岸巖體中新修建2條直徑11m的泄流排沙隧洞；第二次改建打開了已封堵的1～8號施工導流底孔，并安裝5臺單機容量為5萬kW的水輪發(fā)電機組。經(jīng)過兩次對工程的改建和水庫采用“蓄清排渾”的運行方式，基本實現(xiàn)了水庫在年內(nèi)沖淤平衡，解決了庫區(qū)及渭河的淤積問題，并且在防洪、防凌、灌溉、發(fā)電、供水等綜合利用方面發(fā)揮了較大的社會經(jīng)濟效益。但是黃河泥沙問題相當復雜，高含沙水流對水輪發(fā)電機組、泄流鋼管、隧洞、底孔和深孔等造成嚴重的磨蝕破壞，以致影響泄水建筑物的正常運行和工程進一步發(fā)揮效益。因此必須對工程進行進一步改建和修復。本文僅簡要介紹泄流排沙底孔（以下簡稱底孔）的破壞情況、破壞機理和修復處理措施。?

　　2、底孔（單、雙層孔）破壞情況

　　1～3號底孔為單層孔，孔口尺寸3m×8m，進口底板高程280.0m，庫水位315.0m

　　時單孔泄量405m3／s.4～8號底孔在平面上與1－5號深孔重合，組成5個雙層孔，深孔孔口尺寸3m×8m，進口底板高程300.8m，庫水位315.0m時一個雙層孔泄量658m3／s.6～12號深孔為單層孔，庫水位315.0m時單孔泄量257m3／s.1980年底發(fā)現(xiàn)底孔磨蝕后，先后對底孔的單層孔和雙層孔進行了全面檢查，發(fā)現(xiàn)下列部位有較嚴重的磨蝕破壞。?

　　（1）單層孔和雙層孔進口斜門槽正向不銹鋼導軌在高程2825～2880m之間的迎

　　水面有不連續(xù)的溝槽或缺口（斜門槽為矩形斷面，寬120cm、深55cm），嚴重部位導軌磨

　　損呈鋸齒狀，有的部位導軌及基座方鋼幾乎磨平。?

　?。?）單層孔和雙層孔進口斜門槽水封座板在高程2810～2900m之間破壞成鋸齒狀和蜂窩狀，在門槽邊緣10cm范圍內(nèi)及側(cè)面角鋼大部分磨穿，混凝土被淘深2～8cm.

　?。?）單層孔和雙層孔進口門槽底坎被淘成鍋底狀，底孔中心部位混凝土淘深8～15cm，大部分鋼板被磨損壞。?

　?。?）單層孔和雙層孔底孔進口喇叭口頂板（橢圓曲線）有一定的破壞，在高程291.0m以下的鋼板護面己被磨穿，但混凝土基本完好。

　?。?）單層孔工作門槽在高程282.0～284.0m范圍內(nèi)的導軌嚴重損壞，有大如手指順水流向的槽坑和缺口。?

　　（6）雙層孔工作門槽在高程282.0～288.0m底孔段范圍內(nèi)的導軌均有破壞，在高程287.0～288.0m范圍內(nèi)最為嚴重，導軌的一半已被剝蝕。在高程300.0～306.0m深孔段門槽內(nèi)導軌有溝槽狀破壞，在高程300.0～302.0m范圍內(nèi)較嚴重，導軌已成鋸齒狀。在串水門井段（高程288.0～300.0m）的混凝土及不銹鋼導軌未發(fā)現(xiàn)損壞。?

　?。?）底孔底板嚴重磨損，破壞面積占4／5，粗骨料全部外露，平均磨深14cm，并有多處沖坑，最大沖坑面積約5.6m×2.3m，深0.2m，鋼筋外露20余根，有的鋼筋已磨掉1／3左右。?

　?。?）底孔邊墻在高程284.0m以下有較嚴重磨損，混凝土粗骨料外露，最大磨損深度約7cm.高程284.0m以上磨損較輕，底孔頂板無明顯磨損痕跡。?

　　3、底孔破壞原因分析

　　黃河是世界著名的多泥沙河流，三門峽壩址處年平均流量1105m3／s，多年平均含沙量37.7kg／m3，汛期平均含沙量68.3kg／m3，洪峰最大含沙量911kg／m3.年輸沙量16億t，汛期水量占全年的60％，而汛期輸沙量占全年的85％。泥沙中石英礦物含量為90%～95%，長石礦物含量為1～5%，兩者合計達95%～96%，而石英和長石的硬度都較高（按標準礦物莫氏硬度，石英為7級，長石為6級）。泥沙中平均中值粒徑d50=0.038mm.泥沙基本顆粒形狀為多角形和尖角形，且比較尖利。底孔泄量的汛期流量占52％，而排沙量占86％。因此，泥沙的磨損是底孔及其它泄水建筑物遭到嚴重破壞的外部條件。?

　　為查清底孔各部位破壞的內(nèi)在原因和破壞機理，以便采取相應的、有效的、且較經(jīng)濟的修補處理措施，使工程正常安全運行并發(fā)揮更大效益，先后委托水利水電科學研究院，黃委會水科院、702所、上海交通大學等單位，對底孔單層孔和雙層孔進行常壓和減壓水工模型試驗，并在現(xiàn)場進行了原型空化噪聲試驗。通過上述各項試驗和原型觀測，發(fā)現(xiàn)下列水力學現(xiàn)象，并對其特性和對建筑物的危害進行了較深入的研究和探討。?

　　（1）雙層孔進口斜門槽內(nèi)有一條空心漩渦帶，上端在高程302.0～304.0m之間擺動，并伸向深孔，下端在高程284.0～286.0m之間擺動，并伸向底孔。在減壓模型試驗中對該渦帶進行噪聲測試，發(fā)現(xiàn)具有單極子型空化噪聲特征，但噪聲譜圖形在各段庫水位下無變化，且門槽內(nèi)水流空化數(shù)大于初生空化數(shù)，原型空化噪聲測試中也未測得此渦帶空化噪聲特征。另外，在單層孔進口門槽內(nèi)無此渦帶，但門槽導軌的破壞形狀與程度和雙層孔無明顯差異。因此可初步斷定此渦帶是一條非空化的漩渦帶，對門槽及導軌不會產(chǎn)生大的破壞。?

　　（2）在單層孔和雙層孔進口斜門槽內(nèi)均有較強的螺漩流，切向流速達到17.83m／s.另外，門槽內(nèi)時均壓力雖為正壓，但導軌內(nèi)外側(cè)壓力差較大，且導軌頂面壓力較小。?

　?。?）單層孔和雙層孔單泄時進口斜門槽下游棱出現(xiàn)分離型空化。此處在高程281.0～290.0m內(nèi)測得負壓，負壓值為-4.04～-4.58m水柱。初生空化數(shù)為ói=2.4，庫水位325.0m時水流空化數(shù)為ó0=2.25.在原型噪聲測試中也發(fā)現(xiàn)此處有空化噪聲特征。故此處存在空化現(xiàn)象，將發(fā)生空蝕破壞。雙層孔雙泄時（底孔和深孔同時泄水）沒有發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象。?

　?。?）單層孔和雙層孔單泄時進口頂板橢圓曲線前端有分離型空化，且在高程294.14m處測得-3.74m水柱的負壓，與門槽下游棱構(gòu)成三角形低壓區(qū)。此處初生空化數(shù)ói=2.8，當庫水位311.22m時水流空化數(shù)為ói=2.64.?

　?。?）單層孔工作門槽在高程282.0～285.0m范圍內(nèi)有強螺漩流，切向流速13.7m／s，貼近導軌。工作門井與底孔交匯處有一橫軸漩渦，且處于負壓區(qū)，但無空化現(xiàn)象。底孔尾端頂部有-1～-3m水柱的負壓。?

　?。?）雙層孔雙泄時工作門槽底孔段，由于門井串水的影響，有一傾斜的強漩渦，在高程287.4m處漩渦切向流速達12.18m／s，漩渦末稍散射到工作門槽導軌處。在底孔與工作門井交匯處的頂部角隅處有一伸向工作門槽的分離型空化區(qū)。在模型中可測得空化噪聲，但觀察到此空化區(qū)發(fā)放的氣泡在其下游不潰滅，并帶至底孔出口，在原型噪聲測試中也未測得空化噪聲，因此可判斷此空化區(qū)不會發(fā)生空化。?

　?。?）雙層孔雙泄時工作門槽深孔段，有一直徑為0.6～0.8m的空心強漩渦，切向流速為10.21m／s.且此處脈動壓力甚為強烈，最大脈動系數(shù)為1.22，相應脈壓強度為2.7，且出現(xiàn)-1.9m水柱的瞬時負壓。?

　?。?）底孔在汛期平均流速14～18m／s.非汛期平均流速18－20m／s.?

　　根據(jù)上述水工模型發(fā)現(xiàn)的水力學現(xiàn)象和原型空化噪聲測試，以及對底孔破壞形態(tài)的分析，得出下列結(jié)論。①單層孔和雙層孔的進口斜門槽導軌和工作門槽導軌的破壞是由于導軌凸體在高含沙強漩渦切向流速作用下的磨損破壞。同時強漩渦使導軌項面壓力較低，因磨損

　　使導軌局部出現(xiàn)負壓而產(chǎn)生空蝕破壞。②進口斜門槽為矩形斷面，不適應高速水流的要求，使其下游棱的水封座發(fā)生分離型空蝕破壞，同時高含沙、高速水流作用下的磨損進一步加劇了破壞。③底孔進口頂板由于橢園曲線與壩面不相切，使此處產(chǎn)生分離型空化而發(fā)生空蝕破壞。高含沙水流的磨損也是此部位破壞原因之一。④底孔進口的門槽底坎、底孔底板和邊墻等是在高含沙、高速水流作用下的磨損破壞，門槽底坎和底板局部沖坑是由于磨損帶來的局部空蝕結(jié)果。?

　　4、底孔修復處理?

　　底孔修復處理主要采取兩方面措施，一方面在結(jié)構(gòu)體型上進行修改，使過流部位的體型盡量適應高含沙、高速水流作用下的要求，以減免空蝕破壞和減輕磨損破壞。另一方面采用高抗磨蝕材料，以抵抗高含沙水流的磨蝕破壞。?

　　在結(jié)構(gòu)體型上經(jīng)過深入的多方案比較研究，采用以下的改進措施。?

　?。?）進口斜門槽的矩形門槽改為帶錯距的斜坡型，即將門槽上下游邊錯距10cm，并以1∶12斜坡與邊墻連接。?

　　（2）進口斜門槽內(nèi)的方鋼導軌改為無凸臺平板型，可拆換的不銹鋼導軌。工作門槽內(nèi)的導軌改為表面呈園弧形無凸臺，可拆換的不銹鋼導軌。?

　?。?）底孔出口降低1m，出口頂高程由288.0m降為287.0m.

　　采用上述改進措施后，在水力學上有如下改善①進口頂板角隅處及斜門槽下游棱處的分離型空化區(qū)全部消失。抬高了底孔沿程壓坡線，提高了各部位的水流空化數(shù)?；鞠丝瘴g破壞的可能性。②各門槽內(nèi)的漩渦強度明顯降低，切向流速降低10%～20％?底孔內(nèi)平均流速降低8%，使磨損破壞有所改善。③雙層孔工作門井串水流態(tài)得到較大的改善。單層孔工作門槽內(nèi)水流基本平穩(wěn)，水位波動幅度大大減小。?

　　5、抗磨材料的選擇?

　　為選擇抗磨蝕性能好、且比較經(jīng)濟、施工簡便的材料，曾委托科研單位進行了大量的室內(nèi)外試驗研究。?

　?。?）普通混凝土?

　　底孔底板和邊墻原設計為C₂₀、S₈抗沖混凝土，實際混凝土強度已超過C₃₀.但實踐和室內(nèi)試驗都證明普通混凝土不能抗御底孔的高含沙、高速水流作用下的磨損。?

　?。?）輝綠巖鑄石板?

　　顯然鑄石板本身硬度很高，莫氏硬度比泥沙中含量較多的石英和長石高l～2級，但質(zhì)地較脆，易被推移質(zhì)砸破，而且板間接縫是一個薄弱部位，再加上粘結(jié)工藝要求較高，質(zhì)量不易保證，容易逐塊掀掉，發(fā)展至成片破壞。因此，此抗磨材料未被采用。?

　?。?）環(huán)氧砂漿?

　　現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗證明是最好的抗磨材料，且抗空蝕性能和與混凝土粘結(jié)強度相當高，但材料價格非常昂貴，施工工藝要求高，且其固化劑具有毒性，不宜大面積使用。宜用于有較大荷載的過流部位表面。?

　?。?）鋼纖維砂漿和鋼纖維混凝土?

　　具有較高的抗磨損、抗裂性能，價格遠低于環(huán)氧砂漿，但抗空蝕能力有待進一步研究，且施工中鋼纖維在砂漿中不易拌勻，給施工帶來不便。除底孔進口底坎處采用外，其它部份未采用此種材料。?

　?。?）高強砂漿和高強混凝土?

　　抗磨損性能略低于鋼纖維砂漿，但抗空蝕能力較好，且價格便宜，施工方便。在砂漿或混凝土中摻入20％的硅粉后，其抗磨損性能顯著提高。經(jīng)綜合經(jīng)濟技術(shù)比較選用高強混凝土（并考慮摻入20％硅粉）作為底孔底板抗磨層，設計抗壓強度60MPa，抗磨層厚度10cm.對于邊墻由于混凝土澆筑比較困難，經(jīng)比較決定采用噴高強砂漿（摻入20％硅粉）作為抗磨層，設計抗壓強度50MPa，層厚5cm.在施工工藝上采用潮噴法。?

　　為實現(xiàn)底孔修復處理和改建，關(guān)鍵的施工問題是上游圍堰。經(jīng)過研究，進行了多方案比較，選定了用軟?；炷磷鳛橹ё匿摨B梁圍堰，于1984年10月試沉放成功，并長時間地經(jīng)受了設計水頭的考驗。該圍堰利用底孔進口斜門槽導向，由伸縮節(jié)連接鋼疊梁和導向架，在靜水中沉放，然后在圍堰與閘墩間隙內(nèi)的錦綸帆布芯橡膠軟模中澆注混凝土作為支座并兼止水。圍堰高41m（共分7節(jié)）、寬5m，設計水頭40m.實踐證明該圍堰結(jié)構(gòu)安全、止水可靠、操作方便、在國內(nèi)是首創(chuàng)，國外也無先例，為此于1985年獲國家科技進步一等獎，詳細情況可參見文獻［3］。?

　　6、結(jié)語?

　?。?）通過底孔斜門槽改建，工作門槽改建及出口壓縮等改建工程，在水工模型試驗上獲得較滿意的效果，基本消除了所有空化現(xiàn)象，水流流態(tài)得到較大的改善，且節(jié)省大量工程投資。?

　　（2）由于黃河泥沙含量大，顆粒硬且尖利。通過底孔的水流含沙量更大，且含有較多的推移質(zhì)，磨損破壞力相當強。因此，底孔的抗磨層要作到一勞永逸非常困難，即使在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)也將花費大量投資，在經(jīng)濟上是不合理的。采用高強混凝土和高強砂漿并摻入20％硅粉作為底孔抗磨層比較經(jīng)濟，且施工方便，并加強經(jīng)常性的維修和管理，發(fā)現(xiàn)磨損及時修補，基本能滿足抗磨要求，保證工程安全運行。?

　　（3）泄流底孔修復和改建工程除上述的斜門槽和工作門槽改建，出口壓縮和底板及邊墻修復外，還有原進口檢修閘門改為事故檢修閘門和相應的啟閉設備的改建和完善，以及單層孔在進口設置通氣孔、雙層孔的兩道工作閘門配備專用啟閉設備（即一門一機）等改建項目。?

　　參考文獻：?

　?。?］水利水電科學研究院水力學所。三門峽水利樞紐底孔門槽水工模型試驗報告［R］.1983

　　［2］黃委會科研所。三門峽雙層泄水孔門槽減（常）壓模型試驗報告［R］.1985??

　?。?］水利部天津勘測設計院?黃河三門峽水利樞紐泄流工程二期改建初步設計說明書［R］.1986??

　　［4］黃委會科研所，上海交通大學，中國船舶科學研究中心。三門峽水利樞紐5號底孔原型噪聲測試報告［R］.1989??

　?。?］魏永暉，胡德祥?黃河三門峽水利樞紐底孔的破壞和修復設計。