水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇分析

洪振國

(云南省水利水電勘測設計研究院， 云南 昆明 650021)

1 研究背景

我國對水輪機泥沙磨蝕問題的研究已有50多年歷史，早在20世紀50年代，在修建北京官廳水庫和黃河三門峽等水利樞紐工程以及1956年編制國家12年科技發展規劃時，就提出水輪機泥沙磨損的問題[1-2]。經過幾代科技工作者研究與實踐，目前已經在減緩水輪機泥沙磨損方面取得了不少成果，但是影響水輪機泥沙磨損的重要因素泥沙最小危害粒徑選擇十分復雜，尚未取得突破性進展，泥沙最小危害粒徑選擇標準國內沒有強制規定，所以關于泥沙最小危害粒徑選擇的許多問題還有待深入研究。本文先對影響水輪機磨損的主要因素全面系統分析，說明目前國內水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇方法不夠準確，在補充設計水頭、水中泥沙含量、水流相對流速等水沙因子綜合因素修正基礎上，通過各種泥沙最小危害粒徑的沉沙池投資和水輪機磨損維修費分析，進行泥沙最小危害粒徑選擇，論述此方法選擇泥沙最小危害粒徑的合理性。并通過麻子河一級水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇應用，進一步論述充補水沙因子綜合因素修正選擇泥沙最小危害粒徑方法具有經濟合理特點。

2 影響水輪機磨損的主要因素

2.1 河流含沙量與水輪機磨損的關系

將黃河鹽鍋峽與江西柘林水電進行比較，這二個電站均裝置HL-123-LH-410型低水頭轉漿式水輪機，但是處于不同的含沙量河流上，運行數年后，表現出水輪機破壞特征明顯不同。鹽鍋峽1#水輪機通過二年半后運行，葉片表面發現大量的溝槽、魚鱗坑、蜂窩[3]，水輪機效率降低約2%～5%，每兩年需要大修一次，每次耗用不銹鋼條約1 t;而江西柘林水電站雖與鹽鍋峽水電站水輪機型相同，但是該水電站位于低含沙量河流上，水輪機破極其輕微，1#機運行兩年半后檢查時，僅發現轉輪有兩個葉片下部靠出水邊外海錦狀氣蝕破壞，蝕坑深僅3 mm。這表明：相同型號水輪機在不同的含沙量下運行時，其破壞特征差異很大，含沙量大則水輪機磨損較為嚴重，而含沙量小則水輪機僅發生氣蝕現象。

2.2 泥沙粒徑與磨損關系

文獻[4]資料表明：當泥沙粒徑d在0．1～0．5 mm之間時， 水輪機磨損強度極大，當泥沙粒徑d在0.05～0.1 mm之間時，水輪機磨損強度較大，泥沙粒徑d<0.05 mm時，水輪機磨損強度較小。這說明：不同的泥沙粒徑下在同一水輪機運行時，通過較小泥沙粒徑水輪機磨損較小，較大泥沙粒徑對水輪機磨損較為嚴重。

2.3 設計水頭與磨損關系

同樣處于黃河上游的相同含沙量水流條件，劉家峽電站由于設計水頭較高，水輪機因磨損與氣蝕的相互作用，使導葉出水邊嚴重缺損呈鋸齒狀，上下抗磨板破壞處可深達20 mm左右，并多次發生漏水而無法開啟工作閘門；而相比之下，八盤峽、青銅峽水電站由于設計水頭較低，雖然轉輪區域已遭嚴重破壞，但導葉破壞卻相對輕微。這表明:在相同含沙量水流條件下，設計水頭越高、磨損破壞越嚴重。

2.4 水輪機制造工藝水平與磨損關系

黃河八盤峽水電站同時安裝瑞士進口機輪機及國產水機輪機兩種。運行十幾年來，兩種水輪機的磨損情況不同，瑞士水輪機的轉輪底環、葉片、轉輪室由不銹鋼整鑄制造，葉片翼型的制造誤差很小，表面光潔度很高，運行4年多尚未進行過大修，而國產水輪機運行7 709 h后停機檢查，發現葉片背面有些部位破壞深度平均達到5 mm左右，局部破壞深度達到10 mm，4#機葉片背面進水邊有一凹，竟深達15.5 mm。因此當水輪機部件的制造水平和材料質量較好時, 水輪機磨損較少。

2.5 水流相對流速與磨損關系

泥沙設計手冊[4]中水流相對流速與磨損量的關系式為：

W=KV3Sd0.65T

(1)

式中：K為0．558×10-9；W為磨損量，cm；V為水流相對流速，m/s；Sd為水流含沙量，kg/m3；T為磨損歷時,h。

這表明: 在相同含沙量、磨損歷時條件下，水流相對流速越大, 水輪機磨損破壞越嚴重。

3 國內水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇

國內《水利水電工程沉沙池設計規范》[5]水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑根據水電站設計水頭確定，水電站設計水頭在300～600 m之間時，泥沙最小危害粒徑取0.1 mm；水電站設計水頭在100～400 m之間時，泥沙最小危害粒徑取0.25 mm；當水電站設計水頭小于100 m時，泥沙最小危害粒徑取0.35 mm。

在文獻[4]等資料中的泥沙危害粒徑選取標準：特高水頭水電站泥沙最小危害粒徑d=0.05～0.1 mm；中水頭水電站泥沙最小危害粒徑d=0.2～0.4 mm；低水頭水電站泥沙最小危害粒徑d=0.4～0.5 mm。

4 水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇修正

4.1 水沙因子綜合因素對泥沙最小危害粒徑選擇修正

在分析影響水輪機磨損的主要因素基礎上，目前國內水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇僅與設計水頭有關理論是不夠準確，需要進行水沙因子綜合因素修正。根據國內外試驗研究，水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇與通過水輪機平均含沙量和水流相對流速、水輪機制造材料的耐磨系數和磨損量、水輪機實際運行時間等因素有關，采用如下公式表示[6-8]：

(2)

式中:β與泥沙粒徑大小等因素有關磨損能力綜合系數；δ為輪機的磨損量，即水輪機過流部位的平均磨損深度，mm；s為通過水輪機水流的平均含沙量，kg/m3；ε與水輪機材質、加工光潔度、磨損量大小等因素有關的材料耐磨系數；t為水輪機累計運行時間，h；w為通過水輪機水流相對流速，m/s。

4.2 水輪機磨損維修費用對泥沙最小危害粒徑選擇修正

水電站沉沙池的泥沙最小危害粒徑選擇在考慮水沙因子綜合因素基礎上，根據水電站運行和地質地形等條件選定沉沙池結構布置，按沉沙池結構布置計算得到沉沙池工程量和投資，參考已建大量運行的水電站各種泥沙最小危害粒徑水輪機磨損維修費情況，推導出泥沙最小危害粒徑的水輪機磨損維修費，然后根據沉沙池投資和水輪機磨損維修費進行經濟比較后確定泥沙最小危害粒徑。

5 水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇應用

5.1 工程概況

麻子河一級水電站位于云南省金平縣紅河南岸一級支流麻子河河段，電站引水口設在麻子河與沙依坡河交匯處下游約4.5 km處，經1 457.504 m長的引水隧洞和約265.5 m長的壓力引水管道引至沙依坡河右岸地面廠房，是以發電為單一任務、徑流式開發的低水頭電站。

麻子河一級水電站裝機容量2×3.6 MW，設計引用流量6.24 m3/s，設計水頭137.1 m。主要建筑物由取水口、沉沙池、引水隧洞、調壓井、管道、廠房組成，主要建筑物按5級設計，次要建筑物按5級設計[9-12]。沉沙池為定期沖沙沉沙池，總長70 m，由上游聯接段、工作段、下游聯接段3個部分構成[12-15]。沉沙池首部為上游聯接段，長7 m(樁號為0+000～0+007.00 m)，寬度由2 m漸變到5.4 m，深4.7～5.7 m，邊墻厚度為500 mm，底板厚800 mm，底板高程由917.50 m降至916.50 m，池頂高程922.20 m，底坡i=14%。沉沙池工作段長56.50 m(樁號0+007.000～0+063.500 m)，長56.50 m，寬5.4 m，深5.05～6.18 m，邊墻厚度為500 mm，底板厚800 mm，池頂高程921.55 m，底坡為2%，以便將沉積在池底的泥沙引入沖沙廊道沖沙。下游聯接段樁號為0+063.50～0+070.000 m，正向沖沙，正向進水，沖沙底板高程915.37 m。沖沙廊道斷面尺寸為1 m×1 m，設一道1 m×1 m平板沖沙閘門，沖沙廊道底坡i=1%。

5.2 以水沙因子綜合因素選擇泥沙最小危害粒徑

水電站的沉沙池泥沙危害最小粒徑選擇考慮水沙因子綜合因素，包括水電站設計水頭、通過水輪機含沙量和水流相對流速、水輪機的磨損量等因素[16-18]，每一個水電站的沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇都不可能與另一個水電站完全相同，但是可以通過大量水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑的對比分析，判斷麻子河一級水電站的沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇的合理性。

表1為白濟汛、綠電溏、吉岔、格登、六和、燕子崖等12個水電站水沙因子綜合因素。

從水電站泥沙水沙因子綜合因素表1可知：白濟汛、綠電溏、吉岔、格登、六和、燕子崖等12個水電站的設計水頭范圍為86～950 m，含沙量范圍0.0074～1.59 kg/m3，水流相對流速范圍2.517～5.77 0m/s ,泥沙最小危害粒徑范圍0.01～0.35 mm。由于麻子河一級水電站設計水頭為137.1 m，含沙量0.12 kg/m3，水流相對流速3.9 m/s，泥沙最小危害最小粒徑0.25 m等水沙因子綜合因素在白濟汛、綠電溏、吉岔、格登、六和、燕子崖等12個水電站范圍內，因此說明沉沙池泥沙危最小害粒徑選擇是合理的。

5.3 以綜合費用選擇泥沙最小危害粒徑

泥沙危害最小粒徑0.25 mm時，泥沙沉降速度取0.0244 m/s，通過計算沉沙池工作段長56.5 m，上游聯接段寬度由2 m漸變到5.4m，工作段寬度5 mm。泥沙危害最小粒徑0.1 mm時，泥沙沉降速度取0.00612 m/s，通過計算沉沙池總長178 m，上游聯接段寬度由2 m漸變到5.4 m，工作段寬度5.4 mm。泥沙危害最小粒徑0.2 mm時，泥沙沉降速度取0.0179 m/s，通過計算沉沙池總長75 m，上游聯接段寬度由2 m漸變到5.4 m，工作段寬度5.4 mm。泥沙危害最小粒徑0.3 mm時，泥沙沉降速度取0.0308 m/s，通過計算沉沙池工作段長45 m，上游聯接段寬度由2 m漸變到5.4 m，工作段寬度5.4 mm。危害最小粒徑0.35 mm時，泥沙沉降速度取0.045 m/s，通過計算沉沙池工作段長31 m，上游聯接段寬度由2 m漸變到5.4 m，工作段寬度5.4 mm。根據上述的各種泥沙最小危害粒徑相應的沉沙池結構尺寸，得到各種泥沙最小危害粒徑沉沙池工程量見表2 。

表1 水電站水沙因子綜合因素

表2 不同泥沙最小危害粒徑沉沙池工程量

由表2可知，當泥沙最小危害粒徑為0.1 mm時，沉沙池工程最大；泥沙最小危害粒徑為0.35 mm時，沉沙池工程最小。泥沙最小危害粒徑越小沉沙池工程量越大。

根據各種泥沙最小危害粒徑沉沙池工程量計算得到相應的沉沙池投資，參考已建大量運行的水電站各種泥沙最小危害粒徑水輪機磨損維修費情況，推導出泥沙最小危害粒徑的水輪機磨損維修費，各種泥沙最小危害粒徑沉沙池投資和水輪機磨損維修費見表3，根據各種泥沙最小危害粒徑的沉沙池投資和水輪機磨損維修費表3繪制圖1～2。

表3 各種泥沙最小危害粒徑沉沙池投資

圖1 沉沙池投資與泥沙最小危害粒徑關系 圖2 水輪機磨損維修費與最小危害粒徑關系

從上表3可知：泥沙最小危害粒徑越小沉沙池投資越大，水輪機磨損維修費越小，泥沙最小危害粒徑0.25 mm沉沙池時，沉沙池投資與水輪機磨損維修費合計費用僅為517.0×104元，費用最少；沉沙池投資與泥沙最小危害粒徑關系圖1中泥沙最小危害粒徑0.25～0.35 mm曲線平緩，斜率較小，沉沙池投資變化率不大，泥沙最小危害粒徑0.1～0.25 mm曲線較陡，斜率較大，沉沙池投資變化率較大，當泥沙最小危害粒徑0.25 mm時，沉沙池投資變化率出現拐點；水輪機磨損維修費與泥沙最小危害粒徑關系圖2中0.1～0.25 mm曲線平緩，斜率較小，水輪機磨損維修費變化率不大，泥沙最小危害粒徑0.25～0.35 mm曲線較陡，斜率較大，水輪機磨損維修費變化率較大，當泥沙最小危害粒徑為0.25 mm時，水輪機磨損維修費變化率出現拐點。因此沉沙池泥沙最小危害粒選擇0.25 mm是合理的，補充水沙因子綜合因素修正選擇泥沙最小危害粒徑方法可行的。

6 結 論

(1)通過影響水輪機磨損的主要因素分析，得知水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇與通過水輪機水流的平均含沙量和相對流速、水輪機制造材料的耐磨系數和磨損量、水輪機實際運行時間等因素有關。

(2)由于麻子河一級水電站的設計水頭、水中泥沙含量、水流相對流速等水沙因子綜合因素在合理的范圍內，因此說明泥沙危最小害粒徑選擇是合理的。

(3)根據不同泥沙最小危害粒徑的沉沙池工程量計算比較，得到最小危害粒徑越小沉沙池工程量越大，同時通過不同泥沙最小危害粒徑相對應的沉沙池投資和水輪機磨損維修費分析，結果表明泥沙最小危害粒徑越小沉沙池投資越大，水輪機磨損維修費越小，當泥沙最小危害粒徑選擇0.25 mm時，沉沙池投資與水輪機磨損維修費合計費用僅為517.0×104元，費用最少。因此沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇0.25 mm是合理的，充補水沙因子綜合因素修正選擇泥沙最小危害粒徑的方法可行。

(4)通過麻子河一級水電站十多年運行，水輪機磨損極其輕微，沒有進行過一次較大檢修，減少了水輪機磨損維修費，因此在補充設計水頭、水流泥沙含量、水流相對流速等水沙因子綜合因素修正基礎上，通過不同泥沙最小危害粒徑的沉沙池投資和水輪機磨損維修費分析，進行泥沙最小危害粒徑選擇的方法具有經濟合理的優點，此方法進一步推廣應用，將會取得更好的經濟效益。