葛洲坝大江电厂排沙孔进水口底槛磨损成因分析

刘敦煌，江耀祖，金 峰

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

葛洲坝大江电厂排沙孔进水口底槛磨损成因分析

刘敦煌，江耀祖，金 峰

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

针对葛洲坝大江电厂排沙孔进水口检修门槽底槛磨损问题，采用水下摄像方法，记录了发电运行时机组进水口流态和排沙孔进水口门砾石运动轨迹。根据观测得到水流特性以及砾石运动规律，分析了底槛磨损影响因素，提出了避免磨损的基本措施。

葛洲坝；排沙孔；磨损；成因分析；避免磨损措施

1 问题的提出

图1 葛洲坝水利枢纽及大江排沙孔布置示意图Fig.1 Layout diagram of the M ain Channel desilting holes in the Gezhouba Project

表1 排沙孔进水口检修门槽底槛磨损统计Table 1 Statistics of erosion at the bottom sill of gate recess of service gate of the desilting outlet entrance

葛洲坝水利枢纽位于三峡大坝下游约38 km，是三峡水利枢纽的反调节水库和航运梯级。枢纽建筑物从左岸至右岸依次为：左岸土石坝、3号船闸、三江冲沙闸、混凝土非溢流坝、2号船闸、混凝土非溢流坝、二江电站、二江泄水闸、大江电站及排沙孔、1号船闸、大江泄水冲沙闸、右岸混凝土挡水坝、右岸土石坝等。枢纽及大江排沙孔布置如图1所示。为了减少电厂前沿的淤积和泥沙过机，大江14个排沙底孔对应设置在14台发电机组进水口下部（每个排沙孔分左、右2个孔布置），汛期开闸拉沙，以分担排泄各机组的厂前来沙。排沙孔从左至右编号为8＃左和8＃右至21＃左和21＃右，排沙孔进水口底板高程29.2 m，低于机组进水口底板高程约11.5 m，进水喇叭口尺寸8.55 m×7.1 m（高×宽），渐变到流道尺寸为5 m×5 m，计算水头18.6 m下的单孔排沙流量为200 m3／s，平均流速3.3～4.7 m／s。发电机组及排沙孔进水口区域布置如图2所示。大江电厂排沙孔1987年投入运行，根据洪水入库情况，各排沙孔每年分别开启运行数10 d。2001年，在大江电厂排沙孔进口检修门槽潜水检查时发现底槛钢板两侧混凝土都有冲蚀，底槛中部区有大小不等的冲坑，多数冲坑大骨料和钢筋出露［1］。文献［1］对排沙孔进水口底槛磨损情况进行了详细描述和分析，进水口底槛磨损破坏情况，统计列于表1。由表1可以看出，8＃至21＃左、右排沙孔底槛均发生磨损形成冲坑，冲坑深度基本相同，冲坑面积大小分布没有特别规律，其中8＃左、19＃右和20＃左、右孔冲坑面积最大。为了研究机组运行时排沙孔进水口底槛附近流场及流态，砾石运动规律和分布，根据枢纽机组发电调度，选择布置在13F发电机组的13＃右排沙孔进行动态观测，依此作为揭示和分析磨损原因的依据，进而提出改善的措施，保证枢纽安全可靠运行。

图2 大江发电机组及排沙孔进水口区域示意图Fig.2 Diagram of generator set in the M ain Channel and desilting outlets entrance region

2 观测方法及机组运行条件

采用水下摄像方法对排沙孔进水口区域流态及砾石流动轨迹进行观测。根据检修门门槽尺寸和观测范围，设计制造了钢结构仪器架，在钢架特征部位安装摄像头仪器5台，摄像头仪器能在一定范围内移动调整拍摄位置，在钢架适当部位预置丝带，示踪水流、砾石流动方向。观测前将钢架及摄像仪器在检修门槽部位下沉安装到底槛（约28 m水深）。选择13＃右排沙孔布置水下观测摄像仪器，编号为13F机组以及相邻的12F和14F机组，3台机组组合发电作为观测研究的运行水流条件。部分机组运行组次、出力以及水力学条件列入表2。根据在底槛部位打捞出水的砾石样品，选用相同的砾石粒径（粒径0.5～3.0 cm，混合后表层染色为红、绿、黄三色）用于水下示踪演示，然后在进水口口门至排沙孔口门长约有5 m距离范围，垂直流道方向分别预置3条砾石堆（上游侧、中间和下游侧，分别用红、绿和黄色砾石区分），每堆砾石铺置尺寸约为6.0 m× 0.3 m×0.1 m（长×宽×高），其中上游侧砾石堆中混合有5.0～10.0 cm粒径砾石约0.3 m3。

3 底槛磨损原因及避免磨损的措施

表2 机组运行组次、机组出力以及水力学条件Tab le 2 Unit operation classes，the unit outputs and the hydraulic conditions

通过上述发电机组运行，观测记录排沙孔进水口区域流态13个组次。水下各测点记录综合显示：在检修门门槽区域出现立轴涡旋水流，带动砾石（绿、黄色卵砾石）逆时针旋转。水流旋转由弱变为较为强烈时，砾石随水流在底槛旋转移动变化为快速上升旋转，形成一个上大下小、上疏下密的沙漏形状；水流旋转由较强变为较弱时，大粒径砾石（粒径大于等于1.5 cm）下沉到底槛堆积慢速移动，小粒径砾石（粒径小于1.5 cm）慢速旋转，逐渐下沉。涡旋水流在一定范围内随机移动，砾石跟随旋转、起落。可以看到，随运行时间增加，红色砾石进入到检修门门槽区域的也逐步增多，随涡旋水流旋转移动。机组或相邻机组的组合运行，改变了13＃右排沙孔进水口口门的水流流态，使其在检修门门槽范围发生的立轴涡旋水流的强弱和旋转移动范围明显变化。其中13F单机运行发生的立轴涡旋水流最为强烈，表明相邻机组参与运行，其机组水流流速、流向发生叠加，改变了涡旋水流的强弱和位置。

3.1 河势及枢纽布置特性影响

长江上游来水水流经南津关进入水库，水面逐渐宽阔，水流流速逐渐减小。由上游河道带入的砂砾石在枢纽水库逐渐沉淀，并通过三江、二江和大江排沙孔排沙运行，将砂砾排到下游河床。排沙运行结束后，由于坝前右岸水流平缓，推移砂砾石越过排沙坎，到达大江电厂机组进水口范围，而进入排沙孔口门，多为粒径小于3.0 cm的砂砾石。在大江发电机组运行水流作用下，砂砾移动集中进入了排沙孔检修门门槽区域，随机组运行时间增加，砾石逐步增多。虽然采取一定的工程措施和运行措施可以防止砾石进入和滞留在排沙孔进口段，如定期在砾石推移路径范围进行堤外挖沙，减小水面底层流速，提高砾石堆积体积，从而截断砾石移动的通道；亦可紧邻每个排沙孔前设置一道类似叠梁闸门的钢结构拦沙坎，在需要排沙时吊起，通过排沙孔排沙后重新置入，同样可起到拦排沙的作用。但这些措施实施的工程量较大，尤其是施工难度较大；且必须保证可以拦截全部砾石，因为只要有少量的砾石进入到检修门门槽区域，就一定会随水流参与旋转移动，对底槛建筑材料进行磨损。

3.2 排沙孔进水口布置影响

观察大江电厂进水口区域水面流态，13F机组单机运行，其13＃右排沙孔进水口水流与口门中心线约为50°夹角（斜向水流夹角）流入机组流道；进水口水面以下，底槛区域的水流向上流动，越过排沙孔口门进入电站进水口。多方向变化的水流，集合在检修门门槽区域，最终产生涡旋水流流态，带动了排沙孔口门底槛的砾石，在检修门槽区域随立轴涡旋旋转，砾石与底槛材料反复摩擦，导致了底槛磨损。在目前机组进水口布置形式下，要显著改变进水口区域的流态是不可能的，但仍可采取以下一些运行调度措施，使之得到一些改善。如在枢纽运行不冲砂时段，关闭排沙孔检修门，通过检修门门体，改变局部流态，阻隔机组发电引水洞底部过流通道；同时门体结构阻尼作用也可减弱或消除涡旋水流；亦可根据排沙孔运行特性，分时段小开度开启闸门短时间排沙运行，以适当的流量及时排除机组口门区域的砾石。

3.3 避免磨损的基本措施分析

根据砾石推移路径以及排沙孔口门特殊流态，以上分析的几种基本措施在实施中也存在一些不利因素，如在口门进行结构施工，难度较大；检修门在水下虽然可以改变流态，但是否造成磨损部位转移亦不清楚。因此仍须经过观测比较后，综合运用，尽量减小施工工程量。运行管理单位以往采用特殊材料进行水下填充修补，容易被排沙运行水流冲失或砾石磨损，效果不明显，而且水下填补施工难度大，周期较长。观测资料显示，检修门槽底槛砾石堆中，一直未发现粒径大于5.0 cm砾石，表明机组发电运行水流未能启动推移，预置后就一直停留在口门。可以推断，预置大粒径砾石在底槛，当砾石堆整体惯性力大于涡旋水流冲力时，砾石堆保持静止，停留在原处，当有小粒径砾石进入底槛，就会阻碍其移动和旋转；同时大粒径砾石覆盖在底槛，转变成为防护底槛磨损的材料。在每次排沙孔排沙运行结束后，即可预置大粒径砾石，成为阻尼砾石，阻止或减弱立轴涡旋流态，改变砾石旋转磨损的对象，在下次排沙运行中排到下游河床。该方法运行简单可靠，在实际应用中，可依据上游水库砾石来量变化调整预置部位和范围。

4 结 语

葛洲坝水利枢纽运行20年，各建筑物互相配合运行，达到了泄洪、排沙的要求，从总体上解决了泄洪、排沙问题，保证了工程的安全和正常运行。观测表明，少量砾石推移可以到达大江电厂机组进水口门，对排沙孔进水口底槛局部产生了磨损。

本次观测首次采用水下摄像观测记录水力学现象，得到清晰的水下立轴涡旋水流特征和检修门槽底槛砾石旋转移动的现象。通过上述避免磨损的措施探讨，采取枢纽运行调度以及预置阻尼砾石等方式，可以改变底槛水流流态，减小以致消除砾石与底槛直接磨损。应继续安排水下观测，研究确定阻尼砾石的粒径范围以及预置的最低数量。

致 谢：葛洲坝检修厂提供并安装水下观测仪器设备，配合完成摄像记录等工作，在此一并致谢。

［1］ 周江余.葛洲坝大江电厂排沙底孔进口冲坑处理［J］.中国三峡建设，2004，（6）：54－5（ZHOU Jiang-yu.Gezhouba dajiang sand bottom row of the import dealwith scour［J］.China’s Three Gorges Construction，2004，（6）：54－56.（in Chinese））

［2］ 刘敦煌.葛洲坝大江电厂排沙底孔进水口底槛区域水力学观测报告［R］.武汉：长江科学院，2006.（LIU Dun-huang.Gezhouba power plant row sand bottom river bottom threshold region inlethydraulics observation report［R］.Wuhan：Changjiang Academy of Sciences，2006.（in Chinese））

［3］ 孟宪铎.机械可靠性设计［M］.北京：冶金工业出版社.1992.（MENG Xian-duo.Mechanical reliability design［M］.Beijing：Metallurgical Industry Press.1992.（in Chinese））

（编辑：曾小汉）

Analysis of Abrasion Causes at Inlet Bottom Sill of Desilting Outlet for Gezhouba Power Plant

LIU Dun-huang，JIANG Yao-zu，JIN Feng
（Hydraulics Research Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Aiming at the problem of the abrasion at the bottom sill of emergency gate of desilting outlet of Gezhouba Power Plant，we recorded the flow state of the generator set inlet and themovement of sediment and gravels in the sediment-flushing inletwhile the generator sets were running by the underwater photography.By observation，the character of the flow and the law of the sedimentmovement were gotten，the influencing factors of the abrasion at the bottom sillwere analyzed，and some basic measures for avoiding abrasion were given.

Gezhouba Power Plant；the sediment-flushing outlet；abrasion；cause analysis；measures for avoiding abrasion

TV698.1

A

1001－5485（2010）06－0023－03

2009-08-18；

2009-10-12

刘敦煌（1953-），男，湖北武汉人，高级工程师，主要从事工程水力学科研和机械设计工作，（电话）027-82829760（电子邮箱）liudunhuang＠163.com。