達克曲克水電站水庫泥沙對隧洞和水輪機組磨蝕破壞分析及應對措施

陳波 隋國富 張雷 陳濤 吳志軍

摘要：多沙河流水庫泥沙淤積問題是水庫運行中的主要難題。針對新疆維吾爾自治區達克曲克水電站泥沙淤積導致泄洪排沙隧洞和水輪機組關鍵過流部件出現的較嚴重磨蝕問題，首次采用黃河水利科學研究院研發的新材料、新工藝和新技術，通過相應抗磨蝕技術手段，進行了磨蝕修復和防護。汛期檢驗結果表明，磨蝕防護效果明顯，達到了預期效果。論文研究成果可為其他電站類似問題的處理提供借鑒。

關鍵詞：機組磨蝕;隧洞磨蝕;應對措施;達克曲克水電站;新疆維吾爾自治區

中圖法分類號：TV145

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.10.008

1 工程概況

達克曲克水電站為新疆維吾爾自治區玉龍喀什河“兩庫五級”開發方案中的第4個梯級工程，壩址斷面多年平均年徑流量21.67億m3，多年平均流量68.67 m3/s。總裝機容量為75 MW（生態電站5MW），水庫總庫容1130萬m3，確定工程等別為Ⅲ等，屬中型工程。電站主要建筑物包括大壩、泄水建筑物、發電引水建筑物、水電站廠房及尾水渠。單獨運行多年平均年發電量為2.38億kW·h，裝機年利用小時數2 929 h;聯合運行多年平均年發電量為2.64億kW·h，裝機年利用小時數3 37lh。

工程于2013年6月正式開工，2014年10月截流，導流兼泄洪沖沙洞過水;2015年6月通過蓄水安全鑒定，7月上旬下閘蓄水，7月底發電引水洞通水，8月首臺機組（2號）并網發電;2016年5月第2臺機組（1號）并網發電。

2 水庫泥沙淤積現狀

2.1 泥沙基本資料

玉龍喀什河屬低山及山前丘陵區，降水少，巖石風化強烈，該流域第四紀松散堆積物深厚，是河流主要沙源。流域氣候干燥，植被稀疏，在冰雪消融和雨水沖刷下，河道泥沙沿程漸增，隨著汛期的到來，河流泥沙含量增高，5-8月河流輸沙量占全年的85%左右。根據實測資料，玉龍喀什河多年平均懸移質輸沙率為341 kg/s，多年平均懸移質輸沙率量為1236萬t，多年平均含沙量為4.9 kg/m3。實測最大年輸沙量為3 922萬t（1978年），實測月平均最大輸沙率為9 818 kg/s（1978年8月）。在達克曲克水電站初步設計中，斷面泥沙特征值計算采用面積比擬法，將同古孜洛克水文站泥沙成果推算到工程斷面上，成果詳見表1。

2.2 泥沙礦物質組成及含量

在達克曲克水電站水中泥沙礦物質含量中，石英含量占（45+5）%，云母和伊利石占（25±5）%，長石占（12±3）%，綠泥石占（10±3）%，碳酸鹽占30-～ 5%等。莫氏硬度大于5的礦物質主要是石英（莫氏硬度為7）和長石（莫氏硬度為6.0～ 6.5），云母和伊利石莫氏硬度為2～3，綠泥石莫氏硬度為2.0～ 2.5。

根據懸移質顆粒級配資料分析，懸移質泥沙主要由黏土、粉土和中細砂組成，其中小于0.005 mm黏土占19.2%.0.005～ 0.05 mm的粉土占43.9%，0.05～ 0.5 mm的中細砂占36.6%，粗砂占0.3%。2.3水庫淤積和庫容損失問題突出

水庫泥沙淤積情況見圖l，達克曲克水電站于2015年10月放空水庫，在進行導流洞檢修門及工作弧門消缺處理過程中，發現水庫淤積嚴重。導流洞前河床基本淤積至高程1 760.0 m（導流洞底部高程1 733.0 m，頂部高程1 741.5 m，洞長393 m）;壩前淤積至高程1 742.0 m;1號發電機出口尾水渠，淤積超過尾水閘門頂部7.0 m，淤積高程達1 674.0 m，最大高度達10.0 m，整個反坡段淤滿;引水發電洞洞口高程1 759.5 m，平臺也有不同程度的泥沙淤積，最大淤積厚度約2.0 m。溢洪道引渠底板也存在淤積，最高處淤積至弧門下部。

2018年7月，在汛前定期工作試驗中，實測發現導流洞進水口檢修閘門門槽淤沙，超出洞頂高程7m，攔污柵前淤沙超出洞頂高程20 m，導流洞失去導流泄洪能力，如果不及時疏通導流洞攔污柵，在洪水流量大于溢洪道設計泄流能力時，會發生漫壩、潰壩惡性事故。

根據水庫泥沙淤積計算結果，水庫運行5a后，剩余死庫容140萬m3，其中溢洪道堰頂高程1763.5 m至泄洪排沙洞頂高程庫容為49萬m3，剩余調節庫容97萬m3，計算條件建立在開啟泄洪排沙洞前提下，當其較長時間關閉時，汛期泥沙會因沒有泄洪排沙通道而極易淤積在排沙泄洪洞頂高程以上。根據多年平均入庫沙量分析，在只有溢洪道泄洪情況下，6月平均10 d左右即可淤積至泄洪排沙洞頂高程，7月平均僅需4d左右、8月平均需5d左右，從而造成排沙洞淤堵，影響泄洪排沙通道暢通，嚴重危及水庫安全。

3 水庫泥沙淤積危害及原因分析

3.1 導流兼泄洪沖沙洞磨蝕嚴重

導流洞兼防洪沖沙洞的底板、邊墻和弧形工作門等設施沖蝕破壞嚴重，特別是弧形工作門后防磨底鋼板基本破壞，如圖2所示。初步分析主要原因為泥沙沖磨、弧形工作門小流量開度加速和抗磨強度不足等綜合作用的結果。

3.2水輪機組磨蝕嚴重

達克曲克水電站機組經過2-3個汛期運行后，受空蝕破壞、泥沙磨損及相互耦合作用，導致水輪機組的轉輪、導葉、蝸殼和止漏環等關鍵部位出現了嚴重磨蝕破壞，如圖3所示，造成設備性能參數惡化，導致水力機械運行效率降低，影響設備預期的使用壽命。

3.3原因分析

3.3.1 泥沙磨損和水輪機組空蝕的聯合作用

引起磨蝕的因素是復雜的[1-5]，除空蝕破壞以外，磨蝕還與沙粒大小、形狀、硬度、泥沙濃度、流速和粒子沖擊方向有關，過流面金屬表面的粗糙度、流線型、金屬致密度、彈性模量和硬度也是影響磨蝕發展的影響因素。當空蝕和磨損聯合作用時間小于材料的空蝕潛伏期時，材料破壞主要為磨損作用，僅與流體速度、含沙量及沙粒形狀、硬度有關;反之，空蝕作用會迅速增大形成快速破壞。

達克曲克水電站含沙量大，粒徑粗，顆粒堅硬，受泥沙磨損和空蝕破壞的雙重作用影響，金屬表面被沙粒刮傷，使光滑表面發生破壞，表面產生不光滑的凹凸，極易產生空蝕，加劇了刮傷處的破壞，宏觀表現為魚鱗坑和溝槽，如此惡性循環，就形成了沙粒與空蝕聯合破壞作用，即磨蝕。在磨蝕作用下，機組主要過流部件出現了不同程度的磨蝕破壞，導致水力機械運行效率降低，影響其使用壽命，嚴重時會發生低頻率大振幅振動，產生一定噪聲的同時還會導致整個機組和廠房振動，對安全運行造成威脅。

3.3.2 不合理的機組運行方式

不合理的機組運行方式是水輪機組過流部件磨蝕破壞的原因之一。混流式水輪機組有一個振動區，機組運行時應避開振動區，長時間在振動區運行，不僅對機組有破壞影響，且會對水工建筑產生破壞。應保證達克曲克水電站水輪機在額定負荷40%以上運行，如果機組在較低負荷工況下運行，長時間在振動區運行，流道中的水流紊亂，形成撞擊、脫流、漩渦，會加劇泥沙的磨蝕破壞。

4 水庫泄水設施的磨蝕及應對措施

在充分論證和調研基礎上，采取黃河水利科學研究院研發的先進成熟的科技成果和工法成果[6]，對達克曲克導流兼泄洪沖砂洞進行了抗沖磨材料涂裝改造工程。工程區域主要包括閘門底板，工作閘門門面板迎水面，有壓洞身、工作閘井邊墻、無壓洞和挑坎段（局部）抗磨工程等部分。

經過2017年和2018年兩個洪水季的運行考驗，達到了預期使用效果，施工和使用效果如圖4所示。

5 水輪機組磨蝕及應對措施

華電集團水電技術中心組織相關專家對達克曲克水電站機組磨蝕問題及應對策略進行了深入探討，對黃河水利科學研究院提出的綜合磨蝕防護修復技術方案進行了評審，最終同意該技術方案，并分別于2018年4月和11月對1號和2號機組的水輪機組過流部件進行了防磨蝕技術改造，采用的主要技術方案如表2所示，復合樹脂砂漿技術指標如表3所示，聚氨酯抗磨板性能指標如表4所示，聚氨酯密封板性能指標如表5所示。

復合樹脂砂漿涂層由高抗磨蝕聚氨酯彈性體材料、彈性環氧樹脂、固化劑、硬金屬粉、棕剛玉、耐水劑等組成，該涂層綜合性能優，黏結力強，抗磨、抗汽蝕性能優良，設計壽命在10 a以上。

聚氨酯水輪機組底環及頂蓋抗磨板是一種與水輪機組底環和頂蓋可靠連接的抗磨密封裝置，可確保導葉停機全關狀態下具有良好的密封性，且開停機時具有良好的抗汽蝕能力，以保障機組安全運行，并增加發電效益。

在高速高含沙水流長期沖刷作用下，導葉的剛性立面密封面逐漸發生磨損，密封面的磨損進一步加劇了密封處的空蝕，形成惡性循環，致使導葉立面密封磨損空蝕嚴重。采用該彈性密封替換為原剛性密封后，可確保導葉停機全關狀態下具有良好的密封性，且開停機時具有良好的抗汽蝕能力，以保障機組安全運行，并增加發電效益。修復效果如圖5所示。

6 結語

達克曲克水電站河水泥沙含量大，泥沙淤積嚴重，泄洪排沙隧洞和水輪機組關鍵過流部件出現了較嚴重的磨蝕破壞，導致隧洞閘門漏水嚴重，水輪機組發電效率下降，嚴重影響水電站的安全運行。華電集團組織相關專家對達克曲克水電站的泄洪排沙隧洞和機組磨蝕問題及應對策略進行了深入研究，采用了黃河水利科學研究院的新材料、新工藝和新技術。新疆華電和田水電有限責任公司組織相關單位和人員，通過相應抗磨蝕技術手段，分別于2017年對排沙隧洞，2018年對水輪機組進行了磨蝕修復和防護。汛期檢驗證明：磨蝕防護達到了預期效果，該項目的成功應用可為新疆地區類似工況條件的其他水電站排沙隧洞和水輪機組的磨蝕修復提供借鑒。

參考文獻：

[1] 王志強.烏魯瓦提水利樞紐泄洪排砂洞抗沖磨處理[J].新疆水利，2002（1）：23-25.

[2]熊毅，黃開其，呂聯亞，等.新疆烏魯瓦提水利樞紐工程導流泄洪洞抗沖磨處理[J]大壩與安全，2001，3（3）：53-54.

[3] 王云年，張武斌，謝偉華.三門峽工程泥沙對泄水建筑物磨損的研究[J].電子世界，2013（3）：100-101.

[4]唐紅海，魏皓，鄧玉海，等，小浪底水電站閘門抗磨防腐蝕技術的研究與應用[J].水電能源科學，2011（10）：113-115.

[5] 陳怡勇.小浪底水利樞紐工程預防泥沙淤堵和磨蝕的工程措施[J].水利水電科技進展，2004（1）：47-48.

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

（編輯：唐湘茜）

作者簡介：陳波，男，副總經理，高級工程師，碩士，主要從事水利水電管理與運行維護研究工作。E-mail： xjbo_chen@163.com

通訊作者：張雷，男，高級工程師，博士，主要從事水工程磨蝕防護技術研究工作。E-mail： hkyzhanglei@163.com