黄河万家寨水利枢纽排沙钢管冲蚀破坏修复

（黄河万家寨水利枢纽有限公司，山西省忻州市 036412）

0 引言

万家寨水库达到设计淤积平衡后，水库低水位排沙运行日趋常态，低水位排沙运行期间，排沙钢管承担重要的泄水排沙工作，排沙钢管运行时出口段处流速由9.86m/s陡增到25.23m/s，在高流速、高含沙水流作用下，先是混凝土表面砂浆被冲蚀，原光滑的泄流表面出现冲坑，形成局部损坏，并逐渐扩展，由于碳素钢的抗冲磨性能低于混凝土，金属结构冲蚀损坏程度比混凝土更为严重。排沙钢管作为枢纽泄水建筑物的重要组成部分，对水工建筑物结构稳定和水库排沙运用具有举足轻重的影响，因此对排沙钢管冲蚀破坏的修复以及修复后运行方式的优化显得极为重要。

1 工程概况

万家寨水利枢纽位于黄河北干流上段托克托至龙口峡谷河段内，是黄河中游梯级开发的第一级。坝址左岸为山西省偏关县，右岸为内蒙古自治区准格尔旗。枢纽由拦河坝、坝后式电站厂房、GIS开关站、引黄取水口等建筑物组成，工程的主要任务是供水结合发电调峰，同时兼有防洪、防凌作用。枢纽坝址控制流域面积39.5万km2，多年平均入库径流量248亿m3，设计多年平均径流量192亿m3。设计多年平均入库沙量1.49亿t，设计多年平均含沙量6.6kg/m3。水库总库容8.96亿m3，调节库容4.45亿m3。水库采用“蓄清排浑”运用方式，排沙期运用水位952.00～957.00m。

拦河坝为半整体式混凝土直线重力坝，坝顶长443m，坝顶高程982.00m，最大坝高105m。12～17坝段为电站坝段，坝上设6个发电引水钢管进水口。为防止机组检修时电站进水口被泥沙淤堵和减少过机泥沙，除12坝段6号机组外，在每个进水口左下侧设孔口尺寸为2.4m×3.0m的排沙孔，经渐变段至上弯段、斜直段接下弯段到水平段后上升渐变由厂房尾水管上部穿出，出口射流消能。在排沙钢管进口处设置检修闸门和事故闸门各一道，出口处设置工作闸门和检修闸门各一道。进口高程为912.00m，至坝内事故检修闸门处上升为917.00m，钢管直径2.7m，出口断面1.4m×1.6m，底板高程889.99m。库水位952.00m时单孔泄量为56.52m3/s。

钢管内壁及明管段、垫层段外壁均采用厚浆型环氧沥青防腐涂料进行防腐处理，漆膜厚度μ500。其余管段外壁均采用水泥浆进行防腐处理。出口段由于断面缩小，出口流速增至25.23m/s，考虑到高速含沙水流的磨蚀作用，在转弯部位及出口渐变段采用环氧金刚砂涂层，以增强排沙钢管抗磨蚀作用。

万家寨水利枢纽工程于1998年11月28日首台机组发电，2002年上半年工程全部竣工。至今，已安全运行18年。2010年经实测，距坝11km以上至距坝60km已经基本达到设计淤积平衡，为使万家寨水库保持必要的调蓄能力、延长水库使用寿命，水库低水位排沙运行日趋常态。

2 排沙钢管运行情况及冲蚀破坏分析

2.1 万家寨水库近年运行情况

2010年底，万家寨水库基本达到设计泥沙淤积平衡状态。2011年起，万家寨水库汛期基本按照汛限水位966m控制运行，8、9月水库转入952～957m低水位排沙运行。2014年，由于957m以下库容萎缩，不能满足日发电调节，水轮机磨蚀严重、机组运行工况较差。为了恢复有效调节库容，改善机组运行工况，万家寨水库2014年除8、9月952～957m排沙运行外，并于9月16～18日进行了蓄水以来的首次冲沙运行。此后2015年8、9月主汛期间也利用较大入库流量来水，库水位短期降至948m进行了冲沙运行。2016年主汛期由于上游来水流量过小，不能满足大规模排沙运行条件，水库排沙运行时间维持较短，仅对坝前泥沙淤积形态做了改善。

2.2 排沙钢管近年运行情况

对近年来排沙钢管运行情况进行统计，2009～2016年期间，万家寨5条排沙钢管累计运行283.6天。运行时间集中在每年的凌汛期（3、4月）及主汛期（8、9月）。排沙钢管在库水位951.86～957.78m运行。

2009～2016年期间，1～5号排沙钢管分别累计运行93、11.9、51.9、63.2、63.6天。运行天数对比如图1所示。

图1 2009～2016年排沙钢管运行天数Fig.1 2009-2016 annual sediment pipe operation days

由图2可见，2009～2013年，1～5号排沙钢管分别运行43.8、11.9、40、35.3、43.5天。其中，2号排沙钢管运行时间明显少于其他4条排沙钢管，这与排沙钢管均匀、对称的调度原则有关，一般调度运行首先开启两端的（1号和5号）排沙钢管，再开启中间的（3号）排沙钢管，最后才开启4号和2号排沙钢管，各排沙钢管开启过程间隔时间相对较长，而结束排沙运行时排沙钢管关闭的间隔时间又相对较短，长此以往导致2号排沙钢管运行时间相较其他排沙钢管大幅度减少。

图2 2009～2013年排沙钢管运行天数Fig.2 2009-2013 annual sediment pipe operation days

2014～2016年，1、3、4、5号排沙钢管分别运行49.2、11.9、27.9、20.1天。在2014～2016年的水库排沙运行过程中，2号排沙钢管由于被泥沙淤堵，无法参加泄水排沙运行，为了缓解因2号排沙钢管不能过流而造成的对应发电机组进水口泥沙淤积，1号排沙钢管在此期间承担了更为繁重的排沙任务，运行时间大幅高出其他排沙钢管。运行时间如图3所示。

图3 2014～2016年排沙钢管运行时间（d）Fig.3 2014-2016 annual steel pipes at run time（d）

可以看出，除2号排沙钢管因淤堵泄水排沙运行较少外，其他4条排沙钢管累计运行时间都在50天上，其中1号排沙钢管运行93天，泄水排沙运用时间最长。

2.3 排沙钢管出口段冲蚀破坏情况

2015年12月分别对1、3、4、5号排沙钢管出口段（2号排沙钢管因淤堵暂不具备检查条件）进行了例行检查，发现每条排沙钢管出口段冲蚀均较为严重。以运行时间最长、破坏情况较为典型的1号排沙钢管为例：检查发现该孔排沙工作门门体底部存在冲蚀缺口（图4），出口段混凝土冲蚀严重（图5），存在粗骨料外露，局部掏空，冲刷出深坑，钢筋裸露等情况。工作门至出口检修门底槛混凝土冲蚀深度基本都在10cm左右，最深处冲坑达到30cm，冲蚀凹凸不平，底槛结构钢筋裸露；工作门下游侧底板钢衬整体冲蚀缺损，仅剩小部分与混凝土结合。3、4、5号排沙钢管出口段冲蚀破坏的严重程度相较1号略轻微，但冲蚀也较为严重。

图4 工作闸门底部缺损、门楣气蚀Fig.4 The bottom gatelintel defect and cavitation

图5 出口段混凝土冲蚀严重Fig.5 Serious erosion ofconcretein outlet section

2016年10月，2号排沙钢管淤堵疏通完毕后组织对其进行检查，发现出口段冲蚀破坏情况较其他排沙钢管显著轻微：工作门门体完好（图6），出口段混凝土整体冲蚀破坏较轻微（图7），冲蚀厚度2～3cm。工作门下游侧底板钢衬完好，工作门到检修门之间底槛混凝土局部位置存在冲蚀破损。

图7 出口段混凝土冲蚀较为轻微Fig.7 Erosion of concrete in outlet section is relatively minor

2.4 排沙钢管运行情况分析

2009～2016年，2号排沙钢管整体运行时间相较于其他4孔排沙钢管平均少50余天，其中2009～2013年间2号排沙钢管正常运行期间，运行时间相较于其余4孔排沙钢管平均少30余天。因为淤堵原因，2号排沙钢管没有参与2014年、2015年万家寨水库泄空排沙运行，在敞泄排沙期间，2号排沙钢管运行时间相较于其余4孔排沙钢管平均少20余天，而这期间过流水中泥沙含沙量更高，持续运行时间更长，对排沙钢管出口段混凝土与金属结构冲蚀、磨蚀的破坏作用更大[1]。

经过横向比较，2号排沙钢管在正常运行期间（2009～2013年）与淤堵期间（2014～2016年），都比其余4孔排沙钢管运行时间少，从检查结果上看2号排沙钢管工作门出口段冲蚀情况与其他4孔相比，破坏程度也明显轻微。

由此可见，排沙钢管的冲蚀破坏程度与其运行时间正相关。

2.5 排沙钢管冲蚀破坏成因与对策分析

万家寨水利枢纽是位于高含沙河流的高水头电站，排沙钢管内裹挟泥沙在水流中以较小的角度冲击流道表面，水流使得悬浮泥沙颗粒具有较大的动能，泥沙颗粒与过流面成微小角度发生冲磨作用，造成作用于材料表面的流体力学磨粒磨损[2]。由于混凝土材料本身是一种多孔多缺陷材料，其抗拉强度及抗剪强度均较低，仅为其抗压强在水流的作用下，过流部件因沙粒磨损而产生的宏观体积损失，系由单个沙粒冲击材料所造成的材料微观体积或微观质点剥落所形成[3]。沙粒冲击排沙钢管过流部件表面造成磨损的过程，与过流部件材料的特性、沙粒的特性以及冲击作用条件有关。

由于混凝土材料本身是一种多孔多缺陷材料，其抗拉强度及抗剪强度均较低，仅为其抗压强度的1/10左右，高速颗粒所产生的动能使混凝土表面产生微裂纹，并使其扩展和交叉并最终导致微断裂[3]。现场检查发现，部分材料从表面剥离而留下清晰的剥落坑，表现典型的脆性材料的冲击磨损特征，裂纹源可能是材料内部的气穴和孔穴等缺陷处。混凝土材料的多缺陷特征，促进了裂纹的产生与扩展，加剧了磨损的进程。由于碳素钢的抗冲磨性能低于混凝土，导致金属结构的冲蚀损坏程度比混凝土更加严重。

因此，为了提高排沙钢管出口段过流部件材料的耐冲蚀磨损性能。不仅要提高过流部件表面的强度与硬度，以抵抗硬质磨粒的切削作用，还要着眼于提高材料的抗脆断能力，尽量提高其韧性。

鉴于排沙钢管出口段位置较为特殊，与电站尾水仅隔一道检修闸门，不具备将混凝土大体积凿除后重新浇筑的条件，故只能对冲蚀破坏的部位进行表面修复。

3 排沙钢管修复材料选择

混凝土表面修复所选取能够满足高水头高含沙高流速电站过流部件耐冲蚀磨损要求的材料，必须同时具备强度、硬度、韧性等多方面的特性，才能达到更长时间的抗冲刷、抗切削、抗脆断的效果[4]。根据现场情况和工程实践比对分析，决定采用NE-Ⅱ型环氧砂浆和SK单组份聚脲（抗冲磨型）两种应用成熟、施工方便快捷并取得过良好工程效果的材料对排沙钢管出口段冲蚀破坏的混凝土进行修复。

表1 NE-Ⅱ型环氧砂浆主要技术指标Tab.1 NE- Ⅱ main technical index of epoxy mortar

表2 SK手刮聚脲主要技术指标[5]Tab.2 Main technical indicators for the SK hand blown polyurea

4 排沙钢管出口段维修情况

针对排沙钢管的运行特点，在保证机组正常运行的前提条件下，从安全、可靠、耐久等方面考虑，2016年凌汛过后，在提高流道表面抗冲磨性能的基础上对排沙钢管出口段损坏部位按照系统全面的原则，针对不同部位采取相应的修复措施。

4.1 出口渐变段涂层修复

清除出口段3m范围内残留外层厚浆型环氧沥青防腐层，对局部冲蚀钢衬进行除锈补焊，打磨平整。用环氧砂浆与原内层环氧金钢砂抗冲磨涂层找平。在修复的钢衬表面刮抗冲磨型聚脲2mm。

4.2 混凝土缺陷处理

将底板混凝土掏空位置凿至新鲜密实处，回填环氧混凝土找平。其余位置凿除表面碳化混凝土，两侧墙壁蜂窝、麻面等缺陷用环氧砂浆修复，大孔洞用环氧混凝土进行修复。环氧砂浆厚度3.0cm，分两层涂抹。在修复的环氧砂浆的表面刮抗冲磨型聚脲2mm。

图8 出口渐变段涂层修复示意图（单位：m）Fig.8 Coating repair schematic of export gradient segment（unit：m）

图9 混凝土修复示意图（单位：m）Fig.9 Concrete restoration diagram（unit：m）

4.3 金属结构修复

对工作闸门底槛、反轨及门楣等金属结构气蚀较轻的部位采用补焊打磨处理，将气蚀破损严重的构件割除，并凿除底部表面碳化的混凝土，更换新的金属构件后采用C35混凝土或环氧混凝土回填找平，在更换的金属构件与混凝土接触面进行化学接触灌浆，使构件与混凝土可靠黏结。修复的金属结构表面除水封处，其余部位刮抗冲磨型聚脲2mm。

将出口检修门门槽底部掏空处凿至新鲜密实混凝土，对门槽两侧预埋钢衬进行植筋加固后，回填环氧混凝土找平，在修复的环氧混凝土及钢衬表面刮抗冲磨型聚脲2mm。

5 排沙钢管维修效果及今后的运行管理

万家寨排沙钢管出口段冲蚀破坏缺陷修复后，经历了2016年汛期泄水排沙运行。汛后组织对排沙钢管出口段进行了检查，检查发现修复的混凝土结构与金属埋件结构部分没有出现大面积剥落、脱空、冲蚀、空蚀等现象，混凝土结构整体完整，环氧砂浆黏接牢靠，修补的金属结构埋件完好，在抗冲磨方面体现了修补材料的优良特性，达到了预期修复效果。无论是从材料本身的拉伸强度、撕裂强度、硬度、附着力、抗冲磨强度等几个重要技术指标，还是结合修补材料在二滩、龙羊峡、小浪底、三峡、溪洛渡、公伯峡、小湾等国内其他大型水利水电工程的多年成功应用经验上来看，采用改性环氧砂浆和单组份聚脲对水工泄水建筑物过流面进行抗冲磨维修补强在牢固性、耐久性、可靠性、便捷性等多个方面具备相当的优势。在后续的推广应用过程中还需要在异常恶劣环境条件下或更长期的效果方面继续进行深入的研究和实践，并进一步提升其经济性。

万家寨水库达到设计淤积平衡之后，进行拉沙排沙会达到良好的效果，为减轻高含沙过机水流对水轮机过流件磨损的程度，防止磨损造成机组效率下降，相对应的排沙钢管利用频率和效率也将更高。实际情况证明，排沙钢管运行时间越长，对排沙钢管出口段混凝土与金属结构冲蚀破坏作用越大。

对此应积极主动采取防范措施。一是加强设备运行管理，水库进入低水位排沙运行期间，需合理调度各排沙钢管运行方式和时间，尽量随机组运行而运行，开启时遵循均匀、对称原则，尽量平均分配各孔排沙钢管的运行时间在一定程度上可以减轻因混凝土及金属结构被高速含沙水流连续冲击导致的疲劳破坏。针对高含沙工况下运行容易发生淤堵情况，排沙钢管开启运行时，应先开启进口事故门，后开启出口工作门；关闭时，先关闭进口事故门，后关闭出口工作门，保证排沙钢管内不积存高含沙浑水。二是加强设备维护管理，经验证明对水工建筑物混凝土缺陷及时修补及对混凝土表面防护，可以有效延长建筑物的使用寿命，大大提高建筑物的安全性。采用先进的抗冲磨材料对排沙钢管内部进行处理，不断积累适合高泥沙含量、高水流流速环境下混凝土结构补强加固的经验，保障排沙钢管长期高效安全稳定运行。

6 结束语

现阶段万家寨水库运行已按照初步设计方式，转入正常运用。视来水来沙情况实时调度，统筹考虑水库防洪、排沙与兴利发电。低水位泄水排沙运行中，应持续摸索水库排沙运行与排沙钢管消耗性磨损之间的关系，既能满足水库排沙需求，合理优化水库泥沙淤积形态，有效保护水库兴利库容，也要考虑泄水建筑物高强度运行后冲蚀破坏的维修问题，如何减少维修量和维修时间除了采取合理的运行方式外，还需研究探索补强加固新工艺、新方法，新材料，延长排沙钢管抗冲磨寿命，增加运行维护周期。

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