三门峡水利枢纽泄流底孔破坏及处理
摘要：黄河三门峡水利枢纽建成后。由于库区及上游河道泥沙严重淤积，被迫对工程进行改建。经过工程改建和调度运行的调整，基本解决了泥沙淤积问题，并发挥了较大的经济社会效益。但高含沙水流使泄洪建筑物造成严重损坏。通过水工模型试验，材料抗磨蚀试验和现场修补试验，对泄洪底孔的磨蚀破坏机理和修复措施进行了研究。
关键词：泄流底孔；破坏机理；修复处理；三门峡水利枢纽
1、工程概况
三门峡水利枢纽位于黄河中游，是以防洪为主的大型水利枢纽工程。工程于1960年大坝基本建成，并开始蓄水。蓄水后库内及水库上游渭河河道出现了严重的泥沙淤积。从1964年起被迫对工程进行改建。第一次改建将4条电站引水钢管改为泄流排沙钢管，并在左岸岩体中新修建2条直径11m的泄流排沙隧洞；第二次改建打开了已封堵的1～8号施工导流底孔，并安装5台单机容量为5万kW的水轮发电机组。经过两次对工程的改建和水库采用“蓄清排浑”的运行方式，基本实现了水库在年内冲淤平衡，解决了库区及渭河的淤积问题，并且在防洪、防凌、灌溉、发电、供水等综合利用方面发挥了较大的社会经济效益。但是黄河泥沙问题相当复杂，高含沙水流对水轮发电机组、泄流钢管、隧洞、底孔和深孔等造成严重的磨蚀破坏，以致影响泄水建筑物的正常运行和工程进一步发挥效益。因此必须对工程进行进一步改建和修复。本文仅简要介绍泄流排沙底孔（以下简称底孔）的破坏情况、破坏机理和修复处理措施。
2、底孔（单、双层孔）破坏情况
1～3号底孔为单层孔，孔口尺寸3m×8m，进口底板高程280.0m，库水位315.0m时单孔泄量405m3／s.4～8号底孔在平面上与1－5号深孔重合，组成5个双层孔，深孔孔口尺寸3m×8m，进口底板高程300.8m，库水位315.0m时一个双层孔泄量658m3／s.6～12号深孔为单层孔，库水位315.0m时单孔泄量257m3／s.1980年底发现底孔磨蚀后，先后对底孔的单层孔和双层孔进行了全面检查，发现下列部位有较严重的磨蚀破坏。
（1）单层孔和双层孔进口斜门槽正向不锈钢导轨在高程2825～2880m之间的迎水面有不连续的沟槽或缺口（斜门槽为矩形断面，宽120cm、深55cm），严重部位导轨磨损呈锯齿状，有的部位导轨及基座方钢几乎磨平。
（2）单层孔和双层孔进口斜门槽水封座板在高程2810～2900m之间破坏成锯齿状和蜂窝状，在门槽边缘10cm范围内及侧面角钢大部分磨穿，混凝土被淘深2～8cm.
（3）单层孔和双层孔进口门槽底坎被淘成锅底状，底孔中心部位混凝土淘深8～15cm，大部分钢板被磨损坏。
（4）单层孔和双层孔底孔进口喇叭口顶板（椭圆曲线）有一定的破坏，在高程291.0m以下的钢板护面己被磨穿，但混凝土基本完好。
（5）单层孔工作门槽在高程282.0～284.0m范围内的导轨严重损坏，有大如手指顺水流向的槽坑和缺口。
（6）双层孔工作门槽在高程282.0～288.0m底孔段范围内的导轨均有破坏，在高程287.0～288.0m范围内最为严重，导轨的一半已被剥蚀。在高程300.0～306.0m深孔段门槽内导轨有沟槽状破坏，在高程300.0～302.0m范围内较严重，导轨已成锯齿状。在串水门井段（高程288.0～300.0m）的混凝土及不锈钢导轨未发现损坏。
（7）底孔底板严重磨损，破坏面积占4／5，粗骨料全部外露，平均磨深14cm，并有多处冲坑，最大冲坑面积约5.6m×2.3m，深0.2m，钢筋外露20余根，有的钢筋已磨掉1／3左右。
（8）底孔边墙在高程284.0m以下有较严重磨损，混凝土粗骨料外露，最大磨损深度约7cm.高程284.0m以上磨损较轻，底孔顶板无明显磨损痕迹。
3、底孔破坏原因分析
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％。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）。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。底孔泄量的汛期流量占52％，而排沙量占86％。因此，泥沙的磨损是底孔及其它泄水建筑物遭到严重破坏的外部条件。为查清底孔各部位破坏的内在原因和破坏机理，以便采取相应的、有效的、且较经济的修补处理措施，使工程正常安全运行并发挥更大效益，先后委托水利水电科学研究院，黄委会水科院、702所、上海交通大学等单位，对底孔单层孔和双层孔进行常压和减压水工模型试验，并在现场进行了原型空化噪声试验。通过上述各项试验和原型观测，发现下列水力学现象，并对其特性和对建筑物的危害进行了较深入的研究和探讨。
（1）双层孔进口斜门槽内有一条空心漩涡带，上端在高程302.0～304.0m之间摆动，并伸向深孔，下端在高程284.0～286.0m之间摆动，并伸向底孔。在减压模型试验中对该涡带进行噪声测试，发现具有单极子型空化噪声特征，但噪声谱图形在各段库水位下无变化，且门槽内水流空化数大于初生空化数，原型空化噪声测试中也未测得此涡带空化噪声特征。另外，在单层孔进口门槽内无此涡带，但门槽导轨的破坏形状与程度和双层孔无明显差异。因此可初步断定此涡带是一条非空化的漩涡带，对门槽及导轨不会产生大的破坏。
（2）在单层孔和双层孔进口斜门槽内均有较强的螺漩流，切向流速达到17.83m／s.另外，门槽内时均压力虽为正压，但导轨内外侧压力差较大，且导轨顶面压力较小。
（3）单层孔和双层孔单泄时进口斜门槽下游棱出现分离型空化此处在高程281.0～290.0m内测得负压，负压值为-4.04～-4.58m水柱。初生空化数为ói=2.4，库水位325.0m时水流空化数为ó0=2.25.在原型噪声测试中也发现此处有空化噪声特征。故此处存在空化现象，将发生空蚀破坏。双层孔双泄时（底孔和深孔同时泄水）没有发现空化现象。
（4）单层孔和双层孔单泄时进口顶板椭圆曲线前端有分离型空化，且在高程294.14m处测得-3.74m水柱的负压，与门槽下游棱构成三角形低压区。此处初生空化数ói=2.8，当库水位311.22m时水流空化数为ói=2.64.
（5）单层孔工作门槽在高程282.0～285.0m范围内有强螺漩流，切向流速13.7m／s，贴近导轨。工作门井与底孔交汇处有一横轴漩涡，且处于负压区，但无空化现象。底孔尾端顶部有-1～-3m水柱的负压。
（6）双层孔双泄时工作门槽底孔段，由于门井串水的影响，有一倾斜的强漩涡，在高程287.4m处漩涡切向流速达12.18m／s，漩涡末稍散射到工作门槽导轨处。在底孔与工作门井交汇处的顶部角隅处有一伸向工作门槽的分离型空化区。在模型中可测得空化噪声，但观察到此空化区发放的气泡在其下游不溃灭，并带至底孔出口，在原型噪声测试中也未测得空化噪声，因此可判断此空化区不会发生空化。
（7）双层孔双泄时工作门槽深孔段，有一直径为0.6～0.8m的空心强漩涡，切向流速为10.21m／s.且此处脉动压力甚为强烈，最大脉动系数为1.22，相应脉压强度为2.7，且出现-1.9m水柱的瞬时负压。
（8）底孔在汛期平均流速14～18m／s.非汛期平均流速18－20m／s.根据上述水工模型发现的水力学现象和原型空化噪声测试，以及对底孔破坏形态的分析，得出下列结论。①单层孔和双层孔的进口斜门槽导轨和工作门槽导轨的破坏是由于导轨凸体在高含沙强漩涡切向流速作用下的磨损破坏。同时强漩涡使导轨项面压力较低，因磨损使导轨局部出现负压而产生空蚀破坏。②进口斜门槽为矩形断面，不适应高速水流的要求，使其下游棱的水封座发生分离型空蚀破坏，同时高含沙、高速水流作用下的磨损进一步加剧了破坏。③底孔进口顶板由于椭园曲线与坝面不相切，使此处产生分离型空化而发生空蚀破坏。高含沙水流的磨损也是此部位破坏原因之一。④底孔进口的门槽底坎、底孔底板和边墙等是在高含沙、高速水流作用下的磨损破坏，门槽底坎和底板局部冲坑是由于磨损带来的局部空蚀结果。
4、底孔修复处理底孔修复处理
主要采取两方面措施，一方面在结构体型上进行修改，使过流部位的体型尽量适应高含沙、高速水流作用下的要求，以减免空蚀破坏和减轻磨损破坏。另一方面采用高抗磨蚀材料，以抵抗高含沙水流的磨蚀破坏。在结构体型上经过深入的多方案比较研究，采用以下的改进措施。
（1）进口斜门槽的矩形门槽改为带错距的斜坡型，即将门槽上下游边错距10cm，并以1∶12斜坡与边墙连接。
（2）进口斜门槽内的方钢导轨改为无凸台平板型，可拆换的不锈钢导轨。工作门槽内的导轨改为表面呈园弧形无凸台，可拆换的不锈钢导轨。
（3）底孔出口降低1m，出口顶高程由288.0m降为287.0m.采用上述改进措施后，在水力学上有如下改善①进口顶板角隅处及斜门槽下游棱处的分离型空化区全部消失。抬高了底孔沿程压坡线，提高了各部位的水流空化数。基本消除了空蚀破坏的可能性。②各门槽内的漩涡强度明显降低，切向流速降低10%～20％底孔内平均流速降低8%，使磨损破坏有所改善。③双层孔工作门井串水流态得到较大的改善。单层孔工作门槽内水流基本平稳，水位波动幅度大大减小。
5、抗磨材料的选择
为选择抗磨蚀性能好、且比较经济、施工简便的材料，曾委托科研单位进行了大量的室内外试验研究。
（1）普通混凝土
底孔底板和边墙原设计为C20、S8抗冲混凝土，实际混凝土强度已超过C30.但实践和室内试验都证明普通混凝土不能抗御底孔的高含沙、高速水流作用下的磨损。
（2）辉绿岩铸石板
显然铸石板本身硬度很高，莫氏硬度比泥沙中含量较多的石英和长石高l～2级，但质地较脆，易被推移质砸破，而且板间接缝是一个薄弱部位，再加上粘结工艺要求较高，质量不易保证，容易逐块掀掉，发展至成片破坏。因此，此抗磨材料未被采用。
（3）环氧砂浆
现场试验和室内试验证明是最好的抗磨材料，且抗空蚀性能和与混凝土粘结强度相当高，但材料价格非常昂贵，施工工艺要求高，且其固化剂具有毒性，不宜大面积使用。宜用于有较大荷载的过流部位表面。
（4）钢纤维砂浆和钢纤维混凝土
具有较高的抗磨损、抗裂性能，价格远低于环氧砂浆，但抗空蚀能力有待进一步研究，且施工中钢纤维在砂浆中不易拌匀，给施工带来不便。除底孔进口底坎处采用外，其它部份未采用此种材料。
（5）高强砂浆和高强混凝土抗磨损性能略低于钢纤维砂浆，但抗空蚀能力较好，且价格便宜，施工方便。在砂浆或混凝土中掺入20％的硅粉后，其抗磨损性能显著提高。经综合经济技术比较选用高强混凝土（并考虑掺入20％硅粉）作为底孔底板抗磨层，设计抗压强度60MPa，抗磨层厚度10cm.对于边墙由于混凝土浇筑比较困难，经比较决定采用喷高强砂浆（掺入20％硅粉）作为抗磨层，设计抗压强度50MPa，层厚5cm.在施工工艺上采用潮喷法。
为实现底孔修复处理和改建，关键的施工问题是上游围堰。经过研究，进行了多方案比较，选定了用软模混凝土作为支座的钢叠梁围堰，于1984年10月试沉放成功，并长时间地经受了设计水头的考验。该围堰利用底孔进口斜门槽导向，由伸缩节连接钢叠梁和导向架，在静水中沉放，然后在围堰与闸墩间隙内的锦纶帆布芯橡胶软模中浇注混凝土作为支座并兼止水。围堰高41m（共分7节）、宽5m，设计水头40m.实践证明该围堰结构安全、止水可靠、操作方便、在国内是首创，国外也无先例，为此于1985年获国家科技进步一等奖，详细情况可参见文献［3］。
6、结语
（1）通过底孔斜门槽改建，工作门槽改建及出口压缩等改建工程，在水工模型试验上获得较满意的效果，基本消除了所有空化现象，水流流态得到较大的改善，且节省大量工程投资。
（2）由于黄河泥沙含量大，颗粒硬且尖利。通过底孔的水流含沙量更大，且含有较多的推移质，磨损破坏力相当强。因此，底孔的抗磨层要作到一劳永逸非常困难，即使在技术上能够实现也将花费大量投资，在经济上是不合理的。采用高强混凝土和高强砂浆并掺入20％硅粉作为底孔抗磨层比较经济，且施工方便，并加强经常性的维修和管理，发现磨损及时修补，基本能满足抗磨要求，保证工程安全运行。
（3）泄流底孔修复和改建工程除上述的斜门槽和工作门槽改建，出口压缩和底板及边墙修复外，还有原进口检修闸门改为事故检修闸门和相应的启闭设备的改建和完善，以及单层孔在进口设置通气孔、双层孔的两道工作闸门配备专用启闭设备（即一门一机）等改建项目。
参考文献：
［1］水利水电科学研究院水力学所。三门峡水利枢纽底孔门槽水工模型试验报告［R］。1983
［2］黄委会科研所。三门峡双层泄水孔门槽减（常）压模型试验报告［R］。1985
［3］水利部天津勘测设计院黄河三门峡水利枢纽泄流工程二期改建初步设计说明书［R］。1986
［4］黄委会科研所，上海交通大学，中国船舶科学研究中心。三门峡水利枢纽5号底孔原型噪声测试报告［R］。1989
［5］魏永晖，胡德祥黄河三门峡水利枢纽底孔的破坏和修复设计。
上一篇：住宅总进线漏电保护器的设置
下一篇：三峡二期工程79项目成本控制点滴