葛洲壩電廠二江泄水閘弧形閘門病害分析及預防對策

魏曉翔(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

葛洲壩水利樞紐工程是我國萬里長江上建設的第一個大壩，是長江三峽水利樞紐的重要組成部分。該工程是世界上最大的低水頭大流量、徑流式水電站，是我國水電建設史上的里程碑。葛洲壩水利樞紐工程于1970-12-30日破土動工。1974年10月主體工程正式施工。第一期工程于1981年完工，實現了大江截流、蓄水、通航和二江電站第一臺機組發電，第二期工程1982年開始，1988年底整個葛洲壩水利樞紐工程建成。

葛洲壩水利樞紐工程壩軸線全長2 606.5 m，最大壩高53.8 m，水庫庫容約為7.41億m3。樞紐設計洪水流量為86 000 m3/s，校核洪水最大流量為110 000 m3/s，27孔二江泄水閘是主要的泄洪建筑物，該閘要求調節庫水位以確保發電、通航、調整河勢、排除泥沙等。泄洪弧門閘室底板高程為37.00 m，泄水時為淹沒出流，水躍躍頭進入閘室，接近閘門底緣，而下游地基為粉砂巖，抗沖能力低，故要求閘門必須局部開啟控制流量及水躍躍頭位置，使水流不致對下游防沖設施造成危害。二江泄水閘孔口尺寸12 m×24 m，設計水頭29 m，選用上部平板閘門下部弧形閘門的雙扉門方案，下扉弧形閘門用于常年洪水局部開啟控制流量，上扉門為平板定輪門。

葛洲壩水利樞紐主要的泄洪建筑物27扇泄洪弧形閘門自1981年全部完建以來，在長期局部開啟下已安全運行接近40年，表明閘門的性能狀態達到設計運行要求，但經過長時間運行之后，閘門的許多病害經過累積也越來越明顯的影響閘門的耐久性及安全性，本文以第26扇閘門為例綜述了泄洪弧形閘門目前幾類典型病害的呈現狀態、分布規律及發展程度，從銹蝕、氣蝕、機械刮擦，高速水流沖刷等幾個方面，分析了導致閘門病害的產生原因。以期為病害的治理提供參考。

1 蝕坑病害

1.1 蝕坑病害抽樣統計結果

二江泄洪閘26號弧形閘門各構件的翼緣與腹板上分布大量蝕坑，尤其以下支臂翼緣與縱梁腹板分布最嚴重，如圖1、圖2所示。以一個面積30 cm×30 cm的測量方格為例，縱梁腹板在測試方格內，銹蝕坑數量約為242個，最大銹蝕坑深約1.7 mm；下支臂翼緣在測試方格內，銹蝕坑數量約為216個，最大銹蝕坑深約1.5 mm，部分測量數據見表1。閘門縱梁與下支臂銹蝕測量數據統計分析見表2。

圖1 縱梁腹板表面蝕坑圖

圖2 下支臂翼緣表面蝕坑圖

表1 閘門縱梁與下支臂部分銹蝕測量數據表 mm

表2 閘門縱梁與下支臂銹坑測量數據分析表

1.2 蝕坑病害分布特征

通過閘門外觀檢測，閘門蝕坑病害分布特征如下：

1)蝕坑病害主要分布在閘門水跡線以下，也即在離上主梁1.3 m的閘門下部區域；蝕坑呈蜂窩狀，分布密集；

2)縱梁腹板蝕坑分布密度最大、坑最深，其次依次為下支臂翼緣、邊梁腹板、下主梁翼緣；

3)縱梁腹板比縱梁翼緣嚴重，邊梁腹板比邊梁翼緣嚴重，主橫梁翼緣比主橫梁腹板嚴重，支臂翼緣比支臂腹板嚴重；

4)閘門水跡線以上各構件蝕坑病害輕微；

5)腐蝕表面生物粘附不明顯。

1.3 蝕坑病害產生原因分析及防治方法

蝕坑病害主要分布在閘門水跡線以下，水跡線以上沒有，證明閘門材料在耐蝕性方面沒有化學缺陷；支臂翼緣蝕坑分布密度與坑深比腹板嚴重證明閘門局部積水潮濕非蝕坑產生重要原因，同時生物腐蝕的跡象也不明顯；閘門縱梁、邊梁構件的腹板蝕坑分布密度與坑深比翼緣嚴重得多，支臂、主橫梁構件的翼緣蝕坑分布密度與坑深比腹板嚴重得多，這兩個現象顯示蝕坑分布有明顯的方向性；因此含沙高速水流沖涮與單純的材料銹蝕應該不是蝕坑產生的主要原因，主要原因應該是氣蝕先損壞防腐涂層然后氣蝕與銹蝕的綜合作用導致蝕坑病害的產生與擴展。

既然蝕坑病害是由多因數引起，蝕坑病害的防治方法要綜合治理：一方面尋找最優的閘門開度及閘門組合開啟次序，從而獲得最好的閘門出流流態；另一方面及時補充閘門損壞涂層防止潮濕空氣的直接侵蝕，用這兩種方法共同防治閘門蝕坑病害的進一步擴展速度。

2 面板受刮擦病害

2.1 刮擦病害檢測結果

葛洲壩二江泄洪弧門迎水面病害見圖3，病害面積約占全部面積的60%，病害深度見超聲測厚數據表3，病害橫向分布特征為交替出現，縱向分布特征是有明顯的走向性。病害最大深度2.2 mm。最大平均深度1.74 mm。

圖3 弧門上游面銹蝕區分布特征圖

2.2 刮擦病害產生原因與防止措施

葛洲壩二江泄洪閘選用上部平板門下部弧形門的雙扉門方案，下扉弧形閘門用于常年洪水局部開啟控制流量，上扉門為平板定輪門。

由于弧形閘門頂部靠近平板閘門的底檻，當弧形閘門開啟時，平板閘門下部的防射水封刮擦弧形閘門面板迎水面因而導致刮擦病害。

防射水封要防止高壓水流射水，必須用強度很高的彈簧鋼，因此要抑制刮擦病害有一定難度。需從結構形式、材料選用、工藝改進、被動保護等多方面采取措施進行治理。

表3 閘門面板超聲測厚數據表 mm

從結構空間布置能否縮小防射水封尺寸，減小水封對弧門面板的擠壓力，從而減輕刮削程度；閘門面板可否用一種強度與彈簧鋼相近的材料對弧門面板進行被動保護，雙方結構都減小刮擦程度，諸多措施均需要根據具體情況進行設計，并通過工程實際的施行與考驗。

3 高速水流沖刷病害

二江泄洪閘長期受到高速水流沖刷磨損，尤其洪水期水流含沙量增加，磨損程度加重，在閘門迎水面面板下部1.5 m范圍形成嚴重磨損帶，防護涂層基本沖掉，使該部分面板直接暴露于水中，導致銹蝕滋生加重。閘門迎水面的其他部位以及閘門背水面沖刷效應不明顯。

通過采用環氧金剛砂涂刷面板，水流沖刷病害基本得到抑制，對面板取得了良好的保護作用，見圖4。

圖4 弧門迎水面面板下部1.5 m范圍用環氧金剛砂涂刷保護圖

4 結 語

對水工金屬結構進行安全檢測和評估是及時發現問題和隱患、保障水電站運行安全和經濟效益的重要手段。葛洲壩二江泄洪弧形閘門的安全與耐久性關系到葛洲壩電廠的安全度汛和水庫的正常運行調度。葛洲壩水電站水工金屬結構和啟閉設備配套完備，維護良好，總體運行正常。但對弧門典型病害的全壽命檢測、監測、診斷及定性定量評估工作仍需加強，必要時做專項研究，從而為水工金屬結構的高質量安全運行打下基礎，為國內水工金屬結構的高質量安全運行提供寶貴經驗。