三門峽工程泥沙對(duì)泄水建筑物磨損的研究

三門峽黃河明珠（集團(tuán)）有限公司 王云年 張武斌 謝偉華

1.概況

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%。因此，泥沙的磨損是泄水建筑物遭到嚴(yán)重破壞的外部條件。本篇重點(diǎn)研究對(duì)泄水建筑物門槽及軌道的磨損。

2.泄水建筑物磨損狀況

2.1 門槽磨損

隧洞、深孔、底孔及鋼管共有九種門槽形式，這九種門槽在不同的流速作用下，磨損情況也各有不同。典型門槽磨損情況見(jiàn)表1。

各種門槽的磨損情況表明：磨損比較大的部分為門槽的上下游棱角附近，矩形斜坡型門槽比圓弧形和矩形方角型門槽磨損較輕。雖然門槽外表面的棱角遭到較大的磨損，但門槽內(nèi)壁除凸出的軌道以外，并無(wú)明顯的磨損現(xiàn)象。

2.2 軌道磨損

隧洞、深孔、底孔及鋼管可歸納為四種軌道形式。這四種軌道形式在不同流速作用下，磨損情況也各不相同。典型軌道磨損情況見(jiàn)表2。

各種軌道的磨損情況表明：

(1)軌道最大磨損邊正對(duì)漩渦流向的迎水面，而且，主軌正處在洞內(nèi)主流與漩渦流向分流點(diǎn)附近，是產(chǎn)生泥沙磨損最不利的位置，如能將主軌向門槽內(nèi)側(cè)移動(dòng)，適當(dāng)增加閘門的計(jì)算跨度，則可以減輕軌道的磨損。

(2)扁平軌道比突出軌道的磨損有顯著減輕。所以，凡以線接觸面的承重軌道，為減免泥沙的磨損作用，不宜凸出門槽邊壁過(guò)多。如無(wú)法避免，則應(yīng)在凸出軌道的外側(cè)(即漩渦流向的迎水面)加以保護(hù)，保護(hù)高度盡量與軌道凸出高度相同，其保護(hù)部分外型應(yīng)是門槽外型的一部分，以避開(kāi)漩渦流向的沖擊。

(3)矩形斜坡門槽軌道與矩形方角門槽軌道相比較，可以看出，前者軌道的局部磨損普遍較小，一般為蠶豆或黃豆大小的不連續(xù)坑洞，而后者卻磨成連續(xù)坑洞，幾乎磨損到極限位置。

(4)弧形門軌道雖平貼在水流邊緣，在一定的泄水條件下，其表面亦會(huì)遭到泥沙磨損。

2.3 不同材料的磨損

隧洞、深孔、底孔及鋼管的主要建筑材料為混凝土和鋼板，也有部分環(huán)氧砂漿、呋喃砂漿、高標(biāo)號(hào)水泥石英砂漿、輝綠巖鑄石板和鐵砂混凝土等。上述材料抗磨損性能如下：

輝綠巖鑄石板有很高的硬度指標(biāo)，能拓模制造，是較好的抗磨損材料。

環(huán)氧砂漿或呋喃砂漿有較高的強(qiáng)度和硬度指標(biāo)，還具有均質(zhì)性好，表面粗糙度小等特點(diǎn)。運(yùn)用實(shí)踐證明，這兩種材料的抗磨程度相當(dāng)，約為混凝土的5倍左右，是較好的抗磨材料。

高標(biāo)號(hào)水泥石英砂漿是高標(biāo)號(hào)水泥和石英砂漿拌制的，有一定的抗磨能力。

普通混凝土不如真空作業(yè)混凝土抗磨程度好。這兩種材料的不均質(zhì)性和表面粗糙度均較大，易產(chǎn)生渦流磨損和局部空蝕。

鋼板在施工中是保證造型的要求，但硬度較小，抗磨能力差，必須用鋼板鑲護(hù)的部位，表面應(yīng)考慮保護(hù)措施。

鐵砂漿中的鐵砂容易生銹，粘結(jié)力較差。

另一次是4月26日，由埃里斯塔驅(qū)車東行，途經(jīng)查干阿姆，赴里海畔的阿斯特拉罕，一路同樣奔馳在遼闊的卡爾梅克大草原。

3.過(guò)壩泥沙特征

三門峽汛期平均含沙量68.3kg/m3，多年平均含沙量為37.7kg/m3，最大含沙量為911kg/m3，泥沙比重為2.65-2.70。

三門峽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，磨損力較大。

三門峽泥沙中石英礦物含量為90%-95%，長(zhǎng)石礦物含量為1%-5%，兩者合計(jì)達(dá)95%-96%，而石英和長(zhǎng)石的硬度都較高(按標(biāo)準(zhǔn)礦物莫氏硬度，石英為7級(jí)，長(zhǎng)石為6級(jí))，一般認(rèn)為泥沙硬礦物含量越多，硬度越大，磨損愈強(qiáng)烈。

綜合泥沙的主要磨損因素可以看出：三門峽水電站具有含沙量大、泥沙粒徑粗、顆粒尖利、硬礦物含量多、硬度大等特點(diǎn)。這是本工程遭到泥沙嚴(yán)重磨損的重要因素。

4.泥沙磨損的初步探討

4.1 泥沙磨損機(jī)理分析

泥沙在水流中有懸移質(zhì)與推移質(zhì)兩種存在形式，其對(duì)泄水建筑物的磨損機(jī)理也不盡相同[3]。懸移質(zhì)泥沙以懸浮狀態(tài)隨水流運(yùn)動(dòng)，由于顆粒細(xì)小，在高速水流中往往會(huì)得到充分摻混而與水流保持相近的運(yùn)動(dòng)速度，因此，懸移質(zhì)泥沙對(duì)過(guò)流建筑物的磨損一般比較均勻，磨損部位往往是整個(gè)過(guò)流邊界。從泥沙磨損的形成過(guò)程看，含懸移質(zhì)泥沙的高速水流常常先剝離混凝土表面的砂漿層，然后淘刷細(xì)骨料，待細(xì)骨料被水流沖走，粗骨料裸露而形成凹凸不平的磨蝕坑時(shí)，在過(guò)流表面會(huì)形成各種類型的漩渦運(yùn)動(dòng)，使磨損作用加劇。而磨蝕坑的加深又進(jìn)一步惡化水流條件，加速磨損破壞進(jìn)程。可見(jiàn)，懸移質(zhì)的磨損過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)惡性循環(huán)過(guò)程，在此過(guò)程中，實(shí)際上也包含了因水流條件惡化引起的空蝕破壞。推移質(zhì)泥沙對(duì)泄水建筑物的磨損破壞除具有與懸移質(zhì)類似的磨損作用外，還有顆粒以不同的軌跡或角度碰撞、沖擊或磨削過(guò)流面，其磨損破壞作用的大小取決于流速、流態(tài)、推移質(zhì)數(shù)量、粒徑、硬度、運(yùn)動(dòng)方式等多方面因素的影響，還與過(guò)流時(shí)間、建筑物體型、材料的抗沖耐磨性能有關(guān)。由于重力作用的影響，推移質(zhì)對(duì)泄水建筑物的磨損破壞往往以底邊界為甚。

表1 各種門槽磨損情況

表2 各種軌道磨損情況

4.2 泥沙磨損的定量估算方法

由于推移質(zhì)泥沙對(duì)泄水建筑物的磨損資料很少，遠(yuǎn)未達(dá)到可進(jìn)行定量分析的程度，加之在實(shí)測(cè)泥沙資料中，推移質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于懸移質(zhì)，僅在后者的2%以下。因此，作為初步研究，本文僅對(duì)懸移質(zhì)泥沙磨損進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。

懸移質(zhì)泥沙對(duì)泄洪建筑物邊壁的磨蝕作用取決于水力因素與泥沙因素。前者包括水流流速、過(guò)流歷時(shí)、水流摻氣、流態(tài)等；后者包括泥沙含量、顆粒級(jí)配、形狀、礦物質(zhì)含量及硬度、以及泄水建筑物邊壁材料的抗磨性能等。

式中：δ為泥沙磨蝕深度(mm)；S為含沙量(kg/m3)；V為過(guò)流流速(m/s)；D為泥沙粒徑(mm)；T為過(guò)流歷時(shí)(h)；R為混凝土強(qiáng)度；K為系數(shù)，反映泥沙顆粒特性包括級(jí)配、形狀、比重、硬礦物含量及硬度等的影響。泥沙顆粒形狀越尖利，磨蝕越重。研究表明，尖角形、棱角形、圓狀形沙粒的磨蝕能力之比約3∶2∶1.另外，泥沙中硬礦物成分越多，硬度越大，對(duì)過(guò)水邊壁的磨損也越嚴(yán)重。

根據(jù)前人的研究成果，式(1)中各參數(shù)的大小為：m=0.7～1.0，n=2.7～3.2，p=-1.105，α=β=1.0.可見(jiàn)，在影響泥沙磨損深度的眾多因素中，以過(guò)流流速的影響最為顯著，大約為3次方關(guān)系；而在相同的材料強(qiáng)度條件下，泥沙磨蝕強(qiáng)度與含沙量、顆粒粒徑及過(guò)流歷時(shí)成線形關(guān)系。

在式(1)中，取m=1.0，n=3.0，p=-1.105，α=β=1.0，則可寫出泥沙磨損深度的定量關(guān)系式為：

一般而言，泄水建筑物在易遭泥沙磨損的泄流表面均采用抗沖耐磨材料，不同的抗沖耐磨材料，其R值也不同。若將R值的影響計(jì)入綜合系數(shù)中，則式(2)進(jìn)一步簡(jiǎn)寫為：

上式中C為綜合系數(shù)，反映泥沙顆粒特性與過(guò)流面的抗磨性能的綜合影響。

5.結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)本工程泥沙磨損的實(shí)踐：在平均含沙量達(dá)到37.5kg/m3，流速v=20m/s的高速水流作用下，能夠產(chǎn)生相當(dāng)大的磨損破壞力。

(2)不同的泥沙性質(zhì)產(chǎn)生不同的磨損外觀和強(qiáng)度。推移質(zhì)的磨損以礫石和塊石的平推、翻滾、跳躍的磨損作用為主，磨損外觀比較平滑。它受重力作用顯著，磨損范圍集中在底部。懸移質(zhì)的磨損與水流邊壁粗糙度所形成的近壁流態(tài)有關(guān)。若水流邊壁光滑，可能形成泥沙的平流磨損，磨損外觀為擦痕；若水流邊壁相對(duì)粗糙，可能形成各種型式的渦流，磨損外觀為坑洞。水流邊壁的粗糙度越大，磨損作用也越大。

(3)對(duì)于以懸移質(zhì)泥沙磨損為主的材料磨損深度，可參考δ=CSV3DT進(jìn)行粗略估算，其中C為綜合系數(shù)，反映泥沙顆粒特性與過(guò)流面的抗磨性能的綜合影響。

(4)由于受到本工程的局限性，對(duì)水流邊壁泥沙磨損的認(rèn)識(shí)尚不深刻。有待積累更多的數(shù)據(jù)資料，對(duì)泥沙磨損的規(guī)律性進(jìn)一步研究。

[1]能源部電力公司混凝土建筑物病害修補(bǔ)和處理情報(bào)網(wǎng).第三屆水工混凝土建筑物修補(bǔ)技術(shù)交流會(huì)論文集[C].豐滿發(fā)電廠,1992.

[2]魏永暉.三門峽樞紐底孔的磨蝕破壞和修復(fù)[J].水利水電技術(shù),1992.

[3]林秉南.工程泥沙[M].北京:水利電力出版社,1992.

[4]孫雙科.三峽水利樞紐泄洪深孔的泥沙磨損問(wèn)題探析[J].水利學(xué)報(bào),2001.