三門峽水利樞紐泄流排沙建筑物抗磨蝕實踐研究

(三門峽水利樞紐管理局工程管理分局，河南 三門峽 472000)

三門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年開始蓄水。蓄水后，水庫發生嚴重淤積，為擴大泄流排沙規模，工程于1964—2000年間進行數次改建，在左岸興建2條隧洞，改建3條引水發電鋼管，并打開已封堵的12個施工導流底孔，現有27個孔口，即12個底孔、12個深孔、2條隧洞及1條鋼管，用以泄流排沙。三門峽水庫采取“蓄清排渾”的運用方式，水庫淤積問題得到了解決，并發揮了防洪、防凌、灌溉、發電和供水的綜合效益。但是，含沙水流對泄水建筑物造成嚴重的磨蝕破壞。為此，本文對三門峽水利樞紐自1967年以來開展的一系列抗磨蝕實踐進行分析研究，以選擇合適的抗磨材料。

1 磨蝕情況

三門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，高速含沙水流對泄水建筑物造成極其嚴重的磨蝕破壞。磨蝕嚴重部位有門槽的底檻和導軌、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重,深孔次之,隧洞、鋼管較輕，其原因是底孔進口高程低,過水流速和含沙量大,運用時間長。

由于高速含沙水流對建筑物表面的磨損與空蝕破壞，三門峽水利樞紐排沙底孔孔身、深孔溢流面和護坦面在運行中產生嚴重磨蝕。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，最大瞬時含沙量達911kg/m3，泄流期間基本處于滿流狀態，底孔界面上均有磨損現象,底板側墻的混凝土表面磨損較嚴重。在近年來的檢查中，發現部分工作門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。側墻3m以下混凝土表面磨損嚴重，80～120mm特大骨料裸露。各型門槽和門槽軌道，也均被懸移質與空蝕聯合破壞，成為水庫防洪安全運行中的重大問題。8個底孔工作門槽不銹鋼導軌為凸出軌道，破壞程度都極其嚴重，有的導軌在厚度上已剝蝕近半。以2010年4月的6號底孔為例，檢查發現6號底孔正軌不銹鋼面氣蝕嚴重，最大氣蝕坑長10mm、寬5mm、深4mm；反軌氣蝕異常嚴重，氣蝕坑密度大，最大氣蝕坑長15mm、寬6mm、深5mm。排沙隧洞弧形工作門導軌為厚5mm、寬100mm的不銹鋼扁平軌道，由于底部兩側不銹鋼導軌破壞嚴重，導軌被磨蝕成深溝缺口，厚20mm的門槽段護面鋼板也被磨穿。

2 原因分析

自1981年開始，中國水利水電科學研究院、黃河水利科學研究院等單位相繼進行雙層孔常壓水工模型試驗、單層孔常壓和減壓模型試驗及底孔原型空化噪聲試驗。通過水工模型試驗可知，底孔底板、挑流鼻坎及底孔遠端邊墻均為正壓力，無空穴現象。由原型破壞形態觀察，底板破壞后殘留的各種抗磨蝕材料均有順水流方向的劃痕或溝槽痕跡，非空蝕破壞外觀，為典型的泥沙磨蝕。根據前人試驗研究成果，泥沙磨蝕程度與流速、含沙量、泥沙粒徑和運用歷時等因子成比例關系，三門峽水庫泥沙含量大，粒徑粗、顆粒尖利。

上述部位磨蝕情況主要表現為在高速含沙水流作用下，首先表層膠結水泥被磨蝕掉，隨著運行歷時的增加，致使結構的粗糙度增加，細骨料亦逐漸被磨掉，導致粗骨料裸露，加劇水流擾動，形成各種類型的渦流，帶走更多的細骨料，最終使粗骨料剝落。而靠近工作門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致的空蝕破壞。

3 抗磨蝕實踐

3.1 改善泄水建筑物體型

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

3.2 抗磨材料的實踐

3.2.1 輝綠巖鑄石板

1973年12月—1974年11月，相繼在7個底孔底板面鋪砌了輝綠巖鑄石板(以下簡稱“鑄石板”)，鋪砌時用環氧樹脂基液打底，用高標號水泥砂漿作黏結材料進行現場試驗，汛期投入排沙運用。1981年4—6月和1982年5—6月，對底孔進行檢查，1號、4號和7號三個底孔底板鋪砌的鑄石板剝落面積在56%以上，5號和8號兩個底孔鑄石板剝落面積在高達87%以上，未剝落鑄石板的表面有順水流向擦痕，深約1～2mm，鑄石板的接縫處有破裂現象[1]。從使用效果看，鑄石板本身的抗磨蝕性能很好，價格便宜，但質地較脆，易被推移質砸破，且整體性差，在高速水流的作用下，先從黏結薄弱的部位破壞，易被逐塊掀掉，在大面積施工黏接工藝無把握的情況下不宜使用。

3.2.2 環氧砂漿

2013年，1～3號底孔間挑流鼻坎靠近邊墻部位及底孔閘門門槽部位的側墻等典型過流部位進行抗沖磨表層修復現場試驗,涂抹一層改性環氧金剛砂砂漿層，厚0.5～1.0cm，經過近3個汛期運行，經檢查基本沒有發生磨蝕破壞,抗磨效果較好。二期改建時，底孔兩側邊墻門槽段，在埋件安裝后即采取現場澆筑混凝土，并在混凝土表面涂抹一層厚度為10mm的環氧砂漿，但由于施工時施工工藝控制不嚴，大部分底孔在經過二次汛期過流后出現環氧砂漿大面積剝落現象。

環氧砂漿用于水流狀態復雜、易受高速水流破壞的部位，例如：金屬護面的抗沖刷抗磨蝕涂層、門槽段、出口壓縮段邊壁等。抗磨蝕能力是普通混凝土的4～5倍，黏結能力強，是最好的抗磨材料，但材料價格較貴，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用。

3.2.3 高強度混凝土

三門峽樞紐曾在4號底孔的底板進行高強混凝土抗磨材料現場工藝試驗[2]。使用高強混凝土的水灰比0.3，水泥用量467kg/m3，FDN摻量5%，坍落度3～5cm。經過7個汛期后測高強混凝土平均累計磨損20.8mm，最大磨蝕26mm，最小磨蝕15mm，平均每年磨蝕3mm。施工和維修都較簡便，成本比較低廉，適合大面積施工，是三門峽底孔改建底板抗磨層的基本材料。

3.2.4 高強度水泥砂漿

高強度水泥砂漿選用微膨脹525號水泥、摻用優質活性添加物、高效能減水劑。三門峽樞紐底孔邊墻采用“水泥裹砂潮噴法”噴涂高強度水泥砂漿，經過底孔累計過流1180～2980h，從外表看經過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噴護，除個別部位有少量細縫外，未發現有貫通性裂縫和剝落現象。據測量，一個汛期平均磨蝕約0.5～1mm，室內試驗28d平均抗壓強度達85.5MPa，現場試驗抗壓強度為61.4MPa，抗拉強度3.45MPa。總的來說，采取噴射高強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抗磨層的難題。

3.2.5 鋼板

三門峽的試驗表明，鋼材的抗磨性能低于鑄石板、環氧砂漿和真空作業混凝土。如5～8號鋼管的30號鋼板鑲護層和水輪機組過水部件表面的鉻五銅抗磨層，經過一個汛期過水，即受到嚴重沖蝕破壞。鋼板的抗泥沙磨損能力是比較低的，流速超過10m/s，就會造成磨蝕。

3.2.6 石英水泥砂漿

二次改建時期，3號底孔底板涂抹石英水泥砂漿抗磨層做試驗，該砂漿用500號水泥拌制，水灰比0.35，灰砂比1∶1.37，抗壓強度(28d)60MPa。經過泄流排沙運用192d，檢查發現沒有剝離和大的坑洞，但表面磨蝕較嚴重，出口段較檢修閘門后面的更為嚴重，表面普遍磨掉5mm以上。試驗表明：由于當砂漿凝結水化后，剩余的水分蒸發，形成很多小氣泡，而泥沙的礦物質硬度較大，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。

三門峽二期改建時期曾做過抗空蝕試驗，選用幾種材料進行抗磨蝕和空蝕對比，具體結果見下表。

抗磨蝕、空蝕對比表

試驗表明：在相同水流條件下，材料抗空蝕、磨蝕能力大小次序為環氧砂漿、鋼纖維砂漿、鋼纖維混凝土、高強混凝土、高強砂漿、石英砂漿。環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；高強混凝土成本最低，但抗磨蝕能力比環氧砂漿低。

4 結 語

a.環氧砂漿和高強度砂漿在三門峽樞紐的運用中比較成功，適合在多泥沙河流樞紐中推廣運用。

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

c.根據三門峽樞紐孔洞的磨損情況，近年來基本上每年要安排1～2個孔洞大修。抗磨層在高含沙水流作用下，并不能做到一勞永逸，必須加強維修和養護。

d.在這一領域內的新材料、新工藝不斷出現，需研究引進適合工程條件的、性價比更好的抗磨材料和施工工藝，以延長抗磨層的使用壽命，減緩高速含沙水流對孔洞的破壞，減少孔洞大修的頻次。

黃河三門峽水利樞紐志編纂委員會.黃河三門峽水利樞紐志[M].北京：中國大百科全書出版社，1993.