基于減少泥沙通量的水電站磨蝕主動(dòng)防御措施分析

劉紅賓 馬懷寶 張雷 劉延光 韋威

摘要：水輪機(jī)過(guò)流部件磨蝕和氣蝕是多沙河流水電站面臨的普遍問(wèn)題。粗顆粒泥沙過(guò)機(jī)，會(huì)造成過(guò)流部件磨蝕破壞。為了減少過(guò)機(jī)泥沙并從根本上解決水輪機(jī)磨蝕問(wèn)題，提出了采取主動(dòng)防御的技術(shù)路線，通過(guò)發(fā)揮水庫(kù)對(duì)泥沙的調(diào)節(jié)能力，減少過(guò)機(jī)泥沙含量或減少粗顆粒泥沙過(guò)機(jī)，達(dá)到減輕水輪機(jī)過(guò)流部件磨蝕的目的。結(jié)合三門(mén)峽水庫(kù)的運(yùn)行實(shí)踐，利用水庫(kù)有效庫(kù)容對(duì)泥沙進(jìn)行調(diào)節(jié)，優(yōu)化水庫(kù)和機(jī)組調(diào)度，將對(duì)泥沙的防治上移到水庫(kù)庫(kù)區(qū)。實(shí)踐表明，主動(dòng)防御措施不僅能夠減輕機(jī)組磨損破壞，還可減輕粗顆粒泥沙對(duì)抗磨涂層的沖刷，使被動(dòng)防護(hù)措施效果能夠持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、更耐久。

關(guān)鍵詞：過(guò)機(jī)泥沙; 磨蝕防護(hù);主動(dòng)防御;泥沙治理;三門(mén)峽水電站

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV737文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.011

1 研究背景

水庫(kù)具有防洪、灌溉、供水、發(fā)電等綜合利用功能，在流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)方面有著不可替代的重要地位，幾乎所有建設(shè)在含沙量較大河流上的水庫(kù)都會(huì)出現(xiàn)泥沙淤積[1-3]，直接造成過(guò)機(jī)含沙量及粗泥沙含量增大，過(guò)流部件磨蝕和水工建筑物磨損加劇，使設(shè)備性能參數(shù)惡化，水力機(jī)械運(yùn)行效率降低，能量損失增加，效率下降，影響設(shè)備預(yù)期使用壽命，嚴(yán)重情況下還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組和水電站廠房產(chǎn)生振動(dòng)的危險(xiǎn)。隨著破壞面的加大，機(jī)組將難以運(yùn)行，甚至出現(xiàn)重大事故[4-6]。而水工建筑物的磨損，輕者造成閘門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)，漏水嚴(yán)重，重者造成混凝土鋼筋裸露、銹蝕破壞，直接影響工程安全運(yùn)行。

目前，對(duì)機(jī)組過(guò)流部件或水工建筑物采取的磨蝕防護(hù)措施[5-8]，都是采用金屬或非金屬材料，在被保護(hù)對(duì)象表面形成隔離層，將高速水流和泥沙與被保護(hù)對(duì)象隔離開(kāi)。用隔離層抵御高速水流和泥沙的沖刷和撞擊，保護(hù)母材不被磨蝕，防止母材產(chǎn)生新的破壞或延緩其磨蝕破壞進(jìn)程，屬于被動(dòng)性防護(hù)措施。

當(dāng)前，防腐抗磨的研究受學(xué)科和專(zhuān)業(yè)方向的限制，始終沒(méi)有跳出單一被動(dòng)防護(hù)的思路，僅針對(duì)保護(hù)對(duì)象采取措施，不能從根本上加以治理。

2 主動(dòng)防御的技術(shù)路線及作用

2.1 主動(dòng)防御的含義

庫(kù)區(qū)大量的泥沙淤積，是水電站管理部門(mén)面臨的一個(gè)非常突出的問(wèn)題。樞紐電站機(jī)組過(guò)流部件和水工建筑物的磨損，是由于修建工程后泥沙集中通過(guò)造成的，可以視為工程泥沙問(wèn)題。

有些樞紐在運(yùn)行過(guò)程中，由于河流泥沙輸移規(guī)律的復(fù)雜性和多變性，會(huì)出現(xiàn)一些設(shè)計(jì)時(shí)未能全面考慮到的情況。有些運(yùn)行管理單位不能正確處理短期經(jīng)濟(jì)效益和長(zhǎng)期綜合效益的關(guān)系，忽視了水庫(kù)的可持續(xù)利用和可持續(xù)發(fā)展，片面追求高發(fā)電效益，缺乏對(duì)水庫(kù)的保護(hù)，特別是不注重對(duì)泥沙的防治和有效庫(kù)容的保護(hù)，造成庫(kù)區(qū)泥沙淤積過(guò)快，淤積形態(tài)不合理，泥沙在短時(shí)間內(nèi)就推到壩前，過(guò)機(jī)含沙量迅速加大，水輪機(jī)過(guò)流部件產(chǎn)生磨損，甚至出現(xiàn)排沙洞被淤堵，閘門(mén)難以提起，樞紐不能正常運(yùn)行等嚴(yán)重情況，形成水庫(kù)淤積-過(guò)機(jī)含沙量加大-機(jī)組磨蝕-抗磨處理-水庫(kù)進(jìn)一步淤積-機(jī)組磨蝕加劇的惡性循環(huán)。

很多水電站水輪機(jī)及水工建筑物的磨蝕破壞由泥沙引起，泥沙中的石英（SiO2）、金剛砂（Al2O3）、斜長(zhǎng)石（Na[AlSi3O8]-Ca[Al2Si2O8]）對(duì)機(jī)組的影響最為嚴(yán)重。泥沙來(lái)源于上游河道、水庫(kù)的輸送，因此，充分發(fā)揮水庫(kù)的泥沙調(diào)節(jié)能力，將水輪機(jī)過(guò)流部件水工建筑物的磨蝕防護(hù)上延到庫(kù)區(qū)泥沙的處理，減少過(guò)機(jī)泥沙，特別是減少粗顆粒泥沙過(guò)機(jī)，由單一的被動(dòng)防護(hù)，變?yōu)橹鲃?dòng)防御和被動(dòng)防護(hù)相結(jié)合。

主動(dòng)防御和被動(dòng)防護(hù)可以以電站進(jìn)水口攔污柵為分界，柵前措施都屬于主動(dòng)防御范疇，柵后措施則屬于被動(dòng)防護(hù)。

2.2 主動(dòng)防御的技術(shù)路線和手段

通過(guò)發(fā)揮水庫(kù)對(duì)泥沙的調(diào)節(jié)能力，減少過(guò)機(jī)泥沙含量或粗顆粒泥沙過(guò)機(jī)，達(dá)到減輕水輪機(jī)過(guò)流部件磨蝕的目的。相關(guān)工作包括水庫(kù)庫(kù)容的維護(hù)和恢復(fù)、水庫(kù)運(yùn)用調(diào)度以及為了做好此項(xiàng)工作需要收集的各項(xiàng)信息，如進(jìn)出庫(kù)水沙、庫(kù)區(qū)淤積狀態(tài)、過(guò)機(jī)含沙量、洪水預(yù)報(bào)等，都是為了減輕水輪機(jī)過(guò)流部件磨蝕采取的各項(xiàng)預(yù)防措施。對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重淤積、失去泥沙調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)，需要通過(guò)恢復(fù)庫(kù)容，在壩前塑造出有一定容積的沖刷漏斗區(qū)，利用漏斗區(qū)庫(kù)容對(duì)泥沙進(jìn)行調(diào)節(jié)。雖然這些問(wèn)題一般在水庫(kù)設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)考慮，但隨著水庫(kù)的運(yùn)用，尤其是老舊水庫(kù)，來(lái)水來(lái)沙條件同設(shè)計(jì)相比發(fā)生了變化，水庫(kù)淤積形態(tài)同設(shè)計(jì)相比往往存在差異。隨著人類(lèi)對(duì)水庫(kù)泥沙研究認(rèn)識(shí)的提高，需要采用新手段、新措施減少水庫(kù)淤積。

除在來(lái)水來(lái)沙區(qū)采取水土保持措施，如修建攔沙壩等，減少泥沙入庫(kù)外，減少水庫(kù)淤積的措施還包括以下幾個(gè)方面：

（1）利用異重流排沙。異重流排沙是水庫(kù)減淤的一種重要方法，當(dāng)水庫(kù)形成異重流后，開(kāi)啟底部泄洪孔排出渾水，保留上部清水，可以做到既排沙又蓄水。通過(guò)多個(gè)水庫(kù)異重流排沙數(shù)據(jù)分析，通常一次異重流排沙比可達(dá)40%～90%，多次異重流平均排沙比可達(dá)30%～60%，排沙效果相當(dāng)可觀。

（2）定期泄空沖刷，恢復(fù)庫(kù)容。水庫(kù)泄空沖刷是降水沖刷的極端措施，依靠大流量、高流速的沖刷可以加快水庫(kù)排沙速度，使淤積物集中排出庫(kù)外，恢復(fù)庫(kù)容。根據(jù)前期淤積情況和沖刷強(qiáng)度，水力沖刷的周期可以2～3 a一次或每年1～2次，每次沖刷的持續(xù)時(shí)間幾天至十幾天不等。

（3）采用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行清淤。機(jī)械清淤方法不外乎采用挖泥機(jī)、吸泥泵、吸泥船等機(jī)械設(shè)備，將已經(jīng)淤積在庫(kù)內(nèi)的泥沙清運(yùn)到庫(kù)外。機(jī)械清淤一般成本較大，常見(jiàn)于小型水庫(kù)使用。

（4）人工措施和水力措施相結(jié)合。前期借助于機(jī)械設(shè)備，在庫(kù)內(nèi)開(kāi)挖河槽、疏浚等，后期則借助水力沖刷，能起到事半功倍的效果。

2.3 減少過(guò)機(jī)泥沙的措施

在水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置泄洪底孔高程低于電站進(jìn)水口高程，在電站段兩端或中間設(shè)置排沙底孔，電站進(jìn)口前設(shè)導(dǎo)沙坎，采用“蓄清排渾”運(yùn)用方式。運(yùn)用時(shí)采用的具體措施如下。

（1）當(dāng)來(lái)水量比較大時(shí)，利用底孔和排沙洞進(jìn)口高程比較低的有利條件，及時(shí)開(kāi)啟排沙底孔或排沙洞分流排沙，導(dǎo)引底層運(yùn)動(dòng)的粗顆粒泥沙避開(kāi)發(fā)電機(jī)進(jìn)口，排出庫(kù)外。

（2）調(diào)整水庫(kù)淤積形態(tài)，利用壩前漏斗區(qū)沉沙。降低庫(kù)水位運(yùn)用或泄空沖刷在壩前形成的漏斗區(qū)，河底坡度相對(duì)平緩，水庫(kù)在高水位運(yùn)用時(shí)必然形成壅水，流速減緩，上游來(lái)水挾帶的相對(duì)粗顆粒泥沙在此區(qū)間落淤暫存，根據(jù)漏斗區(qū)淤積情況，選擇合適的時(shí)機(jī)降低庫(kù)水位運(yùn)用或泄空排沙出庫(kù)。保持壩前適當(dāng)范圍的沖刷漏斗區(qū)，對(duì)減少過(guò)機(jī)含沙量和粗泥沙過(guò)機(jī)，減少水輪機(jī)磨蝕有極其重要的作用。

（3）適時(shí)調(diào)度，避沙運(yùn)行。汛期受庫(kù)區(qū)支流降雨來(lái)水影響，來(lái)沙增多，當(dāng)過(guò)機(jī)含沙量比較高時(shí)，水庫(kù)就需要強(qiáng)化適時(shí)調(diào)度，使水電站機(jī)組避沙運(yùn)行。

水庫(kù)避沙運(yùn)行需要及時(shí)掌握進(jìn)出庫(kù)含沙量和過(guò)機(jī)含沙量的變化情況。進(jìn)庫(kù)含沙量是水庫(kù)調(diào)度的重要參考指標(biāo)，需要及時(shí)通過(guò)干、支流水文站獲取其變化情況。當(dāng)水庫(kù)沒(méi)有棄水運(yùn)行時(shí)，出庫(kù)含沙量即為過(guò)機(jī)含沙量，分析其變化情況，就基本可掌握泥沙對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件的磨蝕狀況。

對(duì)水輪機(jī)抗磨而言，過(guò)機(jī)含沙量的大小是一個(gè)非常重要的參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)機(jī)含沙量可用于研究壩前含沙量垂向分布、過(guò)機(jī)含沙量變化、懸沙級(jí)配與入庫(kù)水沙、淤積形態(tài)、水庫(kù)調(diào)度等因子之間的響應(yīng)關(guān)系，便于沙峰的提前預(yù)報(bào)，并結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)控，適時(shí)避沙峰運(yùn)行，達(dá)到減緩水機(jī)過(guò)流部件磨蝕目的。獲取進(jìn)出庫(kù)含沙量變化情況，對(duì)于整個(gè)水庫(kù)的宏觀調(diào)度無(wú)疑是非常重要的，但不能代替機(jī)組過(guò)機(jī)含沙量的觀測(cè)。

2.4 主動(dòng)防御的功能和作用

（1）減少過(guò)機(jī)含沙量和粗顆粒泥沙。對(duì)機(jī)組磨損起主要作用的是粗顆粒泥沙，保持一定的庫(kù)容可以增加對(duì)來(lái)沙的調(diào)節(jié)能力，使上游來(lái)沙在經(jīng)過(guò)庫(kù)區(qū)向壩前運(yùn)動(dòng)時(shí)，泥沙先在漏斗區(qū)內(nèi)產(chǎn)生沉降。尤其是對(duì)機(jī)組過(guò)流部件磨損起決定性作用的粗沙，在漏斗區(qū)暫時(shí)沉積，遠(yuǎn)離電站進(jìn)水口，減少過(guò)機(jī)粗泥沙所占比例，從而減輕泥沙對(duì)機(jī)組的磨損破壞。

（2）節(jié)約運(yùn)維費(fèi)用。機(jī)組磨蝕減輕后，狀態(tài)穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，減少了檢修次數(shù)、停機(jī)時(shí)間及日常維護(hù)的工作量，延長(zhǎng)了機(jī)組使用壽命，也節(jié)約了運(yùn)維費(fèi)用。

（3）減少棄水，增加發(fā)電量。保留或恢復(fù)一定的庫(kù)容，可以增強(qiáng)對(duì)水量的調(diào)節(jié)能力，減少棄水，增加發(fā)電量。尤其是當(dāng)來(lái)水日間變化幅度比較大時(shí)，由于調(diào)節(jié)能力增大，可以將棄水轉(zhuǎn)化為發(fā)電用水，增加發(fā)電量。

3 三門(mén)峽水電站水輪機(jī)抗磨蝕案例分析

三門(mén)峽水庫(kù)由于建庫(kù)初期發(fā)生了嚴(yán)重淤積，水輪機(jī)過(guò)流部件及泄流排沙流道遭受了嚴(yán)重破壞，經(jīng)過(guò)多年的研究和探索，如今尋找到了新的解決途徑。

三門(mén)峽電站在全年（1973～1980年）發(fā)電運(yùn)行階段，由于庫(kù)區(qū)淤積嚴(yán)重，過(guò)機(jī)平均含沙量為282 kg/m3，水輪機(jī)主軸密封快速磨損，漏水量增大。頂蓋泵密封的磨損以及龍頭坑淤積，常使頂蓋泵不能正常排水，導(dǎo)致機(jī)組檢修工作量大增。4號(hào)機(jī)組運(yùn)行30 465 h后，其轉(zhuǎn)輪葉片和轉(zhuǎn)輪室中、下環(huán)受氣蝕、磨損的嚴(yán)重破壞，已近于報(bào)廢，補(bǔ)焊面積達(dá)62.48 m2，使用焊條共9 300 kg，大修歷時(shí)222 d。

在此期間，采用在易破壞區(qū)覆蓋保護(hù)層的方法進(jìn)行防護(hù)。水輪機(jī)過(guò)流部件葉片正面、轉(zhuǎn)輪連接體、錐體等表面涂敷環(huán)氧金剛砂漿，葉片背面采用金屬陶瓷堆焊;對(duì)水工建筑物采取了輝綠巖鑄石板、C60高強(qiáng)混凝土、鋼纖維混凝土、高強(qiáng)砂漿、鋼板鑲護(hù)等防護(hù)技術(shù)。這些措施取得了一定效果，但磨蝕、氣蝕破壞仍相當(dāng)嚴(yán)重。每臺(tái)次機(jī)組的檢修時(shí)間仍需要120 d左右，修補(bǔ)用焊條3 000～4 000 kg，僅補(bǔ)焊打磨就需要40～50 d，難以從根本上解決問(wèn)題。

受泥沙磨蝕破壞影響，水電站被迫從1980年起在汛期停止發(fā)電運(yùn)行，占全年來(lái)水量60%以上的汛期水資源未能利用，損失巨大。

經(jīng)過(guò)多學(xué)科專(zhuān)家共同研究，反復(fù)論證，認(rèn)為過(guò)機(jī)粗顆粒泥沙是造成磨蝕、氣蝕的主要因素。因此，在做好表面防護(hù)的同時(shí)，應(yīng)從泥沙問(wèn)題入手解決水輪機(jī)過(guò)流部件和水工建筑物磨損問(wèn)題。

三門(mén)峽水電站于1994年開(kāi)展了汛期渾水發(fā)電原型試驗(yàn)，目的是通過(guò)恢復(fù)近壩河段河槽庫(kù)容，增大水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙能力，減緩機(jī)組磨損破壞。運(yùn)用原則為“洪水排沙，平水興利”，汛期依靠洪水在庫(kù)區(qū)形成溯源沖刷，恢復(fù)漏斗區(qū)庫(kù)容。

經(jīng)過(guò)6 a的汛期發(fā)電試驗(yàn)和研究，取得了豐富的成果：

（1）通過(guò)增大調(diào)沙庫(kù)容和優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用，過(guò)機(jī)含沙量比同期出庫(kù)含沙量降低16%，比進(jìn)庫(kù)降低30%左右。

（2）過(guò)機(jī)含沙量和粗泥沙含量減少，過(guò)機(jī)泥沙粒徑大于0.05 mm的占過(guò)機(jī)泥沙的比例降到了10%以下。

（3）減少粗顆粒泥沙過(guò)機(jī)后，在不改變檢修周期的情況下，將過(guò)機(jī)含沙量由1998年以前的30 kg/m3以下發(fā)電運(yùn)行，提高到60kg/m3以下可以發(fā)電運(yùn)行，汛期發(fā)電常態(tài)化。

（4）機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量極大提高，機(jī)組輪修時(shí)間由3～4 a一次，延長(zhǎng)到4～6 a一次，工期由120 d縮短為110 d左右。焊條消耗量大幅度減少，僅需100～300 kg，節(jié)約了投資和運(yùn)行成本，也減少了葉片母材因多次堆焊產(chǎn)生裂縫等應(yīng)力集中現(xiàn)象，機(jī)組運(yùn)行安全得到了更加可靠的保證。

（5）經(jīng)濟(jì)效益大幅提高。通過(guò)對(duì)泥沙的治理，水庫(kù)調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，汛期發(fā)電量逐年提高（見(jiàn)表1）。目前，汛期發(fā)電量基本穩(wěn)定在40 000萬(wàn)kW·h左右。

（6）摸索出了一套適合三門(mén)峽水庫(kù)的運(yùn)行方式。在原型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將運(yùn)用方式進(jìn)一步優(yōu)化為“洪水排沙，平水控制”。當(dāng)前，三門(mén)峽水庫(kù)6月底至7月初入汛時(shí)先進(jìn)行一次集中排沙，使庫(kù)區(qū)近壩段漏斗區(qū)庫(kù)容，由排沙前的0.1億～0.2億m3恢復(fù)到0.5億～0.6億m3。進(jìn)入汛期后，來(lái)水來(lái)沙增加，泥沙先在漏斗區(qū)落淤暫存，遇到合適來(lái)水條件，再集中排出水庫(kù)，效果十分顯著。在一個(gè)運(yùn)行年內(nèi)，壩前漏斗區(qū)表現(xiàn)為汛前排沙恢復(fù)—汛期發(fā)電沉沙堆積—洪水期排沙恢復(fù)的良性循環(huán)。

目前，一般洪水期間，當(dāng)含沙量在30kg/m3以下時(shí)，機(jī)組正常發(fā)電運(yùn)行。當(dāng)含沙量達(dá)到30～60kg/m3時(shí)，及時(shí)增加巡檢人員數(shù)量，加大巡檢力度和頻次，密切注意頂蓋上水和排水情況。含沙量達(dá)到60～80kg/m3時(shí)，如果來(lái)沙量比較穩(wěn)定，變化波幅不大，且有下降趨勢(shì)時(shí)，機(jī)組加密巡檢頻次運(yùn)行;但如果來(lái)沙有增加趨勢(shì)，且頂蓋上水明顯增加，并有繼續(xù)加大趨勢(shì)時(shí)，機(jī)組必需停機(jī)，實(shí)行避沙運(yùn)行，同時(shí)開(kāi)啟底孔排沙，擴(kuò)大漏斗區(qū)庫(kù)容，恢復(fù)沉沙能力。

三門(mén)峽水電站運(yùn)行的實(shí)踐證明，通過(guò)水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用，可有效減少過(guò)機(jī)含沙量，解決了水輪機(jī)磨蝕問(wèn)題。主動(dòng)防御措施不僅能夠減輕機(jī)組磨損破壞，還可以減輕粗顆粒泥沙對(duì)抗磨涂層的沖刷，使被動(dòng)防護(hù)措施效果能夠持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于水庫(kù)泥沙清淤，保持壩前有一定容量的沖刷漏斗，增加對(duì)水量和泥沙的調(diào)節(jié)能力，是實(shí)施過(guò)流部件主動(dòng)防御的前提條件。對(duì)于新投入運(yùn)用的水庫(kù)，運(yùn)用起始就要把防止泥沙淤積放在十分重要的位置，使水庫(kù)始終能夠保持一定的調(diào)節(jié)能力。一旦有部位發(fā)生不合理淤積，治理難度會(huì)加大，甚至造成不可逆的永久喪失。對(duì)仍然保持有一定水沙調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)，調(diào)度運(yùn)行時(shí)必須給予充分的重視，不能任其發(fā)展。對(duì)于淤積已經(jīng)比較嚴(yán)重的水庫(kù)，需要采取措施恢復(fù)庫(kù)容，必要時(shí)只能適當(dāng)犧牲部分電量，以電量換庫(kù)容，降水運(yùn)用以沖刷泥沙。

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（編輯：李 慧）