基于減少泥沙通量的水電站磨蝕主動防御措施分析

劉紅賓 馬懷寶 張雷 劉延光 韋威

摘要：水輪機過流部件磨蝕和氣蝕是多沙河流水電站面臨的普遍問題。粗顆粒泥沙過機，會造成過流部件磨蝕破壞。為了減少過機泥沙并從根本上解決水輪機磨蝕問題，提出了采取主動防御的技術路線，通過發揮水庫對泥沙的調節能力，減少過機泥沙含量或減少粗顆粒泥沙過機，達到減輕水輪機過流部件磨蝕的目的。結合三門峽水庫的運行實踐，利用水庫有效庫容對泥沙進行調節，優化水庫和機組調度，將對泥沙的防治上移到水庫庫區。實踐表明，主動防御措施不僅能夠減輕機組磨損破壞，還可減輕粗顆粒泥沙對抗磨涂層的沖刷，使被動防護措施效果能夠持續時間更長、更耐久。

關鍵詞：過機泥沙; 磨蝕防護;主動防御;泥沙治理;三門峽水電站

中圖法分類號：TV737文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.011

1 研究背景

水庫具有防洪、灌溉、供水、發電等綜合利用功能，在流域經濟發展和環境保護方面有著不可替代的重要地位，幾乎所有建設在含沙量較大河流上的水庫都會出現泥沙淤積[1-3]，直接造成過機含沙量及粗泥沙含量增大，過流部件磨蝕和水工建筑物磨損加劇，使設備性能參數惡化，水力機械運行效率降低，能量損失增加，效率下降，影響設備預期使用壽命，嚴重情況下還會導致整個機組和水電站廠房產生振動的危險。隨著破壞面的加大，機組將難以運行，甚至出現重大事故[4-6]。而水工建筑物的磨損，輕者造成閘門關閉不嚴，漏水嚴重，重者造成混凝土鋼筋裸露、銹蝕破壞，直接影響工程安全運行。

目前，對機組過流部件或水工建筑物采取的磨蝕防護措施[5-8]，都是采用金屬或非金屬材料，在被保護對象表面形成隔離層，將高速水流和泥沙與被保護對象隔離開。用隔離層抵御高速水流和泥沙的沖刷和撞擊，保護母材不被磨蝕，防止母材產生新的破壞或延緩其磨蝕破壞進程，屬于被動性防護措施。

當前，防腐抗磨的研究受學科和專業方向的限制，始終沒有跳出單一被動防護的思路，僅針對保護對象采取措施，不能從根本上加以治理。

2 主動防御的技術路線及作用

2.1 主動防御的含義

庫區大量的泥沙淤積，是水電站管理部門面臨的一個非常突出的問題。樞紐電站機組過流部件和水工建筑物的磨損，是由于修建工程后泥沙集中通過造成的，可以視為工程泥沙問題。

有些樞紐在運行過程中，由于河流泥沙輸移規律的復雜性和多變性，會出現一些設計時未能全面考慮到的情況。有些運行管理單位不能正確處理短期經濟效益和長期綜合效益的關系，忽視了水庫的可持續利用和可持續發展，片面追求高發電效益，缺乏對水庫的保護，特別是不注重對泥沙的防治和有效庫容的保護，造成庫區泥沙淤積過快，淤積形態不合理，泥沙在短時間內就推到壩前，過機含沙量迅速加大，水輪機過流部件產生磨損，甚至出現排沙洞被淤堵，閘門難以提起，樞紐不能正常運行等嚴重情況，形成水庫淤積-過機含沙量加大-機組磨蝕-抗磨處理-水庫進一步淤積-機組磨蝕加劇的惡性循環。

很多水電站水輪機及水工建筑物的磨蝕破壞由泥沙引起，泥沙中的石英（SiO2）、金剛砂（Al2O3）、斜長石（Na[AlSi3O8]-Ca[Al2Si2O8]）對機組的影響最為嚴重。泥沙來源于上游河道、水庫的輸送，因此，充分發揮水庫的泥沙調節能力，將水輪機過流部件水工建筑物的磨蝕防護上延到庫區泥沙的處理，減少過機泥沙，特別是減少粗顆粒泥沙過機，由單一的被動防護，變為主動防御和被動防護相結合。

主動防御和被動防護可以以電站進水口攔污柵為分界，柵前措施都屬于主動防御范疇，柵后措施則屬于被動防護。

2.2 主動防御的技術路線和手段

通過發揮水庫對泥沙的調節能力，減少過機泥沙含量或粗顆粒泥沙過機，達到減輕水輪機過流部件磨蝕的目的。相關工作包括水庫庫容的維護和恢復、水庫運用調度以及為了做好此項工作需要收集的各項信息，如進出庫水沙、庫區淤積狀態、過機含沙量、洪水預報等，都是為了減輕水輪機過流部件磨蝕采取的各項預防措施。對已經產生嚴重淤積、失去泥沙調節能力的水庫，需要通過恢復庫容，在壩前塑造出有一定容積的沖刷漏斗區，利用漏斗區庫容對泥沙進行調節。雖然這些問題一般在水庫設計階段就已經考慮，但隨著水庫的運用，尤其是老舊水庫，來水來沙條件同設計相比發生了變化，水庫淤積形態同設計相比往往存在差異。隨著人類對水庫泥沙研究認識的提高，需要采用新手段、新措施減少水庫淤積。

除在來水來沙區采取水土保持措施，如修建攔沙壩等，減少泥沙入庫外，減少水庫淤積的措施還包括以下幾個方面：

（1）利用異重流排沙。異重流排沙是水庫減淤的一種重要方法，當水庫形成異重流后，開啟底部泄洪孔排出渾水，保留上部清水，可以做到既排沙又蓄水。通過多個水庫異重流排沙數據分析，通常一次異重流排沙比可達40%～90%，多次異重流平均排沙比可達30%～60%，排沙效果相當可觀。

（2）定期泄空沖刷，恢復庫容。水庫泄空沖刷是降水沖刷的極端措施，依靠大流量、高流速的沖刷可以加快水庫排沙速度，使淤積物集中排出庫外，恢復庫容。根據前期淤積情況和沖刷強度，水力沖刷的周期可以2～3 a一次或每年1～2次，每次沖刷的持續時間幾天至十幾天不等。

（3）采用機械設備進行清淤。機械清淤方法不外乎采用挖泥機、吸泥泵、吸泥船等機械設備，將已經淤積在庫內的泥沙清運到庫外。機械清淤一般成本較大，常見于小型水庫使用。

（4）人工措施和水力措施相結合。前期借助于機械設備，在庫內開挖河槽、疏浚等，后期則借助水力沖刷，能起到事半功倍的效果。

2.3 減少過機泥沙的措施

在水庫大壩設計時，設置泄洪底孔高程低于電站進水口高程，在電站段兩端或中間設置排沙底孔，電站進口前設導沙坎，采用“蓄清排渾”運用方式。運用時采用的具體措施如下。

（1）當來水量比較大時，利用底孔和排沙洞進口高程比較低的有利條件，及時開啟排沙底孔或排沙洞分流排沙，導引底層運動的粗顆粒泥沙避開發電機進口，排出庫外。

（2）調整水庫淤積形態，利用壩前漏斗區沉沙。降低庫水位運用或泄空沖刷在壩前形成的漏斗區，河底坡度相對平緩，水庫在高水位運用時必然形成壅水，流速減緩，上游來水挾帶的相對粗顆粒泥沙在此區間落淤暫存，根據漏斗區淤積情況，選擇合適的時機降低庫水位運用或泄空排沙出庫。保持壩前適當范圍的沖刷漏斗區，對減少過機含沙量和粗泥沙過機，減少水輪機磨蝕有極其重要的作用。

（3）適時調度，避沙運行。汛期受庫區支流降雨來水影響，來沙增多，當過機含沙量比較高時，水庫就需要強化適時調度，使水電站機組避沙運行。

水庫避沙運行需要及時掌握進出庫含沙量和過機含沙量的變化情況。進庫含沙量是水庫調度的重要參考指標，需要及時通過干、支流水文站獲取其變化情況。當水庫沒有棄水運行時，出庫含沙量即為過機含沙量，分析其變化情況，就基本可掌握泥沙對水輪機過流部件的磨蝕狀況。

對水輪機抗磨而言，過機含沙量的大小是一個非常重要的參數，實時監測過機含沙量可用于研究壩前含沙量垂向分布、過機含沙量變化、懸沙級配與入庫水沙、淤積形態、水庫調度等因子之間的響應關系，便于沙峰的提前預報，并結合實時監控，適時避沙峰運行，達到減緩水機過流部件磨蝕目的。獲取進出庫含沙量變化情況，對于整個水庫的宏觀調度無疑是非常重要的，但不能代替機組過機含沙量的觀測。

2.4 主動防御的功能和作用

（1）減少過機含沙量和粗顆粒泥沙。對機組磨損起主要作用的是粗顆粒泥沙，保持一定的庫容可以增加對來沙的調節能力，使上游來沙在經過庫區向壩前運動時，泥沙先在漏斗區內產生沉降。尤其是對機組過流部件磨損起決定性作用的粗沙，在漏斗區暫時沉積，遠離電站進水口，減少過機粗泥沙所占比例，從而減輕泥沙對機組的磨損破壞。

（2）節約運維費用。機組磨蝕減輕后，狀態穩定，運行可靠，減少了檢修次數、停機時間及日常維護的工作量，延長了機組使用壽命，也節約了運維費用。

（3）減少棄水，增加發電量。保留或恢復一定的庫容，可以增強對水量的調節能力，減少棄水，增加發電量。尤其是當來水日間變化幅度比較大時，由于調節能力增大，可以將棄水轉化為發電用水，增加發電量。

3 三門峽水電站水輪機抗磨蝕案例分析

三門峽水庫由于建庫初期發生了嚴重淤積，水輪機過流部件及泄流排沙流道遭受了嚴重破壞，經過多年的研究和探索，如今尋找到了新的解決途徑。

三門峽電站在全年（1973～1980年）發電運行階段，由于庫區淤積嚴重，過機平均含沙量為282 kg/m3，水輪機主軸密封快速磨損，漏水量增大。頂蓋泵密封的磨損以及龍頭坑淤積，常使頂蓋泵不能正常排水，導致機組檢修工作量大增。4號機組運行30 465 h后，其轉輪葉片和轉輪室中、下環受氣蝕、磨損的嚴重破壞，已近于報廢，補焊面積達62.48 m2，使用焊條共9 300 kg，大修歷時222 d。

在此期間，采用在易破壞區覆蓋保護層的方法進行防護。水輪機過流部件葉片正面、轉輪連接體、錐體等表面涂敷環氧金剛砂漿，葉片背面采用金屬陶瓷堆焊;對水工建筑物采取了輝綠巖鑄石板、C60高強混凝土、鋼纖維混凝土、高強砂漿、鋼板鑲護等防護技術。這些措施取得了一定效果，但磨蝕、氣蝕破壞仍相當嚴重。每臺次機組的檢修時間仍需要120 d左右，修補用焊條3 000～4 000 kg，僅補焊打磨就需要40～50 d，難以從根本上解決問題。

受泥沙磨蝕破壞影響，水電站被迫從1980年起在汛期停止發電運行，占全年來水量60%以上的汛期水資源未能利用，損失巨大。

經過多學科專家共同研究，反復論證，認為過機粗顆粒泥沙是造成磨蝕、氣蝕的主要因素。因此，在做好表面防護的同時，應從泥沙問題入手解決水輪機過流部件和水工建筑物磨損問題。

三門峽水電站于1994年開展了汛期渾水發電原型試驗，目的是通過恢復近壩河段河槽庫容，增大水庫調水調沙能力，減緩機組磨損破壞。運用原則為“洪水排沙，平水興利”，汛期依靠洪水在庫區形成溯源沖刷，恢復漏斗區庫容。

經過6 a的汛期發電試驗和研究，取得了豐富的成果：

（1）通過增大調沙庫容和優化水庫調度運用，過機含沙量比同期出庫含沙量降低16%，比進庫降低30%左右。

（2）過機含沙量和粗泥沙含量減少，過機泥沙粒徑大于0.05 mm的占過機泥沙的比例降到了10%以下。

（3）減少粗顆粒泥沙過機后，在不改變檢修周期的情況下，將過機含沙量由1998年以前的30 kg/m3以下發電運行，提高到60kg/m3以下可以發電運行，汛期發電常態化。

（4）機組運行質量極大提高，機組輪修時間由3～4 a一次，延長到4～6 a一次，工期由120 d縮短為110 d左右。焊條消耗量大幅度減少，僅需100～300 kg，節約了投資和運行成本，也減少了葉片母材因多次堆焊產生裂縫等應力集中現象，機組運行安全得到了更加可靠的保證。

（5）經濟效益大幅提高。通過對泥沙的治理，水庫調節能力增強，汛期發電量逐年提高（見表1）。目前，汛期發電量基本穩定在40 000萬kW·h左右。

（6）摸索出了一套適合三門峽水庫的運行方式。在原型試驗的基礎上，將運用方式進一步優化為“洪水排沙，平水控制”。當前，三門峽水庫6月底至7月初入汛時先進行一次集中排沙，使庫區近壩段漏斗區庫容，由排沙前的0.1億～0.2億m3恢復到0.5億～0.6億m3。進入汛期后，來水來沙增加，泥沙先在漏斗區落淤暫存，遇到合適來水條件，再集中排出水庫，效果十分顯著。在一個運行年內，壩前漏斗區表現為汛前排沙恢復—汛期發電沉沙堆積—洪水期排沙恢復的良性循環。

目前，一般洪水期間，當含沙量在30kg/m3以下時，機組正常發電運行。當含沙量達到30～60kg/m3時，及時增加巡檢人員數量，加大巡檢力度和頻次，密切注意頂蓋上水和排水情況。含沙量達到60～80kg/m3時，如果來沙量比較穩定，變化波幅不大，且有下降趨勢時，機組加密巡檢頻次運行;但如果來沙有增加趨勢，且頂蓋上水明顯增加，并有繼續加大趨勢時，機組必需停機，實行避沙運行，同時開啟底孔排沙，擴大漏斗區庫容，恢復沉沙能力。

三門峽水電站運行的實踐證明，通過水庫的調節作用，可有效減少過機含沙量，解決了水輪機磨蝕問題。主動防御措施不僅能夠減輕機組磨損破壞，還可以減輕粗顆粒泥沙對抗磨涂層的沖刷，使被動防護措施效果能夠持續更長時間。

4 結 語

對于水庫泥沙清淤，保持壩前有一定容量的沖刷漏斗，增加對水量和泥沙的調節能力，是實施過流部件主動防御的前提條件。對于新投入運用的水庫，運用起始就要把防止泥沙淤積放在十分重要的位置，使水庫始終能夠保持一定的調節能力。一旦有部位發生不合理淤積，治理難度會加大，甚至造成不可逆的永久喪失。對仍然保持有一定水沙調節能力的水庫，調度運行時必須給予充分的重視，不能任其發展。對于淤積已經比較嚴重的水庫，需要采取措施恢復庫容，必要時只能適當犧牲部分電量，以電量換庫容，降水運用以沖刷泥沙。

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（編輯：李 慧）