三門(mén)峽水利樞紐泄流排沙建筑物抗磨蝕實(shí)踐研究

(三門(mén)峽水利樞紐管理局工程管理分局，河南 三門(mén)峽 472000)

三門(mén)峽水利樞紐位于黃河中游，是一座以防洪為主綜合利用的大型水利樞紐工程。該工程于1960年開(kāi)始蓄水。蓄水后，水庫(kù)發(fā)生嚴(yán)重淤積，為擴(kuò)大泄流排沙規(guī)模，工程于1964—2000年間進(jìn)行數(shù)次改建，在左岸興建2條隧洞，改建3條引水發(fā)電鋼管，并打開(kāi)已封堵的12個(gè)施工導(dǎo)流底孔，現(xiàn)有27個(gè)孔口，即12個(gè)底孔、12個(gè)深孔、2條隧洞及1條鋼管，用以泄流排沙。三門(mén)峽水庫(kù)采取“蓄清排渾”的運(yùn)用方式，水庫(kù)淤積問(wèn)題得到了解決，并發(fā)揮了防洪、防凌、灌溉、發(fā)電和供水的綜合效益。但是，含沙水流對(duì)泄水建筑物造成嚴(yán)重的磨蝕破壞。為此，本文對(duì)三門(mén)峽水利樞紐自1967年以來(lái)開(kāi)展的一系列抗磨蝕實(shí)踐進(jìn)行分析研究，以選擇合適的抗磨材料。

1 磨蝕情況

三門(mén)峽樞紐的泥沙特性為年輸沙量大，汛期含沙量大、硬度大的礦物含量多，顆粒尖利，高速含沙水流對(duì)泄水建筑物造成極其嚴(yán)重的磨蝕破壞。磨蝕嚴(yán)重部位有門(mén)槽的底檻和導(dǎo)軌、邊墻的下部、底板等。各泄水建筑物的損壞程度,以底孔損壞情況最為嚴(yán)重,深孔次之,隧洞、鋼管較輕，其原因是底孔進(jìn)口高程低,過(guò)水流速和含沙量大,運(yùn)用時(shí)間長(zhǎng)。

由于高速含沙水流對(duì)建筑物表面的磨損與空蝕破壞，三門(mén)峽水利樞紐排沙底孔孔身、深孔溢流面和護(hù)坦面在運(yùn)行中產(chǎn)生嚴(yán)重磨蝕。樞紐底孔斷面3m×8m，汛期最大斷面平均流速為14～18m/s，平均含沙量約為85～100kg/m3，最大瞬時(shí)含沙量達(dá)911kg/m3，泄流期間基本處于滿(mǎn)流狀態(tài)，底孔界面上均有磨損現(xiàn)象,底板側(cè)墻的混凝土表面磨損較嚴(yán)重。在近年來(lái)的檢查中，發(fā)現(xiàn)部分工作門(mén)槽后形成大面積蝕坑，一般坑深20cm。底部鋼筋成排裸露，受力鋼筋已被磨扁或磨細(xì)。側(cè)墻3m以下混凝土表面磨損嚴(yán)重，80～120mm特大骨料裸露。各型門(mén)槽和門(mén)槽軌道，也均被懸移質(zhì)與空蝕聯(lián)合破壞，成為水庫(kù)防洪安全運(yùn)行中的重大問(wèn)題。8個(gè)底孔工作門(mén)槽不銹鋼導(dǎo)軌為凸出軌道，破壞程度都極其嚴(yán)重，有的導(dǎo)軌在厚度上已剝蝕近半。以2010年4月的6號(hào)底孔為例，檢查發(fā)現(xiàn)6號(hào)底孔正軌不銹鋼面氣蝕嚴(yán)重，最大氣蝕坑長(zhǎng)10mm、寬5mm、深4mm；反軌氣蝕異常嚴(yán)重，氣蝕坑密度大，最大氣蝕坑長(zhǎng)15mm、寬6mm、深5mm。排沙隧洞弧形工作門(mén)導(dǎo)軌為厚5mm、寬100mm的不銹鋼扁平軌道，由于底部?jī)蓚?cè)不銹鋼導(dǎo)軌破壞嚴(yán)重，導(dǎo)軌被磨蝕成深溝缺口，厚20mm的門(mén)槽段護(hù)面鋼板也被磨穿。

2 原因分析

自1981年開(kāi)始，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、黃河水利科學(xué)研究院等單位相繼進(jìn)行雙層孔常壓水工模型試驗(yàn)、單層孔常壓和減壓模型試驗(yàn)及底孔原型空化噪聲試驗(yàn)。通過(guò)水工模型試驗(yàn)可知，底孔底板、挑流鼻坎及底孔遠(yuǎn)端邊墻均為正壓力，無(wú)空穴現(xiàn)象。由原型破壞形態(tài)觀察，底板破壞后殘留的各種抗磨蝕材料均有順?biāo)鞣较虻膭澓刍驕喜酆圹E，非空蝕破壞外觀，為典型的泥沙磨蝕。根據(jù)前人試驗(yàn)研究成果，泥沙磨蝕程度與流速、含沙量、泥沙粒徑和運(yùn)用歷時(shí)等因子成比例關(guān)系，三門(mén)峽水庫(kù)泥沙含量大，粒徑粗、顆粒尖利。

上述部位磨蝕情況主要表現(xiàn)為在高速含沙水流作用下，首先表層膠結(jié)水泥被磨蝕掉，隨著運(yùn)行歷時(shí)的增加，致使結(jié)構(gòu)的粗糙度增加，細(xì)骨料亦逐漸被磨掉，導(dǎo)致粗骨料裸露，加劇水流擾動(dòng)，形成各種類(lèi)型的渦流，帶走更多的細(xì)骨料，最終使粗骨料剝落。而靠近工作門(mén)槽近端邊墻磨蝕的主要原因是渦旋切向流速下含沙水流的磨蝕以及局部壓力降低所導(dǎo)致的空蝕破壞。

3 抗磨蝕實(shí)踐

3.1 改善泄水建筑物體型

泄流工程二期改建期間，將底孔進(jìn)口斜門(mén)槽體型由矩形改為帶錯(cuò)矩坡型，即將門(mén)槽上下游邊錯(cuò)距100mm，經(jīng)1∶12斜坡與邊墻連接，以適應(yīng)高速水流。為減少泥沙磨損，將底孔進(jìn)口斜門(mén)槽導(dǎo)軌斷面由原方鋼改為無(wú)凸臺(tái)的平板型可拆卸不銹鋼導(dǎo)軌。將底孔工作門(mén)槽導(dǎo)軌改為無(wú)凸臺(tái)、表面呈圓弧形、可拆卸的不銹鋼導(dǎo)軌。為了增加底孔沿程壓力，減少氣蝕的發(fā)生，在底孔出口處高度上進(jìn)行壓縮。另外，提高孔洞底板、邊壁等過(guò)流面施工工藝，做到過(guò)流面平順光滑，改變不合理的體型，可改善水力學(xué)條件，減少磨蝕的發(fā)生。但施工工藝比較復(fù)雜，成本比較昂貴，使用范圍有很大的局限性。

3.2 抗磨材料的實(shí)踐

3.2.1 輝綠巖鑄石板

1973年12月—1974年11月，相繼在7個(gè)底孔底板面鋪砌了輝綠巖鑄石板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鑄石板”)，鋪砌時(shí)用環(huán)氧樹(shù)脂基液打底，用高標(biāo)號(hào)水泥砂漿作黏結(jié)材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，汛期投入排沙運(yùn)用。1981年4—6月和1982年5—6月，對(duì)底孔進(jìn)行檢查，1號(hào)、4號(hào)和7號(hào)三個(gè)底孔底板鋪砌的鑄石板剝落面積在56%以上，5號(hào)和8號(hào)兩個(gè)底孔鑄石板剝落面積在高達(dá)87%以上，未剝落鑄石板的表面有順?biāo)飨虿梁?，深約1～2mm，鑄石板的接縫處有破裂現(xiàn)象[1]。從使用效果看，鑄石板本身的抗磨蝕性能很好，價(jià)格便宜，但質(zhì)地較脆，易被推移質(zhì)砸破，且整體性差，在高速水流的作用下，先從黏結(jié)薄弱的部位破壞，易被逐塊掀掉，在大面積施工黏接工藝無(wú)把握的情況下不宜使用。

3.2.2 環(huán)氧砂漿

2013年，1～3號(hào)底孔間挑流鼻坎靠近邊墻部位及底孔閘門(mén)門(mén)槽部位的側(cè)墻等典型過(guò)流部位進(jìn)行抗沖磨表層修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),涂抹一層改性環(huán)氧金剛砂砂漿層，厚0.5～1.0cm，經(jīng)過(guò)近3個(gè)汛期運(yùn)行，經(jīng)檢查基本沒(méi)有發(fā)生磨蝕破壞,抗磨效果較好。二期改建時(shí)，底孔兩側(cè)邊墻門(mén)槽段，在埋件安裝后即采取現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土，并在混凝土表面涂抹一層厚度為10mm的環(huán)氧砂漿，但由于施工時(shí)施工工藝控制不嚴(yán)，大部分底孔在經(jīng)過(guò)二次汛期過(guò)流后出現(xiàn)環(huán)氧砂漿大面積剝落現(xiàn)象。

環(huán)氧砂漿用于水流狀態(tài)復(fù)雜、易受高速水流破壞的部位，例如：金屬護(hù)面的抗沖刷抗磨蝕涂層、門(mén)槽段、出口壓縮段邊壁等?？鼓ノg能力是普通混凝土的4～5倍，黏結(jié)能力強(qiáng)，是最好的抗磨材料，但材料價(jià)格較貴，工藝要求較高，其中所用的固化劑等材料有毒性，可作為重要部位小面積應(yīng)用。

3.2.3 高強(qiáng)度混凝土

三門(mén)峽樞紐曾在4號(hào)底孔的底板進(jìn)行高強(qiáng)混凝土抗磨材料現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)[2]。使用高強(qiáng)混凝土的水灰比0.3，水泥用量467kg/m3，F(xiàn)DN摻量5%，坍落度3～5cm。經(jīng)過(guò)7個(gè)汛期后測(cè)高強(qiáng)混凝土平均累計(jì)磨損20.8mm，最大磨蝕26mm，最小磨蝕15mm，平均每年磨蝕3mm。施工和維修都較簡(jiǎn)便，成本比較低廉，適合大面積施工，是三門(mén)峽底孔改建底板抗磨層的基本材料。

3.2.4 高強(qiáng)度水泥砂漿

高強(qiáng)度水泥砂漿選用微膨脹525號(hào)水泥、摻用優(yōu)質(zhì)活性添加物、高效能減水劑。三門(mén)峽樞紐底孔邊墻采用“水泥裹砂潮噴法”噴涂高強(qiáng)度水泥砂漿，經(jīng)過(guò)底孔累計(jì)過(guò)流1180～2980h，從外表看經(jīng)過(guò)含沙水流沖刷后表面灰漿仍保留，雖然采用大面積不分縫連續(xù)噴護(hù)，除個(gè)別部位有少量細(xì)縫外，未發(fā)現(xiàn)有貫通性裂縫和剝落現(xiàn)象。據(jù)測(cè)量，一個(gè)汛期平均磨蝕約0.5～1mm，室內(nèi)試驗(yàn)28d平均抗壓強(qiáng)度達(dá)85.5MPa，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度為61.4MPa，抗拉強(qiáng)度3.45MPa?？偟膩?lái)說(shuō)，采取噴射高強(qiáng)砂漿的施工方法是成功的，解決了多泥沙河流泄流工程在已建建筑物邊墻上增設(shè)抗磨層的難題。

3.2.5 鋼板

三門(mén)峽的試驗(yàn)表明，鋼材的抗磨性能低于鑄石板、環(huán)氧砂漿和真空作業(yè)混凝土。如5～8號(hào)鋼管的30號(hào)鋼板鑲護(hù)層和水輪機(jī)組過(guò)水部件表面的鉻五銅抗磨層，經(jīng)過(guò)一個(gè)汛期過(guò)水，即受到嚴(yán)重沖蝕破壞。鋼板的抗泥沙磨損能力是比較低的，流速超過(guò)10m/s，就會(huì)造成磨蝕。

3.2.6 石英水泥砂漿

二次改建時(shí)期，3號(hào)底孔底板涂抹石英水泥砂漿抗磨層做試驗(yàn)，該砂漿用500號(hào)水泥拌制，水灰比0.35，灰砂比1∶1.37，抗壓強(qiáng)度(28d)60MPa。經(jīng)過(guò)泄流排沙運(yùn)用192d，檢查發(fā)現(xiàn)沒(méi)有剝離和大的坑洞，但表面磨蝕較嚴(yán)重，出口段較檢修閘門(mén)后面的更為嚴(yán)重，表面普遍磨掉5mm以上。試驗(yàn)表明：由于當(dāng)砂漿凝結(jié)水化后，剩余的水分蒸發(fā)，形成很多小氣泡，而泥沙的礦物質(zhì)硬度較大，又是多角和尖角，在砂粒的沖擊或渦流的作用下，逐漸被磨蝕。

三門(mén)峽二期改建時(shí)期曾做過(guò)抗空蝕試驗(yàn)，選用幾種材料進(jìn)行抗磨蝕和空蝕對(duì)比，具體結(jié)果見(jiàn)下表。

抗磨蝕、空蝕對(duì)比表

試驗(yàn)表明：在相同水流條件下，材料抗空蝕、磨蝕能力大小次序?yàn)榄h(huán)氧砂漿、鋼纖維砂漿、鋼纖維混凝土、高強(qiáng)混凝土、高強(qiáng)砂漿、石英砂漿。環(huán)氧砂漿抗磨蝕能力最好，但也成本最高，比其他材料至少高出3倍；高強(qiáng)混凝土成本最低，但抗磨蝕能力比環(huán)氧砂漿低。

4 結(jié) 語(yǔ)

a.環(huán)氧砂漿和高強(qiáng)度砂漿在三門(mén)峽樞紐的運(yùn)用中比較成功，適合在多泥沙河流樞紐中推廣運(yùn)用。

b.各個(gè)抗磨材料都有不同的特性，不同的過(guò)流部位要選用不同的抗磨材料和采用合適的抗磨措施。

c.根據(jù)三門(mén)峽樞紐孔洞的磨損情況，近年來(lái)基本上每年要安排1～2個(gè)孔洞大修?？鼓釉诟吆乘髯饔孟?，并不能做到一勞永逸，必須加強(qiáng)維修和養(yǎng)護(hù)。

d.在這一領(lǐng)域內(nèi)的新材料、新工藝不斷出現(xiàn)，需研究引進(jìn)適合工程條件的、性?xún)r(jià)比更好的抗磨材料和施工工藝，以延長(zhǎng)抗磨層的使用壽命，減緩高速含沙水流對(duì)孔洞的破壞，減少孔洞大修的頻次。

黃河三門(mén)峽水利樞紐志編纂委員會(huì).黃河三門(mén)峽水利樞紐志[M].北京：中國(guó)大百科全書(shū)出版社，1993.