基于减少泥沙通量的水电站磨蚀主动防御措施分析

刘红宾 马怀宝 张雷 刘延光 韦威

摘要：水轮机过流部件磨蚀和气蚀是多沙河流水电站面临的普遍问题。粗颗粒泥沙过机，会造成过流部件磨蚀破坏。为了减少过机泥沙并从根本上解决水轮机磨蚀问题，提出了采取主动防御的技术路线，通过发挥水库对泥沙的调节能力，减少过机泥沙含量或减少粗颗粒泥沙过机，达到减轻水轮机过流部件磨蚀的目的。结合三门峡水库的运行实践，利用水库有效库容对泥沙进行调节，优化水库和机组调度，将对泥沙的防治上移到水库库区。实践表明，主动防御措施不仅能够减轻机组磨损破坏，还可减轻粗颗粒泥沙对抗磨涂层的冲刷，使被动防护措施效果能够持续时间更长、更耐久。

关键词：过机泥沙; 磨蚀防护;主动防御;泥沙治理;三门峡水电站

中图法分类号：TV737文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.011

1 研究背景

水库具有防洪、灌溉、供水、发电等综合利用功能，在流域经济发展和环境保护方面有着不可替代的重要地位，几乎所有建设在含沙量较大河流上的水库都会出现泥沙淤积[1-3]，直接造成过机含沙量及粗泥沙含量增大，过流部件磨蚀和水工建筑物磨损加剧，使设备性能参数恶化，水力机械运行效率降低，能量损失增加，效率下降，影响设备预期使用寿命，严重情况下还会导致整个机组和水电站厂房产生振动的危险。随着破坏面的加大，机组将难以运行，甚至出现重大事故[4-6]。而水工建筑物的磨损，轻者造成闸门关闭不严，漏水严重，重者造成混凝土钢筋裸露、锈蚀破坏，直接影响工程安全运行。

目前，对机组过流部件或水工建筑物采取的磨蚀防护措施[5-8]，都是采用金属或非金属材料，在被保护对象表面形成隔离层，将高速水流和泥沙与被保护对象隔离开。用隔离层抵御高速水流和泥沙的冲刷和撞击，保护母材不被磨蚀，防止母材产生新的破坏或延缓其磨蚀破坏进程，属于被动性防护措施。

当前，防腐抗磨的研究受学科和专业方向的限制，始终没有跳出单一被动防护的思路，仅针对保护对象采取措施，不能从根本上加以治理。

2 主动防御的技术路线及作用

2.1 主动防御的含义

库区大量的泥沙淤积，是水电站管理部门面临的一个非常突出的问题。枢纽电站机组过流部件和水工建筑物的磨损，是由于修建工程后泥沙集中通过造成的，可以视为工程泥沙问题。

有些枢纽在运行过程中，由于河流泥沙输移规律的复杂性和多变性，会出现一些设计时未能全面考虑到的情况。有些运行管理单位不能正确处理短期经济效益和长期综合效益的关系，忽视了水库的可持续利用和可持续发展，片面追求高发电效益，缺乏对水库的保护，特别是不注重对泥沙的防治和有效库容的保护，造成库区泥沙淤积过快，淤积形态不合理，泥沙在短时间内就推到坝前，过机含沙量迅速加大，水轮机过流部件产生磨损，甚至出现排沙洞被淤堵，闸门难以提起，枢纽不能正常运行等严重情况，形成水库淤积-过机含沙量加大-机组磨蚀-抗磨处理-水库进一步淤积-机组磨蚀加剧的恶性循环。

很多水电站水轮机及水工建筑物的磨蚀破壞由泥沙引起，泥沙中的石英（SiO2）、金刚砂（Al2O3）、斜长石（Na[AlSi3O8]-Ca[Al2Si2O8]）对机组的影响最为严重。泥沙来源于上游河道、水库的输送，因此，充分发挥水库的泥沙调节能力，将水轮机过流部件水工建筑物的磨蚀防护上延到库区泥沙的处理，减少过机泥沙，特别是减少粗颗粒泥沙过机，由单一的被动防护，变为主动防御和被动防护相结合。

主动防御和被动防护可以以电站进水口拦污栅为分界，栅前措施都属于主动防御范畴，栅后措施则属于被动防护。

2.2 主动防御的技术路线和手段

通过发挥水库对泥沙的调节能力，减少过机泥沙含量或粗颗粒泥沙过机，达到减轻水轮机过流部件磨蚀的目的。相关工作包括水库库容的维护和恢复、水库运用调度以及为了做好此项工作需要收集的各项信息，如进出库水沙、库区淤积状态、过机含沙量、洪水预报等，都是为了减轻水轮机过流部件磨蚀采取的各项预防措施。对已经产生严重淤积、失去泥沙调节能力的水库，需要通过恢复库容，在坝前塑造出有一定容积的冲刷漏斗区，利用漏斗区库容对泥沙进行调节。虽然这些问题一般在水库设计阶段就已经考虑，但随着水库的运用，尤其是老旧水库，来水来沙条件同设计相比发生了变化，水库淤积形态同设计相比往往存在差异。随着人类对水库泥沙研究认识的提高，需要采用新手段、新措施减少水库淤积。

除在来水来沙区采取水土保持措施，如修建拦沙坝等，减少泥沙入库外，减少水库淤积的措施还包括以下几个方面：

（1）利用异重流排沙。异重流排沙是水库减淤的一种重要方法，当水库形成异重流后，开启底部泄洪孔排出浑水，保留上部清水，可以做到既排沙又蓄水。通过多个水库异重流排沙数据分析，通常一次异重流排沙比可达40%～90%，多次异重流平均排沙比可达30%～60%，排沙效果相当可观。

（2）定期泄空冲刷，恢复库容。水库泄空冲刷是降水冲刷的极端措施，依靠大流量、高流速的冲刷可以加快水库排沙速度，使淤积物集中排出库外，恢复库容。根据前期淤积情况和冲刷强度，水力冲刷的周期可以2～3 a一次或每年1～2次，每次冲刷的持续时间几天至十几天不等。

（3）采用机械设备进行清淤。机械清淤方法不外乎采用挖泥机、吸泥泵、吸泥船等机械设备，将已经淤积在库内的泥沙清运到库外。机械清淤一般成本较大，常见于小型水库使用。

（4）人工措施和水力措施相结合。前期借助于机械设备，在库内开挖河槽、疏浚等，后期则借助水力冲刷，能起到事半功倍的效果。

2.3 减少过机泥沙的措施

在水库大坝设计时，设置泄洪底孔高程低于电站进水口高程，在电站段两端或中间设置排沙底孔，电站进口前设导沙坎，采用“蓄清排浑”运用方式。运用时采用的具体措施如下。

（1）当来水量比较大时，利用底孔和排沙洞进口高程比较低的有利条件，及时开启排沙底孔或排沙洞分流排沙，导引底层运动的粗颗粒泥沙避开发电机进口，排出库外。

（2）调整水库淤积形态，利用坝前漏斗区沉沙。降低库水位运用或泄空冲刷在坝前形成的漏斗区，河底坡度相对平缓，水库在高水位运用时必然形成壅水，流速减缓，上游来水挟带的相对粗颗粒泥沙在此区间落淤暂存，根据漏斗区淤积情况，选择合适的时机降低库水位运用或泄空排沙出库。保持坝前适当范围的冲刷漏斗区，对减少过机含沙量和粗泥沙过机，减少水轮机磨蚀有极其重要的作用。

（3）适时调度，避沙运行。汛期受库区支流降雨来水影响，来沙增多，当过机含沙量比较高时，水库就需要强化适时调度，使水电站机组避沙运行。

水库避沙运行需要及时掌握进出库含沙量和过机含沙量的变化情况。进库含沙量是水库调度的重要参考指标，需要及时通过干、支流水文站获取其变化情况。当水库没有弃水运行时，出庫含沙量即为过机含沙量，分析其变化情况，就基本可掌握泥沙对水轮机过流部件的磨蚀状况。

对水轮机抗磨而言，过机含沙量的大小是一个非常重要的参数，实时监测过机含沙量可用于研究坝前含沙量垂向分布、过机含沙量变化、悬沙级配与入库水沙、淤积形态、水库调度等因子之间的响应关系，便于沙峰的提前预报，并结合实时监控，适时避沙峰运行，达到减缓水机过流部件磨蚀目的。获取进出库含沙量变化情况，对于整个水库的宏观调度无疑是非常重要的，但不能代替机组过机含沙量的观测。

2.4 主动防御的功能和作用

（1）减少过机含沙量和粗颗粒泥沙。对机组磨损起主要作用的是粗颗粒泥沙，保持一定的库容可以增加对来沙的调节能力，使上游来沙在经过库区向坝前运动时，泥沙先在漏斗区内产生沉降。尤其是对机组过流部件磨损起决定性作用的粗沙，在漏斗区暂时沉积，远离电站进水口，减少过机粗泥沙所占比例，从而减轻泥沙对机组的磨损破坏。

（2）节约运维费用。机组磨蚀减轻后，状态稳定，运行可靠，减少了检修次数、停机时间及日常维护的工作量，延长了机组使用寿命，也节约了运维费用。

（3）减少弃水，增加发电量。保留或恢复一定的库容，可以增强对水量的调节能力，减少弃水，增加发电量。尤其是当来水日间变化幅度比较大时，由于调节能力增大，可以将弃水转化为发电用水，增加发电量。

3 三门峡水电站水轮机抗磨蚀案例分析

三门峡水库由于建库初期发生了严重淤积，水轮机过流部件及泄流排沙流道遭受了严重破坏，经过多年的研究和探索，如今寻找到了新的解决途径。

三门峡电站在全年（1973～1980年）发电运行阶段，由于库区淤积严重，过机平均含沙量为282 kg/m3，水轮机主轴密封快速磨损，漏水量增大。顶盖泵密封的磨损以及龙头坑淤积，常使顶盖泵不能正常排水，导致机组检修工作量大增。4号机组运行30 465 h后，其转轮叶片和转轮室中、下环受气蚀、磨损的严重破坏，已近于报废，补焊面积达62.48 m2，使用焊条共9 300 kg，大修历时222 d。

在此期间，采用在易破坏区覆盖保护层的方法进行防护。水轮机过流部件叶片正面、转轮连接体、锥体等表面涂敷环氧金刚砂浆，叶片背面采用金属陶瓷堆焊;对水工建筑物采取了辉绿岩铸石板、C60高强混凝土、钢纤维混凝土、高强砂浆、钢板镶护等防护技术。这些措施取得了一定效果，但磨蚀、气蚀破坏仍相当严重。每台次机组的检修时间仍需要120 d左右，修补用焊条3 000～4 000 kg，仅补焊打磨就需要40～50 d，难以从根本上解决问题。

受泥沙磨蚀破坏影响，水电站被迫从1980年起在汛期停止发电运行，占全年来水量60%以上的汛期水资源未能利用，损失巨大。

经过多学科专家共同研究，反复论证，认为过机粗颗粒泥沙是造成磨蚀、气蚀的主要因素。因此，在做好表面防护的同时，应从泥沙问题入手解决水轮机过流部件和水工建筑物磨损问题。

三门峡水电站于1994年开展了汛期浑水发电原型试验，目的是通过恢复近坝河段河槽库容，增大水库调水调沙能力，减缓机组磨损破坏。运用原则为“洪水排沙，平水兴利”，汛期依靠洪水在库区形成溯源冲刷，恢复漏斗区库容。

经过6 a的汛期发电试验和研究，取得了丰富的成果：

（1）通过增大调沙库容和优化水库调度运用，过机含沙量比同期出库含沙量降低16%，比进库降低30%左右。

（2）过机含沙量和粗泥沙含量减少，过机泥沙粒径大于0.05 mm的占过机泥沙的比例降到了10%以下。

（3）减少粗颗粒泥沙过机后，在不改变检修周期的情况下，将过机含沙量由1998年以前的30 kg/m3以下发电运行，提高到60kg/m3以下可以发电运行，汛期发电常态化。

（4）机组运行质量极大提高，机组轮修时间由3～4 a一次，延长到4～6 a一次，工期由120 d缩短为110 d左右。焊条消耗量大幅度减少，仅需100～300 kg，节约了投资和运行成本，也减少了叶片母材因多次堆焊产生裂缝等应力集中现象，机组运行安全得到了更加可靠的保证。

（5）经济效益大幅提高。通过对泥沙的治理，水库调节能力增强，汛期发电量逐年提高（见表1）。目前，汛期发电量基本稳定在40 000万kW·h左右。

（6）摸索出了一套适合三门峡水库的运行方式。在原型试验的基础上，将运用方式进一步优化为“洪水排沙，平水控制”。当前，三门峡水库6月底至7月初入汛时先进行一次集中排沙，使库区近坝段漏斗区库容，由排沙前的0.1亿～0.2亿m3恢复到0.5亿～0.6亿m3。进入汛期后，来水来沙增加，泥沙先在漏斗区落淤暂存，遇到合适来水条件，再集中排出水库，效果十分显著。在一个运行年内，坝前漏斗区表现为汛前排沙恢复—汛期发电沉沙堆积—洪水期排沙恢复的良性循环。

目前，一般洪水期间，当含沙量在30kg/m3以下时，机组正常发电运行。当含沙量达到30～60kg/m3时，及时增加巡检人员数量，加大巡检力度和频次，密切注意顶盖上水和排水情况。含沙量达到60～80kg/m3时，如果来沙量比较稳定，变化波幅不大，且有下降趋势时，机组加密巡检频次运行;但如果来沙有增加趋势，且顶盖上水明显增加，并有继续加大趋势时，机组必需停机，实行避沙运行，同时开启底孔排沙，扩大漏斗区库容，恢复沉沙能力。

三门峡水电站运行的实践证明，通过水库的调节作用，可有效减少过机含沙量，解决了水轮机磨蚀问题。主动防御措施不仅能够减轻机组磨损破坏，还可以减轻粗颗粒泥沙对抗磨涂层的冲刷，使被动防护措施效果能够持续更长时间。

4 结 语

对于水库泥沙清淤，保持坝前有一定容量的冲刷漏斗，增加对水量和泥沙的调节能力，是实施过流部件主动防御的前提条件。对于新投入运用的水库，运用起始就要把防止泥沙淤积放在十分重要的位置，使水库始终能够保持一定的调节能力。一旦有部位发生不合理淤积，治理难度会加大，甚至造成不可逆的永久丧失。对仍然保持有一定水沙调节能力的水库，调度运行时必须给予充分的重视，不能任其发展。对于淤积已经比较严重的水库，需要采取措施恢复库容，必要时只能适当牺牲部分电量，以电量换库容，降水运用以冲刷泥沙。

参考文献：

[1] 张俊华，马怀宝，夏军强， 等.  小浪底水库异重流高效输沙理论与调控[J].  水利学报， 2018， 49（1）：62-71.

[2] 张俊华， 马怀宝， 窦身堂， 等.  小浪底水库淤积形态优选与调控[J].  人民黄河， 2016，38（10）：32-35.

[3] 李涛， 张俊华， 夏军强， 等.  小浪底水库溯源冲刷效率评估试验[J].  水科学进展， 2016，27（5）：716-725.

[4] 胡一三.  三门峡水库运用方式原型试验研究[M].  郑州：黄河水利出版社，2009： 230.

[5] 朱雪凌， 任岩， 郭之瑞， 等.  三门峡水电站水轮机磨蚀与防护研究[J].  人民黄河， 2010，32（6）：102-103.

[6] 王志高.  三門峡水电站水轮机磨蚀与防护[J].  水利水电工程设计， 1998（1）：41-44.

[7] 李贵勋， 张雷， 郑军， 等.  磨蚀防护技术在水力机械的应用研究[J].  水电站机电技术， 2017，40（5）： 21-23.

[8] 顾四行， 贾瑞旗， 张弋扬， 等.  水轮机磨蚀与防治[J].  水利水电工程设计， 2011，30（1）：39-43.

（编辑：李 慧）