葛洲壩大江電廠排沙孔進(jìn)水口底檻磨損成因分析

劉敦煌，江耀祖，金 峰

（長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

葛洲壩大江電廠排沙孔進(jìn)水口底檻磨損成因分析

劉敦煌，江耀祖，金 峰

（長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

針對葛洲壩大江電廠排沙孔進(jìn)水口檢修門槽底檻磨損問題，采用水下攝像方法，記錄了發(fā)電運(yùn)行時(shí)機(jī)組進(jìn)水口流態(tài)和排沙孔進(jìn)水口門礫石運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)觀測得到水流特性以及礫石運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析了底檻磨損影響因素，提出了避免磨損的基本措施。

葛洲壩；排沙孔；磨損；成因分析；避免磨損措施

1 問題的提出

圖1 葛洲壩水利樞紐及大江排沙孔布置示意圖Fig.1 Layout diagram of the M ain Channel desilting holes in the Gezhouba Project

表1 排沙孔進(jìn)水口檢修門槽底檻磨損統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of erosion at the bottom sill of gate recess of service gate of the desilting outlet entrance

葛洲壩水利樞紐位于三峽大壩下游約38 km，是三峽水利樞紐的反調(diào)節(jié)水庫和航運(yùn)梯級。樞紐建筑物從左岸至右岸依次為：左岸土石壩、3號船閘、三江沖沙閘、混凝土非溢流壩、2號船閘、混凝土非溢流壩、二江電站、二江泄水閘、大江電站及排沙孔、1號船閘、大江泄水沖沙閘、右岸混凝土擋水壩、右岸土石壩等。樞紐及大江排沙孔布置如圖1所示。為了減少電廠前沿的淤積和泥沙過機(jī)，大江14個(gè)排沙底孔對應(yīng)設(shè)置在14臺發(fā)電機(jī)組進(jìn)水口下部（每個(gè)排沙孔分左、右2個(gè)孔布置），汛期開閘拉沙，以分擔(dān)排泄各機(jī)組的廠前來沙。排沙孔從左至右編號為8＃左和8＃右至21＃左和21＃右，排沙孔進(jìn)水口底板高程29.2 m，低于機(jī)組進(jìn)水口底板高程約11.5 m，進(jìn)水喇叭口尺寸8.55 m×7.1 m（高×寬），漸變到流道尺寸為5 m×5 m，計(jì)算水頭18.6 m下的單孔排沙流量為200 m3／s，平均流速3.3～4.7 m／s。發(fā)電機(jī)組及排沙孔進(jìn)水口區(qū)域布置如圖2所示。大江電廠排沙孔1987年投入運(yùn)行，根據(jù)洪水入庫情況，各排沙孔每年分別開啟運(yùn)行數(shù)10 d。2001年，在大江電廠排沙孔進(jìn)口檢修門槽潛水檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)底檻鋼板兩側(cè)混凝土都有沖蝕，底檻中部區(qū)有大小不等的沖坑，多數(shù)沖坑大骨料和鋼筋出露［1］。文獻(xiàn)［1］對排沙孔進(jìn)水口底檻磨損情況進(jìn)行了詳細(xì)描述和分析，進(jìn)水口底檻磨損破壞情況，統(tǒng)計(jì)列于表1。由表1可以看出，8＃至21＃左、右排沙孔底檻均發(fā)生磨損形成沖坑，沖坑深度基本相同，沖坑面積大小分布沒有特別規(guī)律，其中8＃左、19＃右和20＃左、右孔沖坑面積最大。為了研究機(jī)組運(yùn)行時(shí)排沙孔進(jìn)水口底檻附近流場及流態(tài)，礫石運(yùn)動(dòng)規(guī)律和分布，根據(jù)樞紐機(jī)組發(fā)電調(diào)度，選擇布置在13F發(fā)電機(jī)組的13＃右排沙孔進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測，依此作為揭示和分析磨損原因的依據(jù)，進(jìn)而提出改善的措施，保證樞紐安全可靠運(yùn)行。

圖2 大江發(fā)電機(jī)組及排沙孔進(jìn)水口區(qū)域示意圖Fig.2 Diagram of generator set in the M ain Channel and desilting outlets entrance region

2 觀測方法及機(jī)組運(yùn)行條件

采用水下攝像方法對排沙孔進(jìn)水口區(qū)域流態(tài)及礫石流動(dòng)軌跡進(jìn)行觀測。根據(jù)檢修門門槽尺寸和觀測范圍，設(shè)計(jì)制造了鋼結(jié)構(gòu)儀器架，在鋼架特征部位安裝攝像頭儀器5臺，攝像頭儀器能在一定范圍內(nèi)移動(dòng)調(diào)整拍攝位置，在鋼架適當(dāng)部位預(yù)置絲帶，示蹤水流、礫石流動(dòng)方向。觀測前將鋼架及攝像儀器在檢修門槽部位下沉安裝到底檻（約28 m水深）。選擇13＃右排沙孔布置水下觀測攝像儀器，編號為13F機(jī)組以及相鄰的12F和14F機(jī)組，3臺機(jī)組組合發(fā)電作為觀測研究的運(yùn)行水流條件。部分機(jī)組運(yùn)行組次、出力以及水力學(xué)條件列入表2。根據(jù)在底檻部位打撈出水的礫石樣品，選用相同的礫石粒徑（粒徑0.5～3.0 cm，混合后表層染色為紅、綠、黃三色）用于水下示蹤演示，然后在進(jìn)水口口門至排沙孔口門長約有5 m距離范圍，垂直流道方向分別預(yù)置3條礫石堆（上游側(cè)、中間和下游側(cè)，分別用紅、綠和黃色礫石區(qū)分），每堆礫石鋪置尺寸約為6.0 m× 0.3 m×0.1 m（長×寬×高），其中上游側(cè)礫石堆中混合有5.0～10.0 cm粒徑礫石約0.3 m3。

3 底檻磨損原因及避免磨損的措施

表2 機(jī)組運(yùn)行組次、機(jī)組出力以及水力學(xué)條件Tab le 2 Unit operation classes，the unit outputs and the hydraulic conditions

通過上述發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，觀測記錄排沙孔進(jìn)水口區(qū)域流態(tài)13個(gè)組次。水下各測點(diǎn)記錄綜合顯示：在檢修門門槽區(qū)域出現(xiàn)立軸渦旋水流，帶動(dòng)礫石（綠、黃色卵礫石）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。水流旋轉(zhuǎn)由弱變?yōu)檩^為強(qiáng)烈時(shí)，礫石隨水流在底檻旋轉(zhuǎn)移動(dòng)變化為快速上升旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)上大下小、上疏下密的沙漏形狀；水流旋轉(zhuǎn)由較強(qiáng)變?yōu)檩^弱時(shí)，大粒徑礫石（粒徑大于等于1.5 cm）下沉到底檻堆積慢速移動(dòng)，小粒徑礫石（粒徑小于1.5 cm）慢速旋轉(zhuǎn)，逐漸下沉。渦旋水流在一定范圍內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)，礫石跟隨旋轉(zhuǎn)、起落?？梢钥吹剑S運(yùn)行時(shí)間增加，紅色礫石進(jìn)入到檢修門門槽區(qū)域的也逐步增多，隨渦旋水流旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。機(jī)組或相鄰機(jī)組的組合運(yùn)行，改變了13＃右排沙孔進(jìn)水口口門的水流流態(tài)，使其在檢修門門槽范圍發(fā)生的立軸渦旋水流的強(qiáng)弱和旋轉(zhuǎn)移動(dòng)范圍明顯變化。其中13F單機(jī)運(yùn)行發(fā)生的立軸渦旋水流最為強(qiáng)烈，表明相鄰機(jī)組參與運(yùn)行，其機(jī)組水流流速、流向發(fā)生疊加，改變了渦旋水流的強(qiáng)弱和位置。

3.1 河勢及樞紐布置特性影響

長江上游來水水流經(jīng)南津關(guān)進(jìn)入水庫，水面逐漸寬闊，水流流速逐漸減小。由上游河道帶入的砂礫石在樞紐水庫逐漸沉淀，并通過三江、二江和大江排沙孔排沙運(yùn)行，將砂礫排到下游河床。排沙運(yùn)行結(jié)束后，由于壩前右岸水流平緩，推移砂礫石越過排沙坎，到達(dá)大江電廠機(jī)組進(jìn)水口范圍，而進(jìn)入排沙孔口門，多為粒徑小于3.0 cm的砂礫石。在大江發(fā)電機(jī)組運(yùn)行水流作用下，砂礫移動(dòng)集中進(jìn)入了排沙孔檢修門門槽區(qū)域，隨機(jī)組運(yùn)行時(shí)間增加，礫石逐步增多。雖然采取一定的工程措施和運(yùn)行措施可以防止礫石進(jìn)入和滯留在排沙孔進(jìn)口段，如定期在礫石推移路徑范圍進(jìn)行堤外挖沙，減小水面底層流速，提高礫石堆積體積，從而截?cái)嗟[石移動(dòng)的通道；亦可緊鄰每個(gè)排沙孔前設(shè)置一道類似疊梁閘門的鋼結(jié)構(gòu)攔沙坎，在需要排沙時(shí)吊起，通過排沙孔排沙后重新置入，同樣可起到攔排沙的作用。但這些措施實(shí)施的工程量較大，尤其是施工難度較大；且必須保證可以攔截全部礫石，因?yàn)橹灰猩倭康牡[石進(jìn)入到檢修門門槽區(qū)域，就一定會隨水流參與旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，對底檻建筑材料進(jìn)行磨損。

3.2 排沙孔進(jìn)水口布置影響

觀察大江電廠進(jìn)水口區(qū)域水面流態(tài)，13F機(jī)組單機(jī)運(yùn)行，其13＃右排沙孔進(jìn)水口水流與口門中心線約為50°夾角（斜向水流夾角）流入機(jī)組流道；進(jìn)水口水面以下，底檻區(qū)域的水流向上流動(dòng)，越過排沙孔口門進(jìn)入電站進(jìn)水口。多方向變化的水流，集合在檢修門門槽區(qū)域，最終產(chǎn)生渦旋水流流態(tài)，帶動(dòng)了排沙孔口門底檻的礫石，在檢修門槽區(qū)域隨立軸渦旋旋轉(zhuǎn)，礫石與底檻材料反復(fù)摩擦，導(dǎo)致了底檻磨損。在目前機(jī)組進(jìn)水口布置形式下，要顯著改變進(jìn)水口區(qū)域的流態(tài)是不可能的，但仍可采取以下一些運(yùn)行調(diào)度措施，使之得到一些改善。如在樞紐運(yùn)行不沖砂時(shí)段，關(guān)閉排沙孔檢修門，通過檢修門門體，改變局部流態(tài)，阻隔機(jī)組發(fā)電引水洞底部過流通道；同時(shí)門體結(jié)構(gòu)阻尼作用也可減弱或消除渦旋水流；亦可根據(jù)排沙孔運(yùn)行特性，分時(shí)段小開度開啟閘門短時(shí)間排沙運(yùn)行，以適當(dāng)?shù)牧髁考皶r(shí)排除機(jī)組口門區(qū)域的礫石。

3.3 避免磨損的基本措施分析

根據(jù)礫石推移路徑以及排沙孔口門特殊流態(tài)，以上分析的幾種基本措施在實(shí)施中也存在一些不利因素，如在口門進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工，難度較大；檢修門在水下雖然可以改變流態(tài)，但是否造成磨損部位轉(zhuǎn)移亦不清楚。因此仍須經(jīng)過觀測比較后，綜合運(yùn)用，盡量減小施工工程量。運(yùn)行管理單位以往采用特殊材料進(jìn)行水下填充修補(bǔ)，容易被排沙運(yùn)行水流沖失或礫石磨損，效果不明顯，而且水下填補(bǔ)施工難度大，周期較長。觀測資料顯示，檢修門槽底檻礫石堆中，一直未發(fā)現(xiàn)粒徑大于5.0 cm礫石，表明機(jī)組發(fā)電運(yùn)行水流未能啟動(dòng)推移，預(yù)置后就一直停留在口門?？梢酝茢?，預(yù)置大粒徑礫石在底檻，當(dāng)?shù)[石堆整體慣性力大于渦旋水流沖力時(shí)，礫石堆保持靜止，停留在原處，當(dāng)有小粒徑礫石進(jìn)入底檻，就會阻礙其移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)；同時(shí)大粒徑礫石覆蓋在底檻，轉(zhuǎn)變成為防護(hù)底檻磨損的材料。在每次排沙孔排沙運(yùn)行結(jié)束后，即可預(yù)置大粒徑礫石，成為阻尼礫石，阻止或減弱立軸渦旋流態(tài)，改變礫石旋轉(zhuǎn)磨損的對象，在下次排沙運(yùn)行中排到下游河床。該方法運(yùn)行簡單可靠，在實(shí)際應(yīng)用中，可依據(jù)上游水庫礫石來量變化調(diào)整預(yù)置部位和范圍。

4 結(jié) 語

葛洲壩水利樞紐運(yùn)行20年，各建筑物互相配合運(yùn)行，達(dá)到了泄洪、排沙的要求，從總體上解決了泄洪、排沙問題，保證了工程的安全和正常運(yùn)行。觀測表明，少量礫石推移可以到達(dá)大江電廠機(jī)組進(jìn)水口門，對排沙孔進(jìn)水口底檻局部產(chǎn)生了磨損。

本次觀測首次采用水下攝像觀測記錄水力學(xué)現(xiàn)象，得到清晰的水下立軸渦旋水流特征和檢修門槽底檻礫石旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的現(xiàn)象。通過上述避免磨損的措施探討，采取樞紐運(yùn)行調(diào)度以及預(yù)置阻尼礫石等方式，可以改變底檻水流流態(tài)，減小以致消除礫石與底檻直接磨損。應(yīng)繼續(xù)安排水下觀測，研究確定阻尼礫石的粒徑范圍以及預(yù)置的最低數(shù)量。

致 謝：葛洲壩檢修廠提供并安裝水下觀測儀器設(shè)備，配合完成攝像記錄等工作，在此一并致謝。

［1］ 周江余.葛洲壩大江電廠排沙底孔進(jìn)口沖坑處理［J］.中國三峽建設(shè)，2004，（6）：54－5（ZHOU Jiang-yu.Gezhouba dajiang sand bottom row of the import dealwith scour［J］.China’s Three Gorges Construction，2004，（6）：54－56.（in Chinese））

［2］ 劉敦煌.葛洲壩大江電廠排沙底孔進(jìn)水口底檻區(qū)域水力學(xué)觀測報(bào)告［R］.武漢：長江科學(xué)院，2006.（LIU Dun-huang.Gezhouba power plant row sand bottom river bottom threshold region inlethydraulics observation report［R］.Wuhan：Changjiang Academy of Sciences，2006.（in Chinese））

［3］ 孟憲鐸.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社.1992.（MENG Xian-duo.Mechanical reliability design［M］.Beijing：Metallurgical Industry Press.1992.（in Chinese））

（編輯：曾小漢）

Analysis of Abrasion Causes at Inlet Bottom Sill of Desilting Outlet for Gezhouba Power Plant

LIU Dun-huang，JIANG Yao-zu，JIN Feng
（Hydraulics Research Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Aiming at the problem of the abrasion at the bottom sill of emergency gate of desilting outlet of Gezhouba Power Plant，we recorded the flow state of the generator set inlet and themovement of sediment and gravels in the sediment-flushing inletwhile the generator sets were running by the underwater photography.By observation，the character of the flow and the law of the sedimentmovement were gotten，the influencing factors of the abrasion at the bottom sillwere analyzed，and some basic measures for avoiding abrasion were given.

Gezhouba Power Plant；the sediment-flushing outlet；abrasion；cause analysis；measures for avoiding abrasion

TV698.1

A

1001－5485（2010）06－0023－03

2009-08-18；

2009-10-12

劉敦煌（1953-），男，湖北武漢人，高級工程師，主要從事工程水力學(xué)科研和機(jī)械設(shè)計(jì)工作，（電話）027-82829760（電子郵箱）liudunhuang＠163.com。