劉紅賓 馬懷寶 張雷 劉延光 韋威

摘要：水輪機過流部件磨蝕和氣蝕是多沙河流水電站面臨的普遍問題。粗顆粒泥沙過機，會造成過流部件磨蝕破壞。為了減少過機泥沙并從根本上解決水輪機磨蝕問題，提出了采取主動防御的技術(shù)路線，通過發(fā)揮水庫對泥沙的調(diào)節(jié)能力，減少過機泥沙含量或減少粗顆粒泥沙過機，達(dá)到減輕水輪機過流部件磨蝕的目的。結(jié)合三門峽水庫的運行實踐，利用水庫有效庫容對泥沙進行調(diào)節(jié)，優(yōu)化水庫和機組調(diào)度，將對泥沙的防治上移到水庫庫區(qū)。實踐表明，主動防御措施不僅能夠減輕機組磨損破壞，還可減輕粗顆粒泥沙對抗磨涂層的沖刷，使被動防護措施效果能夠持續(xù)時間更長、更耐久。

關(guān)鍵詞：過機泥沙; 磨蝕防護;主動防御;泥沙治理;三門峽水電站

中圖法分類號：TV737文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.011

1 研究背景

水庫具有防洪、灌溉、供水、發(fā)電等綜合利用功能，在流域經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護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都會出現(xiàn)泥沙淤積[1-3]，直接造成過機含沙量及粗泥沙含量增大，過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，水力機械運行效率降低，能量損失增加，效率下降，影響設(shè)備預(yù)期使用壽命，嚴(yán)重情況下還會導(dǎo)致整個機組和水電站廠房產(chǎn)生振動的危險。隨著破壞面的加大，機組將難以運行，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行。

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

當(dāng)前，防腐抗磨的研究受學(xué)科和專業(yè)方向的限制，始終沒有跳出單一被動防護的思路，僅針對保護對象采取措施，不能從根本上加以治理。

2 主動防御的技術(shù)路線及作用

2.1 主動防御的含義

庫區(qū)大量的泥沙淤積，是水電站管理部門面臨的一個非常突出的問題。樞紐電站機組過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造成的，可以視為工程泥沙問題。

有些樞紐在運行過程中，由于河流泥沙輸移規(guī)律的復(fù)雜性和多變性，會出現(xiàn)一些設(shè)計時未能全面考慮到的情況。有些運行管理單位不能正確處理短期經(jīng)濟效益和長期綜合效益的關(guān)系，忽視了水庫的可持續(xù)利用和可持續(xù)發(fā)展，片面追求高發(fā)電效益，缺乏對水庫的保護，特別是不注重對泥沙的防治和有效庫容的保護，造成庫區(qū)泥沙淤積過快，淤積形態(tài)不合理，泥沙在短時間內(nèi)就推到壩前，過機含沙量迅速加大，水輪機過流部件產(chǎn)生磨損，甚至出現(xiàn)排沙洞被淤堵，閘門難以提起，樞紐不能正常運行等嚴(yán)重情況，形成水庫淤積-過機含沙量加大-機組磨蝕-抗磨處理-水庫進一步淤積-機組磨蝕加劇的惡性循環(huán)。

很多水電站水輪機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）、斜長石（Na[AlSi3O8]-Ca[Al2Si2O8]）對機組的影響最為嚴(yán)重。泥沙來源于上游河道、水庫的輸送，因此，充分發(fā)揮水庫的泥沙調(diào)節(jié)能力，將水輪機過流部件水工建筑物的磨蝕防護上延到庫區(qū)泥沙的處理，減少過機泥沙，特別是減少粗顆粒泥沙過機，由單一的被動防護，變?yōu)橹鲃臃烙捅粍臃雷o相結(jié)合。

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

2.2 主動防御的技術(shù)路線和手段

通過發(fā)揮水庫對泥沙的調(diào)節(jié)能力，減少過機泥沙含量或粗顆粒泥沙過機，達(dá)到減輕水輪機過流部件磨蝕的目的。相關(guān)工作包括水庫庫容的維護和恢復(fù)、水庫運用調(diào)度以及為了做好此項工作需要收集的各項信息，如進出庫水沙、庫區(qū)淤積狀態(tài)、過機含沙量、洪水預(yù)報等，都是為了減輕水輪機過流部件磨蝕采取的各項預(yù)防措施。對已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重淤積、失去泥沙調(diào)節(jié)能力的水庫，需要通過恢復(fù)庫容，在壩前塑造出有一定容積的沖刷漏斗區(qū)，利用漏斗區(qū)庫容對泥沙進行調(diào)節(jié)。雖然這些問題一般在水庫設(shè)計階段就已經(jīng)考慮，但隨著水庫的運用，尤其是老舊水庫，來水來沙條件同設(shè)計相比發(fā)生了變化，水庫淤積形態(tài)同設(shè)計相比往往存在差異。隨著人類對水庫泥沙研究認(rèn)識的提高，需要采用新手段、新措施減少水庫淤積。

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

（1）利用異重流排沙。異重流排沙是水庫減淤的一種重要方法，當(dāng)水庫形成異重流后，開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。通過多個水庫異重流排沙數(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)庫容。水庫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排沙速度，使淤積物集中排出庫外，恢復(fù)庫容。根據(jù)前期淤積情況和沖刷強度，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)時間幾天至十幾天不等。

（3）采用機械設(shè)備進行清淤。機械清淤方法不外乎采用挖泥機、吸泥泵、吸泥船等機械設(shè)備，將已經(jīng)淤積在庫內(nèi)的泥沙清運到庫外。機械清淤一般成本較大，常見于小型水庫使用。

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

2.3 減少過機泥沙的措施

在水庫大壩設(shè)計時，設(shè)置泄洪底孔高程低于電站進水口高程，在電站段兩端或中間設(shè)置排沙底孔，電站進口前設(shè)導(dǎo)沙坎，采用“蓄清排渾”運用方式。運用時采用的具體措施如下。

（1）當(dāng)來水量比較大時，利用底孔和排沙洞進口高程比較低的有利條件，及時開啟排沙底孔或排沙洞分流排沙，導(dǎo)引底層運動的粗顆粒泥沙避開發(fā)電機進口，排出庫外。

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

（3）適時調(diào)度，避沙運行。汛期受庫區(qū)支流降雨來水影響，來沙增多，當(dāng)過機含沙量比較高時，水庫就需要強化適時調(diào)度，使水電站機組避沙運行。

水庫避沙運行需要及時掌握進出庫含沙量和過機含沙量的變化情況。進庫含沙量是水庫調(diào)度的重要參考指標(biāo)，需要及時通過干、支流水文站獲取其變化情況。當(dāng)水庫沒有棄水運行時，出庫含沙量即為過機含沙量，分析其變化情況，就基本可掌握泥沙對水輪機過流部件的磨蝕狀況。

對水輪機抗磨而言，過機含沙量的大小是一個非常重要的參數(shù)，實時監(jiān)測過機含沙量可用于研究壩前含沙量垂向分布、過機含沙量變化、懸沙級配與入庫水沙、淤積形態(tài)、水庫調(diào)度等因子之間的響應(yīng)關(guān)系，便于沙峰的提前預(yù)報，并結(jié)合實時監(jiān)控，適時避沙峰運行，達(dá)到減緩水機過流部件磨蝕目的。獲取進出庫含沙量變化情況，對于整個水庫的宏觀調(diào)度無疑是非常重要的，但不能代替機組過機含沙量的觀測。

2.4 主動防御的功能和作用

（1）減少過機含沙量和粗顆粒泥沙。對機組磨損起主要作用的是粗顆粒泥沙，保持一定的庫容可以增加對來沙的調(diào)節(jié)能力，使上游來沙在經(jīng)過庫區(qū)向壩前運動時，泥沙先在漏斗區(qū)內(nèi)產(chǎn)生沉降。尤其是對機組過流部件磨損起決定性作用的粗沙，在漏斗區(qū)暫時沉積，遠(yuǎn)離電站進水口，減少過機粗泥沙所占比例，從而減輕泥沙對機組的磨損破壞。

（2）節(jié)約運維費用。機組磨蝕減輕后，狀態(tài)穩(wěn)定，運行可靠，減少了檢修次數(shù)、停機時間及日常維護的工作量，延長了機組使用壽命，也節(jié)約了運維費用。

（3）減少棄水，增加發(fā)電量。保留或恢復(fù)一定的庫容，可以增強對水量的調(diào)節(jié)能力，減少棄水，增加發(fā)電量。尤其是當(dāng)來水日間變化幅度比較大時，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 三門峽水電站水輪機抗磨蝕案例分析

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

三門峽電站在全年（1973～1980年）發(fā)電運行階段，由于庫區(qū)淤積嚴(yán)重，過機平均含沙量為282 kg/m3，水輪機主軸密封快速磨損，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)致機組檢修工作量大增。4號機組運行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，已近于報廢，補焊面積達(dá)62.48 m2，使用焊條共9 300 kg，大修歷時222 d。

在此期間，采用在易破壞區(qū)覆蓋保護層的方法進行防護。水輪機過流部件葉片正面、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;對水工建筑物采取了輝綠巖鑄石板、C60高強混凝土、鋼纖維混凝土、高強砂漿、鋼板鑲護等防護技術(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。每臺次機組的檢修時間仍需要120 d左右，修補用焊條3 000～4 000 kg，僅補焊打磨就需要40～50 d，難以從根本上解決問題。

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)電運行，占全年來水量60%以上的汛期水資源未能利用，損失巨大。

經(jīng)過多學(xué)科專家共同研究，反復(fù)論證，認(rèn)為過機粗顆粒泥沙是造成磨蝕、氣蝕的主要因素。因此，在做好表面防護的同時，應(yīng)從泥沙問題入手解決水輪機過流部件和水工建筑物磨損問題。

三門峽水電站于1994年開展了汛期渾水發(fā)電原型試驗，目的是通過恢復(fù)近壩河段河槽庫容，增大水庫調(diào)水調(diào)沙能力，減緩機組磨損破壞。運用原則為“洪水排沙，平水興利”，汛期依靠洪水在庫區(qū)形成溯源沖刷，恢復(fù)漏斗區(qū)庫容。

經(jīng)過6 a的汛期發(fā)電試驗和研究，取得了豐富的成果：

（1）通過增大調(diào)沙庫容和優(yōu)化水庫調(diào)度運用，過機含沙量比同期出庫含沙量降低16%，比進庫降低30%左右。

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

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

（4）機組運行質(zhì)量極大提高，機組輪修時間由3～4 a一次，延長到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，機組運行安全得到了更加可靠的保證。

（5）經(jīng)濟效益大幅提高。通過對泥沙的治理，水庫調(diào)節(jié)能力增強，汛期發(fā)電量逐年提高（見表1）。目前，汛期發(fā)電量基本穩(wěn)定在40 000萬kW·h左右。

（6）摸索出了一套適合三門峽水庫的運行方式。在原型試驗的基礎(chǔ)上，將運用方式進一步優(yōu)化為“洪水排沙，平水控制”。當(dāng)前，三門峽水庫6月底至7月初入汛時先進行一次集中排沙，使庫區(qū)近壩段漏斗區(qū)庫容，由排沙前的0.1億～0.2億m3恢復(fù)到0.5億～0.6億m3。進入汛期后，來水來沙增加，泥沙先在漏斗區(qū)落淤暫存，遇到合適來水條件，再集中排出水庫，效果十分顯著。在一個運行年內(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，機組正常發(fā)電運行。當(dāng)含沙量達(dá)到30～60kg/m3時，及時增加巡檢人員數(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，如果來沙量比較穩(wěn)定，變化波幅不大，且有下降趨勢時，機組加密巡檢頻次運行;但如果來沙有增加趨勢，且頂蓋上水明顯增加，并有繼續(xù)加大趨勢時，機組必需停機，實行避沙運行，同時開啟底孔排沙，擴大漏斗區(qū)庫容，恢復(fù)沉沙能力。

三門峽水電站運行的實踐證明，通過水庫的調(diào)節(jié)作用，可有效減少過機含沙量，解決了水輪機磨蝕問題。主動防御措施不僅能夠減輕機組磨損破壞，還可以減輕粗顆粒泥沙對抗磨涂層的沖刷，使被動防護措施效果能夠持續(xù)更長時間。

4 結(jié) 語

對于水庫泥沙清淤，保持壩前有一定容量的沖刷漏斗，增加對水量和泥沙的調(diào)節(jié)能力，是實施過流部件主動防御的前提條件。對于新投入運用的水庫，運用起始就要把防止泥沙淤積放在十分重要的位置，使水庫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，治理難度會加大，甚至造成不可逆的永久喪失。對仍然保持有一定水沙調(diào)節(jié)能力的水庫，調(diào)度運行時必須給予充分的重視，不能任其發(fā)展。對于淤積已經(jīng)比較嚴(yán)重的水庫，需要采取措施恢復(fù)庫容，必要時只能適當(dāng)犧牲部分電量，以電量換庫容，降水運用以沖刷泥沙。

參考文獻：

[1] 張俊華，馬懷寶，夏軍強， 等. ?小浪底水庫異重流高效輸沙理論與調(diào)控[J]. ?水利學(xué)報， 2018， 49（1）：62-71.

[2] 張俊華， 馬懷寶， 竇身堂， 等. ?小浪底水庫淤積形態(tài)優(yōu)選與調(diào)控[J]. ?人民黃河， 2016，38（10）：32-35.

[3] 李濤， 張俊華， 夏軍強， 等. ?小浪底水庫溯源沖刷效率評估試驗[J]. ?水科學(xué)進展， 2016，27（5）：716-725.

[4] 胡一三. ?三門峽水庫運用方式原型試驗研究[M]. ?鄭州：黃河水利出版社，2009： 230.

[5] 朱雪凌， 任巖， 郭之瑞， 等. ?三門峽水電站水輪機磨蝕與防護研究[J]. ?人民黃河， 2010，32（6）：102-103.

[6] 王志高. ?三門峽水電站水輪機磨蝕與防護[J]. ?水利水電工程設(shè)計， 1998（1）：41-44.

[7] 李貴勛， 張雷， 鄭軍， 等. ?磨蝕防護技術(shù)在水力機械的應(yīng)用研究[J]. ?水電站機電技術(shù)， 2017，40（5）： 21-23.

[8] 顧四行， 賈瑞旗， 張弋揚， 等. ?水輪機磨蝕與防治[J]. ?水利水電工程設(shè)計， 2011，30（1）：39-43.

（編輯：李 慧）