三門峽工程泥沙對泄水建筑物磨損的研究

三門峽黃河明珠（集團）有限公司 王云年 張武斌 謝偉華

1.概況

黃河是世界著名的多泥沙河流，三門峽壩址處年平均流量1105m3/s，多年平均含沙量37.7kg/m3，汛期平均含沙量68.3kg/m3，洪峰最大含沙量911kg/m3，年輸沙量16億t，汛期水量占全年的60%，而汛期輸沙量占全年的85%。因此，泥沙的磨損是泄水建筑物遭到嚴重破壞的外部條件。本篇重點研究對泄水建筑物門槽及軌道的磨損。

2.泄水建筑物磨損狀況

2.1 門槽磨損

隧洞、深孔、底孔及鋼管共有九種門槽形式，這九種門槽在不同的流速作用下，磨損情況也各有不同。典型門槽磨損情況見表1。

各種門槽的磨損情況表明：磨損比較大的部分為門槽的上下游棱角附近，矩形斜坡型門槽比圓弧形和矩形方角型門槽磨損較輕。雖然門槽外表面的棱角遭到較大的磨損，但門槽內壁除凸出的軌道以外，并無明顯的磨損現象。

2.2 軌道磨損

隧洞、深孔、底孔及鋼管可歸納為四種軌道形式。這四種軌道形式在不同流速作用下，磨損情況也各不相同。典型軌道磨損情況見表2。

各種軌道的磨損情況表明：

(1)軌道最大磨損邊正對漩渦流向的迎水面，而且，主軌正處在洞內主流與漩渦流向分流點附近，是產生泥沙磨損最不利的位置，如能將主軌向門槽內側移動，適當增加閘門的計算跨度，則可以減輕軌道的磨損。

(2)扁平軌道比突出軌道的磨損有顯著減輕。所以，凡以線接觸面的承重軌道，為減免泥沙的磨損作用，不宜凸出門槽邊壁過多。如無法避免，則應在凸出軌道的外側(即漩渦流向的迎水面)加以保護，保護高度盡量與軌道凸出高度相同，其保護部分外型應是門槽外型的一部分，以避開漩渦流向的沖擊。

(3)矩形斜坡門槽軌道與矩形方角門槽軌道相比較，可以看出，前者軌道的局部磨損普遍較小，一般為蠶豆或黃豆大小的不連續坑洞，而后者卻磨成連續坑洞，幾乎磨損到極限位置。

(4)弧形門軌道雖平貼在水流邊緣，在一定的泄水條件下，其表面亦會遭到泥沙磨損。

2.3 不同材料的磨損

隧洞、深孔、底孔及鋼管的主要建筑材料為混凝土和鋼板，也有部分環氧砂漿、呋喃砂漿、高標號水泥石英砂漿、輝綠巖鑄石板和鐵砂混凝土等。上述材料抗磨損性能如下：

輝綠巖鑄石板有很高的硬度指標，能拓模制造，是較好的抗磨損材料。

環氧砂漿或呋喃砂漿有較高的強度和硬度指標，還具有均質性好，表面粗糙度小等特點。運用實踐證明，這兩種材料的抗磨程度相當，約為混凝土的5倍左右，是較好的抗磨材料。

高標號水泥石英砂漿是高標號水泥和石英砂漿拌制的，有一定的抗磨能力。

普通混凝土不如真空作業混凝土抗磨程度好。這兩種材料的不均質性和表面粗糙度均較大，易產生渦流磨損和局部空蝕。

鋼板在施工中是保證造型的要求，但硬度較小，抗磨能力差，必須用鋼板鑲護的部位，表面應考慮保護措施。

鐵砂漿中的鐵砂容易生銹，粘結力較差。

另一次是4月26日，由埃里斯塔驅車東行，途經查干阿姆，赴里海畔的阿斯特拉罕，一路同樣奔馳在遼闊的卡爾梅克大草原。

3.過壩泥沙特征

三門峽汛期平均含沙量68.3kg/m3，多年平均含沙量為37.7kg/m3，最大含沙量為911kg/m3，泥沙比重為2.65-2.70。

三門峽泥沙中平均中值粒徑d50=0.038mm。泥沙基本顆粒形狀為多角形和尖角形，且比較尖利，磨損力較大。

三門峽泥沙中石英礦物含量為90%-95%，長石礦物含量為1%-5%，兩者合計達95%-96%，而石英和長石的硬度都較高(按標準礦物莫氏硬度，石英為7級，長石為6級)，一般認為泥沙硬礦物含量越多，硬度越大，磨損愈強烈。

綜合泥沙的主要磨損因素可以看出：三門峽水電站具有含沙量大、泥沙粒徑粗、顆粒尖利、硬礦物含量多、硬度大等特點。這是本工程遭到泥沙嚴重磨損的重要因素。

4.泥沙磨損的初步探討

4.1 泥沙磨損機理分析

泥沙在水流中有懸移質與推移質兩種存在形式，其對泄水建筑物的磨損機理也不盡相同[3]。懸移質泥沙以懸浮狀態隨水流運動，由于顆粒細小，在高速水流中往往會得到充分摻混而與水流保持相近的運動速度，因此，懸移質泥沙對過流建筑物的磨損一般比較均勻，磨損部位往往是整個過流邊界。從泥沙磨損的形成過程看，含懸移質泥沙的高速水流常常先剝離混凝土表面的砂漿層，然后淘刷細骨料，待細骨料被水流沖走，粗骨料裸露而形成凹凸不平的磨蝕坑時，在過流表面會形成各種類型的漩渦運動，使磨損作用加劇。而磨蝕坑的加深又進一步惡化水流條件，加速磨損破壞進程。可見，懸移質的磨損過程實際上是一個惡性循環過程，在此過程中，實際上也包含了因水流條件惡化引起的空蝕破壞。推移質泥沙對泄水建筑物的磨損破壞除具有與懸移質類似的磨損作用外，還有顆粒以不同的軌跡或角度碰撞、沖擊或磨削過流面，其磨損破壞作用的大小取決于流速、流態、推移質數量、粒徑、硬度、運動方式等多方面因素的影響，還與過流時間、建筑物體型、材料的抗沖耐磨性能有關。由于重力作用的影響，推移質對泄水建筑物的磨損破壞往往以底邊界為甚。

表1 各種門槽磨損情況

表2 各種軌道磨損情況

4.2 泥沙磨損的定量估算方法

由于推移質泥沙對泄水建筑物的磨損資料很少，遠未達到可進行定量分析的程度，加之在實測泥沙資料中，推移質含量遠遠少于懸移質，僅在后者的2%以下。因此，作為初步研究，本文僅對懸移質泥沙磨損進行定量預測。

懸移質泥沙對泄洪建筑物邊壁的磨蝕作用取決于水力因素與泥沙因素。前者包括水流流速、過流歷時、水流摻氣、流態等；后者包括泥沙含量、顆粒級配、形狀、礦物質含量及硬度、以及泄水建筑物邊壁材料的抗磨性能等。

式中：δ為泥沙磨蝕深度(mm)；S為含沙量(kg/m3)；V為過流流速(m/s)；D為泥沙粒徑(mm)；T為過流歷時(h)；R為混凝土強度；K為系數，反映泥沙顆粒特性包括級配、形狀、比重、硬礦物含量及硬度等的影響。泥沙顆粒形狀越尖利，磨蝕越重。研究表明，尖角形、棱角形、圓狀形沙粒的磨蝕能力之比約3∶2∶1.另外，泥沙中硬礦物成分越多，硬度越大，對過水邊壁的磨損也越嚴重。

根據前人的研究成果，式(1)中各參數的大小為：m=0.7～1.0，n=2.7～3.2，p=-1.105，α=β=1.0.可見，在影響泥沙磨損深度的眾多因素中，以過流流速的影響最為顯著，大約為3次方關系；而在相同的材料強度條件下，泥沙磨蝕強度與含沙量、顆粒粒徑及過流歷時成線形關系。

在式(1)中，取m=1.0，n=3.0，p=-1.105，α=β=1.0，則可寫出泥沙磨損深度的定量關系式為：

一般而言，泄水建筑物在易遭泥沙磨損的泄流表面均采用抗沖耐磨材料，不同的抗沖耐磨材料，其R值也不同。若將R值的影響計入綜合系數中，則式(2)進一步簡寫為：

上式中C為綜合系數，反映泥沙顆粒特性與過流面的抗磨性能的綜合影響。

5.結語

(1)根據本工程泥沙磨損的實踐：在平均含沙量達到37.5kg/m3，流速v=20m/s的高速水流作用下，能夠產生相當大的磨損破壞力。

(2)不同的泥沙性質產生不同的磨損外觀和強度。推移質的磨損以礫石和塊石的平推、翻滾、跳躍的磨損作用為主，磨損外觀比較平滑。它受重力作用顯著，磨損范圍集中在底部。懸移質的磨損與水流邊壁粗糙度所形成的近壁流態有關。若水流邊壁光滑，可能形成泥沙的平流磨損，磨損外觀為擦痕；若水流邊壁相對粗糙，可能形成各種型式的渦流，磨損外觀為坑洞。水流邊壁的粗糙度越大，磨損作用也越大。

(3)對于以懸移質泥沙磨損為主的材料磨損深度，可參考δ=CSV3DT進行粗略估算，其中C為綜合系數，反映泥沙顆粒特性與過流面的抗磨性能的綜合影響。

(4)由于受到本工程的局限性，對水流邊壁泥沙磨損的認識尚不深刻。有待積累更多的數據資料，對泥沙磨損的規律性進一步研究。

[1]能源部電力公司混凝土建筑物病害修補和處理情報網.第三屆水工混凝土建筑物修補技術交流會論文集[C].豐滿發電廠,1992.

[2]魏永暉.三門峽樞紐底孔的磨蝕破壞和修復[J].水利水電技術,1992.

[3]林秉南.工程泥沙[M].北京:水利電力出版社,1992.

[4]孫雙科.三峽水利樞紐泄洪深孔的泥沙磨損問題探析[J].水利學報,2001.