黃河萬家寨水利樞紐排沙鋼管沖蝕破壞修復(fù)

（黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西省忻州市 036412）

0 引言

萬家寨水庫達(dá)到設(shè)計(jì)淤積平衡后，水庫低水位排沙運(yùn)行日趨常態(tài)，低水位排沙運(yùn)行期間，排沙鋼管承擔(dān)重要的泄水排沙工作，排沙鋼管運(yùn)行時(shí)出口段處流速由9.86m/s陡增到25.23m/s，在高流速、高含沙水流作用下，先是混凝土表面砂漿被沖蝕，原光滑的泄流表面出現(xiàn)沖坑，形成局部損壞，并逐漸擴(kuò)展，由于碳素鋼的抗沖磨性能低于混凝土，金屬結(jié)構(gòu)沖蝕損壞程度比混凝土更為嚴(yán)重。排沙鋼管作為樞紐泄水建筑物的重要組成部分，對水工建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和水庫排沙運(yùn)用具有舉足輕重的影響，因此對排沙鋼管沖蝕破壞的修復(fù)以及修復(fù)后運(yùn)行方式的優(yōu)化顯得極為重要。

1 工程概況

萬家寨水利樞紐位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段內(nèi)，是黃河中游梯級開發(fā)的第一級。壩址左岸為山西省偏關(guān)縣，右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗。樞紐由攔河壩、壩后式電站廠房、GIS開關(guān)站、引黃取水口等建筑物組成，工程的主要任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰，同時(shí)兼有防洪、防凌作用。樞紐壩址控制流域面積39.5萬km2，多年平均入庫徑流量248億m3，設(shè)計(jì)多年平均徑流量192億m3。設(shè)計(jì)多年平均入庫沙量1.49億t，設(shè)計(jì)多年平均含沙量6.6kg/m3。水庫總庫容8.96億m3，調(diào)節(jié)庫容4.45億m3。水庫采用“蓄清排渾”運(yùn)用方式，排沙期運(yùn)用水位952.00～957.00m。

攔河壩為半整體式混凝土直線重力壩，壩頂長443m，壩頂高程982.00m，最大壩高105m。12～17壩段為電站壩段，壩上設(shè)6個(gè)發(fā)電引水鋼管進(jìn)水口。為防止機(jī)組檢修時(shí)電站進(jìn)水口被泥沙淤堵和減少過機(jī)泥沙，除12壩段6號機(jī)組外，在每個(gè)進(jìn)水口左下側(cè)設(shè)孔口尺寸為2.4m×3.0m的排沙孔，經(jīng)漸變段至上彎段、斜直段接下彎段到水平段后上升漸變由廠房尾水管上部穿出，出口射流消能。在排沙鋼管進(jìn)口處設(shè)置檢修閘門和事故閘門各一道，出口處設(shè)置工作閘門和檢修閘門各一道。進(jìn)口高程為912.00m，至壩內(nèi)事故檢修閘門處上升為917.00m，鋼管直徑2.7m，出口斷面1.4m×1.6m，底板高程889.99m。庫水位952.00m時(shí)單孔泄量為56.52m3/s。

鋼管內(nèi)壁及明管段、墊層段外壁均采用厚漿型環(huán)氧瀝青防腐涂料進(jìn)行防腐處理，漆膜厚度μ500。其余管段外壁均采用水泥漿進(jìn)行防腐處理。出口段由于斷面縮小，出口流速增至25.23m/s，考慮到高速含沙水流的磨蝕作用，在轉(zhuǎn)彎部位及出口漸變段采用環(huán)氧金剛砂涂層，以增強(qiáng)排沙鋼管抗磨蝕作用。

萬家寨水利樞紐工程于1998年11月28日首臺機(jī)組發(fā)電，2002年上半年工程全部竣工。至今，已安全運(yùn)行18年。2010年經(jīng)實(shí)測，距壩11km以上至距壩60km已經(jīng)基本達(dá)到設(shè)計(jì)淤積平衡，為使萬家寨水庫保持必要的調(diào)蓄能力、延長水庫使用壽命，水庫低水位排沙運(yùn)行日趨常態(tài)。

2 排沙鋼管運(yùn)行情況及沖蝕破壞分析

2.1 萬家寨水庫近年運(yùn)行情況

2010年底，萬家寨水庫基本達(dá)到設(shè)計(jì)泥沙淤積平衡狀態(tài)。2011年起，萬家寨水庫汛期基本按照汛限水位966m控制運(yùn)行，8、9月水庫轉(zhuǎn)入952～957m低水位排沙運(yùn)行。2014年，由于957m以下庫容萎縮，不能滿足日發(fā)電調(diào)節(jié)，水輪機(jī)磨蝕嚴(yán)重、機(jī)組運(yùn)行工況較差。為了恢復(fù)有效調(diào)節(jié)庫容，改善機(jī)組運(yùn)行工況，萬家寨水庫2014年除8、9月952～957m排沙運(yùn)行外，并于9月16～18日進(jìn)行了蓄水以來的首次沖沙運(yùn)行。此后2015年8、9月主汛期間也利用較大入庫流量來水，庫水位短期降至948m進(jìn)行了沖沙運(yùn)行。2016年主汛期由于上游來水流量過小，不能滿足大規(guī)模排沙運(yùn)行條件，水庫排沙運(yùn)行時(shí)間維持較短，僅對壩前泥沙淤積形態(tài)做了改善。

2.2 排沙鋼管近年運(yùn)行情況

對近年來排沙鋼管運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2009～2016年期間，萬家寨5條排沙鋼管累計(jì)運(yùn)行283.6天。運(yùn)行時(shí)間集中在每年的凌汛期（3、4月）及主汛期（8、9月）。排沙鋼管在庫水位951.86～957.78m運(yùn)行。

2009～2016年期間，1～5號排沙鋼管分別累計(jì)運(yùn)行93、11.9、51.9、63.2、63.6天。運(yùn)行天數(shù)對比如圖1所示。

圖1 2009～2016年排沙鋼管運(yùn)行天數(shù)Fig.1 2009-2016 annual sediment pipe operation days

由圖2可見，2009～2013年，1～5號排沙鋼管分別運(yùn)行43.8、11.9、40、35.3、43.5天。其中，2號排沙鋼管運(yùn)行時(shí)間明顯少于其他4條排沙鋼管，這與排沙鋼管均勻、對稱的調(diào)度原則有關(guān)，一般調(diào)度運(yùn)行首先開啟兩端的（1號和5號）排沙鋼管，再開啟中間的（3號）排沙鋼管，最后才開啟4號和2號排沙鋼管，各排沙鋼管開啟過程間隔時(shí)間相對較長，而結(jié)束排沙運(yùn)行時(shí)排沙鋼管關(guān)閉的間隔時(shí)間又相對較短，長此以往導(dǎo)致2號排沙鋼管運(yùn)行時(shí)間相較其他排沙鋼管大幅度減少。

圖2 2009～2013年排沙鋼管運(yùn)行天數(shù)Fig.2 2009-2013 annual sediment pipe operation days

2014～2016年，1、3、4、5號排沙鋼管分別運(yùn)行49.2、11.9、27.9、20.1天。在2014～2016年的水庫排沙運(yùn)行過程中，2號排沙鋼管由于被泥沙淤堵，無法參加泄水排沙運(yùn)行，為了緩解因2號排沙鋼管不能過流而造成的對應(yīng)發(fā)電機(jī)組進(jìn)水口泥沙淤積，1號排沙鋼管在此期間承擔(dān)了更為繁重的排沙任務(wù)，運(yùn)行時(shí)間大幅高出其他排沙鋼管。運(yùn)行時(shí)間如圖3所示。

圖3 2014～2016年排沙鋼管運(yùn)行時(shí)間（d）Fig.3 2014-2016 annual steel pipes at run time（d）

可以看出，除2號排沙鋼管因淤堵泄水排沙運(yùn)行較少外，其他4條排沙鋼管累計(jì)運(yùn)行時(shí)間都在50天上，其中1號排沙鋼管運(yùn)行93天，泄水排沙運(yùn)用時(shí)間最長。

2.3 排沙鋼管出口段沖蝕破壞情況

2015年12月分別對1、3、4、5號排沙鋼管出口段（2號排沙鋼管因淤堵暫不具備檢查條件）進(jìn)行了例行檢查，發(fā)現(xiàn)每條排沙鋼管出口段沖蝕均較為嚴(yán)重。以運(yùn)行時(shí)間最長、破壞情況較為典型的1號排沙鋼管為例：檢查發(fā)現(xiàn)該孔排沙工作門門體底部存在沖蝕缺口（圖4），出口段混凝土沖蝕嚴(yán)重（圖5），存在粗骨料外露，局部掏空，沖刷出深坑，鋼筋裸露等情況。工作門至出口檢修門底檻混凝土沖蝕深度基本都在10cm左右，最深處沖坑達(dá)到30cm，沖蝕凹凸不平，底檻結(jié)構(gòu)鋼筋裸露；工作門下游側(cè)底板鋼襯整體沖蝕缺損，僅剩小部分與混凝土結(jié)合。3、4、5號排沙鋼管出口段沖蝕破壞的嚴(yán)重程度相較1號略輕微，但沖蝕也較為嚴(yán)重。

圖4 工作閘門底部缺損、門楣氣蝕Fig.4 The bottom gatelintel defect and cavitation

圖5 出口段混凝土沖蝕嚴(yán)重Fig.5 Serious erosion ofconcretein outlet section

2016年10月，2號排沙鋼管淤堵疏通完畢后組織對其進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)出口段沖蝕破壞情況較其他排沙鋼管顯著輕微：工作門門體完好（圖6），出口段混凝土整體沖蝕破壞較輕微（圖7），沖蝕厚度2～3cm。工作門下游側(cè)底板鋼襯完好，工作門到檢修門之間底檻混凝土局部位置存在沖蝕破損。

圖7 出口段混凝土沖蝕較為輕微Fig.7 Erosion of concrete in outlet section is relatively minor

2.4 排沙鋼管運(yùn)行情況分析

2009～2016年，2號排沙鋼管整體運(yùn)行時(shí)間相較于其他4孔排沙鋼管平均少50余天，其中2009～2013年間2號排沙鋼管正常運(yùn)行期間，運(yùn)行時(shí)間相較于其余4孔排沙鋼管平均少30余天。因?yàn)橛俣略颍?號排沙鋼管沒有參與2014年、2015年萬家寨水庫泄空排沙運(yùn)行，在敞泄排沙期間，2號排沙鋼管運(yùn)行時(shí)間相較于其余4孔排沙鋼管平均少20余天，而這期間過流水中泥沙含沙量更高，持續(xù)運(yùn)行時(shí)間更長，對排沙鋼管出口段混凝土與金屬結(jié)構(gòu)沖蝕、磨蝕的破壞作用更大[1]。

經(jīng)過橫向比較，2號排沙鋼管在正常運(yùn)行期間（2009～2013年）與淤堵期間（2014～2016年），都比其余4孔排沙鋼管運(yùn)行時(shí)間少，從檢查結(jié)果上看2號排沙鋼管工作門出口段沖蝕情況與其他4孔相比，破壞程度也明顯輕微。

由此可見，排沙鋼管的沖蝕破壞程度與其運(yùn)行時(shí)間正相關(guān)。

2.5 排沙鋼管沖蝕破壞成因與對策分析

萬家寨水利樞紐是位于高含沙河流的高水頭電站，排沙鋼管內(nèi)裹挾泥沙在水流中以較小的角度沖擊流道表面，水流使得懸浮泥沙顆粒具有較大的動能，泥沙顆粒與過流面成微小角度發(fā)生沖磨作用，造成作用于材料表面的流體力學(xué)磨粒磨損[2]。由于混凝土材料本身是一種多孔多缺陷材料，其抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度均較低，僅為其抗壓強(qiáng)在水流的作用下，過流部件因沙粒磨損而產(chǎn)生的宏觀體積損失，系由單個(gè)沙粒沖擊材料所造成的材料微觀體積或微觀質(zhì)點(diǎn)剝落所形成[3]。沙粒沖擊排沙鋼管過流部件表面造成磨損的過程，與過流部件材料的特性、沙粒的特性以及沖擊作用條件有關(guān)。

由于混凝土材料本身是一種多孔多缺陷材料，其抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度均較低，僅為其抗壓強(qiáng)度的1/10左右，高速顆粒所產(chǎn)生的動能使混凝土表面產(chǎn)生微裂紋，并使其擴(kuò)展和交叉并最終導(dǎo)致微斷裂[3]。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，部分材料從表面剝離而留下清晰的剝落坑，表現(xiàn)典型的脆性材料的沖擊磨損特征，裂紋源可能是材料內(nèi)部的氣穴和孔穴等缺陷處。混凝土材料的多缺陷特征，促進(jìn)了裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，加劇了磨損的進(jìn)程。由于碳素鋼的抗沖磨性能低于混凝土，導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)的沖蝕損壞程度比混凝土更加嚴(yán)重。

因此，為了提高排沙鋼管出口段過流部件材料的耐沖蝕磨損性能。不僅要提高過流部件表面的強(qiáng)度與硬度，以抵抗硬質(zhì)磨粒的切削作用，還要著眼于提高材料的抗脆斷能力，盡量提高其韌性。

鑒于排沙鋼管出口段位置較為特殊，與電站尾水僅隔一道檢修閘門，不具備將混凝土大體積鑿除后重新澆筑的條件，故只能對沖蝕破壞的部位進(jìn)行表面修復(fù)。

3 排沙鋼管修復(fù)材料選擇

混凝土表面修復(fù)所選取能夠滿足高水頭高含沙高流速電站過流部件耐沖蝕磨損要求的材料，必須同時(shí)具備強(qiáng)度、硬度、韌性等多方面的特性，才能達(dá)到更長時(shí)間的抗沖刷、抗切削、抗脆斷的效果[4]。根據(jù)現(xiàn)場情況和工程實(shí)踐比對分析，決定采用NE-Ⅱ型環(huán)氧砂漿和SK單組份聚脲（抗沖磨型）兩種應(yīng)用成熟、施工方便快捷并取得過良好工程效果的材料對排沙鋼管出口段沖蝕破壞的混凝土進(jìn)行修復(fù)。

表1 NE-Ⅱ型環(huán)氧砂漿主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 NE- Ⅱ main technical index of epoxy mortar

表2 SK手刮聚脲主要技術(shù)指標(biāo)[5]Tab.2 Main technical indicators for the SK hand blown polyurea

4 排沙鋼管出口段維修情況

針對排沙鋼管的運(yùn)行特點(diǎn)，在保證機(jī)組正常運(yùn)行的前提條件下，從安全、可靠、耐久等方面考慮，2016年凌汛過后，在提高流道表面抗沖磨性能的基礎(chǔ)上對排沙鋼管出口段損壞部位按照系統(tǒng)全面的原則，針對不同部位采取相應(yīng)的修復(fù)措施。

4.1 出口漸變段涂層修復(fù)

清除出口段3m范圍內(nèi)殘留外層厚漿型環(huán)氧瀝青防腐層，對局部沖蝕鋼襯進(jìn)行除銹補(bǔ)焊，打磨平整。用環(huán)氧砂漿與原內(nèi)層環(huán)氧金鋼砂抗沖磨涂層找平。在修復(fù)的鋼襯表面刮抗沖磨型聚脲2mm。

4.2 混凝土缺陷處理

將底板混凝土掏空位置鑿至新鮮密實(shí)處，回填環(huán)氧混凝土找平。其余位置鑿除表面碳化混凝土，兩側(cè)墻壁蜂窩、麻面等缺陷用環(huán)氧砂漿修復(fù)，大孔洞用環(huán)氧混凝土進(jìn)行修復(fù)。環(huán)氧砂漿厚度3.0cm，分兩層涂抹。在修復(fù)的環(huán)氧砂漿的表面刮抗沖磨型聚脲2mm。

圖8 出口漸變段涂層修復(fù)示意圖（單位：m）Fig.8 Coating repair schematic of export gradient segment（unit：m）

圖9 混凝土修復(fù)示意圖（單位：m）Fig.9 Concrete restoration diagram（unit：m）

4.3 金屬結(jié)構(gòu)修復(fù)

對工作閘門底檻、反軌及門楣等金屬結(jié)構(gòu)氣蝕較輕的部位采用補(bǔ)焊打磨處理，將氣蝕破損嚴(yán)重的構(gòu)件割除，并鑿除底部表面碳化的混凝土，更換新的金屬構(gòu)件后采用C35混凝土或環(huán)氧混凝土回填找平，在更換的金屬構(gòu)件與混凝土接觸面進(jìn)行化學(xué)接觸灌漿，使構(gòu)件與混凝土可靠黏結(jié)。修復(fù)的金屬結(jié)構(gòu)表面除水封處，其余部位刮抗沖磨型聚脲2mm。

將出口檢修門門槽底部掏空處鑿至新鮮密實(shí)混凝土，對門槽兩側(cè)預(yù)埋鋼襯進(jìn)行植筋加固后，回填環(huán)氧混凝土找平，在修復(fù)的環(huán)氧混凝土及鋼襯表面刮抗沖磨型聚脲2mm。

5 排沙鋼管維修效果及今后的運(yùn)行管理

萬家寨排沙鋼管出口段沖蝕破壞缺陷修復(fù)后，經(jīng)歷了2016年汛期泄水排沙運(yùn)行。汛后組織對排沙鋼管出口段進(jìn)行了檢查，檢查發(fā)現(xiàn)修復(fù)的混凝土結(jié)構(gòu)與金屬埋件結(jié)構(gòu)部分沒有出現(xiàn)大面積剝落、脫空、沖蝕、空蝕等現(xiàn)象，混凝土結(jié)構(gòu)整體完整，環(huán)氧砂漿黏接牢靠，修補(bǔ)的金屬結(jié)構(gòu)埋件完好，在抗沖磨方面體現(xiàn)了修補(bǔ)材料的優(yōu)良特性，達(dá)到了預(yù)期修復(fù)效果。無論是從材料本身的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、硬度、附著力、抗沖磨強(qiáng)度等幾個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，還是結(jié)合修補(bǔ)材料在二灘、龍羊峽、小浪底、三峽、溪洛渡、公伯峽、小灣等國內(nèi)其他大型水利水電工程的多年成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)上來看，采用改性環(huán)氧砂漿和單組份聚脲對水工泄水建筑物過流面進(jìn)行抗沖磨維修補(bǔ)強(qiáng)在牢固性、耐久性、可靠性、便捷性等多個(gè)方面具備相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。在后續(xù)的推廣應(yīng)用過程中還需要在異常惡劣環(huán)境條件下或更長期的效果方面繼續(xù)進(jìn)行深入的研究和實(shí)踐，并進(jìn)一步提升其經(jīng)濟(jì)性。

萬家寨水庫達(dá)到設(shè)計(jì)淤積平衡之后，進(jìn)行拉沙排沙會達(dá)到良好的效果，為減輕高含沙過機(jī)水流對水輪機(jī)過流件磨損的程度，防止磨損造成機(jī)組效率下降，相對應(yīng)的排沙鋼管利用頻率和效率也將更高。實(shí)際情況證明，排沙鋼管運(yùn)行時(shí)間越長，對排沙鋼管出口段混凝土與金屬結(jié)構(gòu)沖蝕破壞作用越大。

對此應(yīng)積極主動采取防范措施。一是加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行管理，水庫進(jìn)入低水位排沙運(yùn)行期間，需合理調(diào)度各排沙鋼管運(yùn)行方式和時(shí)間，盡量隨機(jī)組運(yùn)行而運(yùn)行，開啟時(shí)遵循均勻、對稱原則，盡量平均分配各孔排沙鋼管的運(yùn)行時(shí)間在一定程度上可以減輕因混凝土及金屬結(jié)構(gòu)被高速含沙水流連續(xù)沖擊導(dǎo)致的疲勞破壞。針對高含沙工況下運(yùn)行容易發(fā)生淤堵情況，排沙鋼管開啟運(yùn)行時(shí)，應(yīng)先開啟進(jìn)口事故門，后開啟出口工作門；關(guān)閉時(shí)，先關(guān)閉進(jìn)口事故門，后關(guān)閉出口工作門，保證排沙鋼管內(nèi)不積存高含沙渾水。二是加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)管理，經(jīng)驗(yàn)證明對水工建筑物混凝土缺陷及時(shí)修補(bǔ)及對混凝土表面防護(hù)，可以有效延長建筑物的使用壽命，大大提高建筑物的安全性。采用先進(jìn)的抗沖磨材料對排沙鋼管內(nèi)部進(jìn)行處理，不斷積累適合高泥沙含量、高水流流速環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的經(jīng)驗(yàn)，保障排沙鋼管長期高效安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)束語

現(xiàn)階段萬家寨水庫運(yùn)行已按照初步設(shè)計(jì)方式，轉(zhuǎn)入正常運(yùn)用。視來水來沙情況實(shí)時(shí)調(diào)度，統(tǒng)籌考慮水庫防洪、排沙與興利發(fā)電。低水位泄水排沙運(yùn)行中，應(yīng)持續(xù)摸索水庫排沙運(yùn)行與排沙鋼管消耗性磨損之間的關(guān)系，既能滿足水庫排沙需求，合理優(yōu)化水庫泥沙淤積形態(tài)，有效保護(hù)水庫興利庫容，也要考慮泄水建筑物高強(qiáng)度運(yùn)行后沖蝕破壞的維修問題，如何減少維修量和維修時(shí)間除了采取合理的運(yùn)行方式外，還需研究探索補(bǔ)強(qiáng)加固新工藝、新方法，新材料，延長排沙鋼管抗沖磨壽命，增加運(yùn)行維護(hù)周期。

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