三门峡工程泥沙对泄水建筑物磨损的研究

三门峡黄河明珠（集团）有限公司 王云年 张武斌 谢伟华

1.概况

黄河是世界著名的多泥沙河流，三门峡坝址处年平均流量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，年输沙量16亿t，汛期水量占全年的60%，而汛期输沙量占全年的85%。因此，泥沙的磨损是泄水建筑物遭到严重破坏的外部条件。本篇重点研究对泄水建筑物门槽及轨道的磨损。

2.泄水建筑物磨损状况

2.1 门槽磨损

隧洞、深孔、底孔及钢管共有九种门槽形式，这九种门槽在不同的流速作用下，磨损情况也各有不同。典型门槽磨损情况见表1。

各种门槽的磨损情况表明：磨损比较大的部分为门槽的上下游棱角附近，矩形斜坡型门槽比圆弧形和矩形方角型门槽磨损较轻。虽然门槽外表面的棱角遭到较大的磨损，但门槽内壁除凸出的轨道以外，并无明显的磨损现象。

2.2 轨道磨损

隧洞、深孔、底孔及钢管可归纳为四种轨道形式。这四种轨道形式在不同流速作用下，磨损情况也各不相同。典型轨道磨损情况见表2。

各种轨道的磨损情况表明：

(1)轨道最大磨损边正对漩涡流向的迎水面，而且，主轨正处在洞内主流与漩涡流向分流点附近，是产生泥沙磨损最不利的位置，如能将主轨向门槽内侧移动，适当增加闸门的计算跨度，则可以减轻轨道的磨损。

(2)扁平轨道比突出轨道的磨损有显著减轻。所以，凡以线接触面的承重轨道，为减免泥沙的磨损作用，不宜凸出门槽边壁过多。如无法避免，则应在凸出轨道的外侧(即漩涡流向的迎水面)加以保护，保护高度尽量与轨道凸出高度相同，其保护部分外型应是门槽外型的一部分，以避开漩涡流向的冲击。

(3)矩形斜坡门槽轨道与矩形方角门槽轨道相比较，可以看出，前者轨道的局部磨损普遍较小，一般为蚕豆或黄豆大小的不连续坑洞，而后者却磨成连续坑洞，几乎磨损到极限位置。

(4)弧形门轨道虽平贴在水流边缘，在一定的泄水条件下，其表面亦会遭到泥沙磨损。

2.3 不同材料的磨损

隧洞、深孔、底孔及钢管的主要建筑材料为混凝土和钢板，也有部分环氧砂浆、呋喃砂浆、高标号水泥石英砂浆、辉绿岩铸石板和铁砂混凝土等。上述材料抗磨损性能如下：

辉绿岩铸石板有很高的硬度指标，能拓模制造，是较好的抗磨损材料。

环氧砂浆或呋喃砂浆有较高的强度和硬度指标，还具有均质性好，表面粗糙度小等特点。运用实践证明，这两种材料的抗磨程度相当，约为混凝土的5倍左右，是较好的抗磨材料。

高标号水泥石英砂浆是高标号水泥和石英砂浆拌制的，有一定的抗磨能力。

普通混凝土不如真空作业混凝土抗磨程度好。这两种材料的不均质性和表面粗糙度均较大，易产生涡流磨损和局部空蚀。

钢板在施工中是保证造型的要求，但硬度较小，抗磨能力差，必须用钢板镶护的部位，表面应考虑保护措施。

铁砂浆中的铁砂容易生锈，粘结力较差。

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3.过坝泥沙特征

三门峡汛期平均含沙量68.3kg/m3，多年平均含沙量为37.7kg/m3，最大含沙量为911kg/m3，泥沙比重为2.65-2.70。

三门峡泥沙中平均中值粒径d50=0.038mm。泥沙基本颗粒形状为多角形和尖角形，且比较尖利，磨损力较大。

三门峡泥沙中石英矿物含量为90%-95%，长石矿物含量为1%-5%，两者合计达95%-96%，而石英和长石的硬度都较高(按标准矿物莫氏硬度，石英为7级，长石为6级)，一般认为泥沙硬矿物含量越多，硬度越大，磨损愈强烈。

综合泥沙的主要磨损因素可以看出：三门峡水电站具有含沙量大、泥沙粒径粗、颗粒尖利、硬矿物含量多、硬度大等特点。这是本工程遭到泥沙严重磨损的重要因素。

4.泥沙磨损的初步探讨

4.1 泥沙磨损机理分析

泥沙在水流中有悬移质与推移质两种存在形式，其对泄水建筑物的磨损机理也不尽相同[3]。悬移质泥沙以悬浮状态随水流运动，由于颗粒细小，在高速水流中往往会得到充分掺混而与水流保持相近的运动速度，因此，悬移质泥沙对过流建筑物的磨损一般比较均匀，磨损部位往往是整个过流边界。从泥沙磨损的形成过程看，含悬移质泥沙的高速水流常常先剥离混凝土表面的砂浆层，然后淘刷细骨料，待细骨料被水流冲走，粗骨料裸露而形成凹凸不平的磨蚀坑时，在过流表面会形成各种类型的漩涡运动，使磨损作用加剧。而磨蚀坑的加深又进一步恶化水流条件，加速磨损破坏进程。可见，悬移质的磨损过程实际上是一个恶性循环过程，在此过程中，实际上也包含了因水流条件恶化引起的空蚀破坏。推移质泥沙对泄水建筑物的磨损破坏除具有与悬移质类似的磨损作用外，还有颗粒以不同的轨迹或角度碰撞、冲击或磨削过流面，其磨损破坏作用的大小取决于流速、流态、推移质数量、粒径、硬度、运动方式等多方面因素的影响，还与过流时间、建筑物体型、材料的抗冲耐磨性能有关。由于重力作用的影响，推移质对泄水建筑物的磨损破坏往往以底边界为甚。

表1 各种门槽磨损情况

表2 各种轨道磨损情况

4.2 泥沙磨损的定量估算方法

由于推移质泥沙对泄水建筑物的磨损资料很少，远未达到可进行定量分析的程度，加之在实测泥沙资料中，推移质含量远远少于悬移质，仅在后者的2%以下。因此，作为初步研究，本文仅对悬移质泥沙磨损进行定量预测。

悬移质泥沙对泄洪建筑物边壁的磨蚀作用取决于水力因素与泥沙因素。前者包括水流流速、过流历时、水流掺气、流态等；后者包括泥沙含量、颗粒级配、形状、矿物质含量及硬度、以及泄水建筑物边壁材料的抗磨性能等。

式中：δ为泥沙磨蚀深度(mm)；S为含沙量(kg/m3)；V为过流流速(m/s)；D为泥沙粒径(mm)；T为过流历时(h)；R为混凝土强度；K为系数，反映泥沙颗粒特性包括级配、形状、比重、硬矿物含量及硬度等的影响。泥沙颗粒形状越尖利，磨蚀越重。研究表明，尖角形、棱角形、圆状形沙粒的磨蚀能力之比约3∶2∶1.另外，泥沙中硬矿物成分越多，硬度越大，对过水边壁的磨损也越严重。

根据前人的研究成果，式(1)中各参数的大小为：m=0.7～1.0，n=2.7～3.2，p=-1.105，α=β=1.0.可见，在影响泥沙磨损深度的众多因素中，以过流流速的影响最为显著，大约为3次方关系；而在相同的材料强度条件下，泥沙磨蚀强度与含沙量、颗粒粒径及过流历时成线形关系。

在式(1)中，取m=1.0，n=3.0，p=-1.105，α=β=1.0，则可写出泥沙磨损深度的定量关系式为：

一般而言，泄水建筑物在易遭泥沙磨损的泄流表面均采用抗冲耐磨材料，不同的抗冲耐磨材料，其R值也不同。若将R值的影响计入综合系数中，则式(2)进一步简写为：

上式中C为综合系数，反映泥沙颗粒特性与过流面的抗磨性能的综合影响。

5.结语

(1)根据本工程泥沙磨损的实践：在平均含沙量达到37.5kg/m3，流速v=20m/s的高速水流作用下，能够产生相当大的磨损破坏力。

(2)不同的泥沙性质产生不同的磨损外观和强度。推移质的磨损以砾石和块石的平推、翻滚、跳跃的磨损作用为主，磨损外观比较平滑。它受重力作用显著，磨损范围集中在底部。悬移质的磨损与水流边壁粗糙度所形成的近壁流态有关。若水流边壁光滑，可能形成泥沙的平流磨损，磨损外观为擦痕；若水流边壁相对粗糙，可能形成各种型式的涡流，磨损外观为坑洞。水流边壁的粗糙度越大，磨损作用也越大。

(3)对于以悬移质泥沙磨损为主的材料磨损深度，可参考δ=CSV3DT进行粗略估算，其中C为综合系数，反映泥沙颗粒特性与过流面的抗磨性能的综合影响。

(4)由于受到本工程的局限性，对水流边壁泥沙磨损的认识尚不深刻。有待积累更多的数据资料，对泥沙磨损的规律性进一步研究。

[1]能源部电力公司混凝土建筑物病害修补和处理情报网.第三届水工混凝土建筑物修补技术交流会论文集[C].丰满发电厂,1992.

[2]魏永晖.三门峡枢纽底孔的磨蚀破坏和修复[J].水利水电技术,1992.

[3]林秉南.工程泥沙[M].北京:水利电力出版社,1992.

[4]孙双科.三峡水利枢纽泄洪深孔的泥沙磨损问题探析[J].水利学报,2001.