某水電站泄洪沖沙洞泥沙磨蝕處理分析

李 偉

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆某水電站工程為該河段“兩庫五級”開發中的第四個梯級工程，工程任務是發電和承擔上游工程調峰發電后的反調節，為中型Ⅲ等工程。電站裝機容量75 MW（主電站裝機70 MW、生態電站裝機5 MW），年發電量2.38億kW·h。該水電站工程由大壩、導流兼泄洪沖沙洞、溢洪道、發電引水洞、生態電站放水洞、電站廠房及尾水渠等組成。

該水電站工程于2015年7月投產運行，2016年11月因導流兼泄洪沖沙洞（簡稱“泄洪沖沙洞”）出口工作閘門漏水，在巡視檢查時，發現庫內淤積嚴重、出口工作閘門底板鋼襯已磨蝕破壞，二期底板、邊墻混凝土沖磨蝕嚴重，為保證電站正常效益的發揮和安全運行，需采取修復措施解決泥沙沖磨蝕的問題。

2 工程存在的問題

本工程河流泥沙含量較高，工程投產運行后，運行單位考慮發電效益的最大化，長期高水位運行發電，泄洪沖沙洞長時間小開度運行；庫內泥沙淤積嚴重，泄洪沖沙洞出口工作閘井底板已磨蝕破壞，需采取措施減緩庫內泥沙淤積及泄洪沖沙洞出口工作閘井底板磨蝕問題。庫內淤積和底孔工作閘門底板磨蝕照片見圖1、圖2。

圖1 庫內淤積情況

圖2 工作閘門底板磨蝕破壞情況

3 泥沙淤積和泄洪沖砂洞沖磨蝕分析

3.1 庫內泥沙淤積分析

工程所在流域氣候干燥，植被稀疏，流域內第四紀松散堆積物深厚，是河流主要沙源。在冰雪消融和雨水沖刷下，河道泥沙沿程漸增，汛期5～8月河流輸沙量占全年輸沙量的85%左右。根據實測資料該河多年平均懸移質輸沙率為341 kg/s，多年平均懸移質輸沙率量為1236萬t，多年平均含沙量為4.9 kg/m3。實測最大年輸沙量3922萬t，實測月平均最大輸沙率9818 kg/s。

根據庫內淤沙情況，對汛期輸沙量進行分析，2015年8月3日實測洪峰流量為1283 m3/s，該洪峰流量為1959年以來第三位洪峰，相當于20年一遇的洪水，根據洪峰流量與年輸沙量的關系，2015年輸沙量為2392萬t，為多年平均輸沙量的2.28倍。根據實測資料統計分析，2015年8月輸沙量最大15日輸沙量在1400萬t左右，加之上游工程開工棄渣，沿河大規模石料開采，以及電站實際沖沙運行情況，更加劇了河流泥沙和庫內淤積。根據工程的運行調度情況，針對庫內淤積情況，制定了沖沙調度方案（在此不再敖述），經兩年的沖沙運行，庫內淤積得到有效控制。

3.2 泄洪沖沙洞閘門底板沖磨蝕分析

該河懸移質主要由粘土、粉土和中細沙組成，其中小于0.005 mm黏土占19.2%，0.005～0.05 mm的粉土占43.8%，0.05～0.5 mm的中、細沙占36.6%，粗沙占0.4%。根據泥沙礦物質組成分析，石英含量占45（±5）%，云母和伊利石占（25±5）%，長石占（12±3）%，綠泥石占（10±3）%，碳酸鹽3%～5%，其它少量。其中石英和長石摩氏硬度大于5，為閘門底板磨蝕的主要物質組成。

根據現場運行反饋，工作閘門長期處于小開度沖沙運行狀態，閘門開啟運行時間總計為2688 h，各開度運行時間統計見表1。

表1 工作閘門各開度運行時間統計表

由表1可看出，在泥沙含量較高的情況下，長期小開度、高流速運行是閘門及底板沖、磨蝕破壞的主要原因。

4 閘門底板抗沖磨措施

本工程泄洪沖沙洞功能為施工期導流，運行期承擔泄洪、沖沙和水庫放空任務。由引渠段、進口閘井段、有壓洞身段、工作閘井段、無壓洞身段、出口消能段組成，總長約450 m，設計泄量623 m3/s，校核泄量748.26 m3/s。泄洪沖砂洞縱剖面圖見圖3。

圖3 泄洪沖沙洞縱剖面圖

泄洪沖沙洞出口工作閘井孔口尺寸為6.0 m×6.8 m，工作閘門底板原設計采用鋼板襯護（見圖4），襯護長度為9.0 m，二期混凝土采用C40高強度混凝土。

圖4 閘門底板鋼襯示意圖

對該條河流的泥沙特性和年內懸移質、推移質輸沙總量進行分析，發現閘門底板磨蝕除高速含沙水流沖蝕、磨蝕、氣蝕外，還伴有推移質的沖砸破壞。因此，重點考慮通過什么措施達到抗沖磨、抗沖砸的作用，從而延長維護周期。根據類似工程經驗[1,2]和抗沖磨材料的研發應用情況，結合本工程泥沙和流道水流特性，擬定以下修復措施。

4.1 閘門底板鋼襯采用高強度耐磨鋼板防護

將磨蝕破壞的閘井底板、邊墻二期混凝土全部拆除，并鑿毛一期混凝土，保留原設計插筋；插筋磨損嚴重的采用等直徑植筋替換，并局部加密，底板、邊墻二期混凝土標號提高為C60高強度混凝土。

閘門底檻埋件按原設計尺寸制作，鋼板防護范圍同原設計相同，將表面鋼板換為NM400耐磨鋼板，該材料具有很高的機械強度，性能是普通低合金鋼板的3～5倍，表面硬度通常達到360～450 HB，可顯著提高耐磨性能。

4.2 閘門底板采用抗沖耐磨柔性材料和表面硬度較高的鋼材防護

本工程河流泥沙推移質、懸移質均較高，在汛期推移質尤為突出。考慮此因素，提出將抗沖耐磨柔性材料和表面硬度較高的鋼材結合使用的防護措施。該措施能夠發揮兩種材料抗沖磨和抗沖砸的作用。

4.2.1 表面硬度較高的鋼材選擇

（1）采用重軌作為龍骨，重軌龍骨初擬采用QU100標號重軌，頂寬b為100 mm，高度h為150 mm，材料為U71MN其化學成分（質量分數）為C0.65%～0.77%、Si0.15%～0.35%，Mn1.1%～1.5%，其抗拉強度不小于885 MPa。

（2）采用NM400耐磨鋼板。重軌為型材，用于火車和動車軌道，其表面強度較高，抗沖擊性能高。但考慮重軌表面的圓弧與抗沖耐磨材料的粘結性較差，且重軌表面為強度最高部位可加工性差，現場施工較為困難，因此否定了重軌作為龍骨。考慮現場加工和安裝，采用工字鋼上表面焊接NM400耐磨鋼板替代重軌龍骨的方案，該方案將工字鋼作為龍骨，工字鋼重量相對重軌輕，可加工性好，易焊接。

4.2.2 抗沖耐磨材料的選擇

抗沖耐磨材料在各大科研院所均有研究應用，根據耐磨材料的使用效果，施工工藝，后期維護等綜合分析后，選定高韌性抗沖磨聚脲和抗撕裂澆注式聚氨酯兩種材料進行對比，兩種材料性能指標分別見表2和表3。

表2 高韌性抗沖磨聚脲技術性能指標

表3 抗撕裂澆注式聚氨酯技術性能指標

（1）高韌性抗沖磨聚脲材料具有施工簡單、耐沖磨、耐老化的性能，是一種高分子環保型防護涂層材料[3～5]。通常采用手刮施工，將材料粘結在混凝土表面，砂漿呈粘稠狀，流動性差，在渠道、面板壩裂縫處理等均有應用，經分析研究該材料適用于低流速流道，不耐沖砸，在高流速推移質水流沖砸中易剝離脫落。

（2）澆注式聚氨酯該材料由異氰酸酯（單體）與羥基化合物聚合而成，主鏈含-NHCOO-重復結構單元。由于含強極性的氨基甲酸酯，不溶于非極性基團，其主鏈結構中的硬段含量相對較高，原材料呈液態，流動性強，具有良好的抗撕裂性，同時也具有優良的耐磨性、耐老化性和韌性。

經兩種材料性能對比，考慮其施工工藝，以及與其它金屬、混凝土的粘結性等，確定采用澆注式聚氨酯，除材料本身較為優異的耐磨性能外，最主要的原因是該原材料為液態，透明無色，可采用加固措施來確保材料與基層混凝土的整體性，防止材料本身在沖砸、高速水流情況下被剝離。

5 閘門底板修復方案

通過研究分析，修復方案采用“NM400高強度耐磨鋼板+工字鋼龍骨+澆注聚氨酯涂層”結構。該抗沖磨結構充分利用了耐磨鋼板的高強度、高硬度物理特性，抗沖磨材料的耐磨特性，工字鋼龍骨的整體穩定性，兩種軟、硬耐磨材料防護相結合，相互依托保護，達到抗沖砸、抗沖磨的目的。

將底板二期混凝土鑿除500 mm，拆除原底板門槽埋件，保留原插筋并按圖紙要求位置補充插筋，插筋采用植筋方式，其出露長度應滿足埋件安裝要求，插筋抗拔強度不低于植筋抗拉強度。

龍骨采用I20B工字鋼，沿順水流方向布置，總長9 m，中心距400 mm。在閘門底緣水封部位布設橫向工字鋼，作為底水封止水座，水封上游順水流向設長2 m短龍骨，下游設7 m長龍骨，工字鋼底部布設插筋錨固于二期混凝土。工字鋼上表面較閘井底板低30 mm，工字鋼上翼緣寬102 mm，表面焊接NM400耐磨鋼板，鋼板厚20 mm，寬150 mm。為保證工字鋼龍骨的整體穩定性，工字鋼采用角鋼焊接固定形成骨架，間距500 mm。工字鋼之間結構空隙回填一級配C60高強度混凝土，抗滲指標W6，過水前齡期不低于28 d，回填面低于閘井底板高程30 mm，對回填混凝土表面進行機械打磨、并保持表面干燥。

為保證高速水流沖刷下材料的粘結性和牢固性，在兩工字鋼上翼緣焊接鋼板網加固，鋼板網材質為Q235，厚度8 mm，網孔直徑10 mm，鋼板網底部采用螺紋鋼焊接支撐，起到連接型鋼、提高整體性、增加結合力及支撐的作用。鋼板網焊接完成清理完畢后，在基層及鋼板網表面涂刷專用底膠，將聚氨酯灌入鋼板網縫隙，然后將工業加熱毯、電熱管等加熱設備覆蓋到澆注式聚氨酯模具上，利用控溫設備控制溫度在100～120℃，對聚氨酯涂層進行加熱固化，固化時間6～9 h，聚氨酯固化后對表面進行打磨處理，以確保平整度，由此通過鋼板網將抗磨耐磨材料和型鋼形成有機整體。龍骨三維視圖及抗沖磨結構示意圖分別見圖5、圖6。

圖5 閘門底板龍骨三維視圖

圖6 閘門底板抗沖磨結構示意圖

6 閘門底板修復后使用效果

該閘門底板磨蝕破壞修復于2017年4月9日開工，當年5月13日完工，歷時33 d。經過兩個汛期的檢驗，使用效果較好，達到了抗沖磨蝕的目的，延長了維護周期，節省了維護成本。閘門底板修復后照片及汛后檢查照片分別見圖7、圖8。

圖7 閘門底板工字鋼龍骨示意圖

圖8 閘門底板抗沖磨結構示意圖

7 結語

本文根據含沙水流和推移質在流道中的運動特性，以及抗沖磨蝕材料的性能特點，研究出一種可抵御河床推移質沖擊的抗沖耐磨結構。該結構能夠較好地解決水流中推移質對底板的沖砸，并避免或減緩抗沖磨蝕材料不抗沖砸而發生剝離破壞的問題，具有抗沖磨、抗沖砸的優點。該成果在抗沖磨措施上具有一定創新，可以為類似工程提供參考。但該結構的實施也有不足之處，對施工工藝和環境具有較嚴格的控制要求。如澆筑式聚氨酯需有封閉的空間、干燥的環境、適宜的溫度，為滿足施工條件需花費一定的費用，增加了成本。