某水电站泄洪冲沙洞泥沙磨蚀处理分析

李 伟

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

新疆某水电站工程为该河段“两库五级”开发中的第四个梯级工程，工程任务是发电和承担上游工程调峰发电后的反调节，为中型Ⅲ等工程。电站装机容量75 MW（主电站装机70 MW、生态电站装机5 MW），年发电量2.38亿kW·h。该水电站工程由大坝、导流兼泄洪冲沙洞、溢洪道、发电引水洞、生态电站放水洞、电站厂房及尾水渠等组成。

该水电站工程于2015年7月投产运行，2016年11月因导流兼泄洪冲沙洞（简称“泄洪冲沙洞”）出口工作闸门漏水，在巡视检查时，发现库内淤积严重、出口工作闸门底板钢衬已磨蚀破坏，二期底板、边墙混凝土冲磨蚀严重，为保证电站正常效益的发挥和安全运行，需采取修复措施解决泥沙冲磨蚀的问题。

2 工程存在的问题

本工程河流泥沙含量较高，工程投产运行后，运行单位考虑发电效益的最大化，长期高水位运行发电，泄洪冲沙洞长时间小开度运行；库内泥沙淤积严重，泄洪冲沙洞出口工作闸井底板已磨蚀破坏，需采取措施减缓库内泥沙淤积及泄洪冲沙洞出口工作闸井底板磨蚀问题。库内淤积和底孔工作闸门底板磨蚀照片见图1、图2。

图1 库内淤积情况

图2 工作闸门底板磨蚀破坏情况

3 泥沙淤积和泄洪冲砂洞冲磨蚀分析

3.1 库内泥沙淤积分析

工程所在流域气候干燥，植被稀疏，流域内第四纪松散堆积物深厚，是河流主要沙源。在冰雪消融和雨水冲刷下，河道泥沙沿程渐增，汛期5～8月河流输沙量占全年输沙量的85%左右。根据实测资料该河多年平均悬移质输沙率为341 kg/s，多年平均悬移质输沙率量为1236万t，多年平均含沙量为4.9 kg/m3。实测最大年输沙量3922万t，实测月平均最大输沙率9818 kg/s。

根据库内淤沙情况，对汛期输沙量进行分析，2015年8月3日实测洪峰流量为1283 m3/s，该洪峰流量为1959年以来第三位洪峰，相当于20年一遇的洪水，根据洪峰流量与年输沙量的关系，2015年输沙量为2392万t，为多年平均输沙量的2.28倍。根据实测资料统计分析，2015年8月输沙量最大15日输沙量在1400万t左右，加之上游工程开工弃渣，沿河大规模石料开采，以及电站实际冲沙运行情况，更加剧了河流泥沙和库内淤积。根据工程的运行调度情况，针对库内淤积情况，制定了冲沙调度方案（在此不再敖述），经两年的冲沙运行，库内淤积得到有效控制。

3.2 泄洪冲沙洞闸门底板冲磨蚀分析

该河悬移质主要由粘土、粉土和中细沙组成，其中小于0.005 mm黏土占19.2%，0.005～0.05 mm的粉土占43.8%，0.05～0.5 mm的中、细沙占36.6%，粗沙占0.4%。根据泥沙矿物质组成分析，石英含量占45（±5）%，云母和伊利石占（25±5）%，长石占（12±3）%，绿泥石占（10±3）%，碳酸盐3%～5%，其它少量。其中石英和长石摩氏硬度大于5，为闸门底板磨蚀的主要物质组成。

根据现场运行反馈，工作闸门长期处于小开度冲沙运行状态，闸门开启运行时间总计为2688 h，各开度运行时间统计见表1。

表1 工作闸门各开度运行时间统计表

由表1可看出，在泥沙含量较高的情况下，长期小开度、高流速运行是闸门及底板冲、磨蚀破坏的主要原因。

4 闸门底板抗冲磨措施

本工程泄洪冲沙洞功能为施工期导流，运行期承担泄洪、冲沙和水库放空任务。由引渠段、进口闸井段、有压洞身段、工作闸井段、无压洞身段、出口消能段组成，总长约450 m，设计泄量623 m3/s，校核泄量748.26 m3/s。泄洪冲砂洞纵剖面图见图3。

图3 泄洪冲沙洞纵剖面图

泄洪冲沙洞出口工作闸井孔口尺寸为6.0 m×6.8 m，工作闸门底板原设计采用钢板衬护（见图4），衬护长度为9.0 m，二期混凝土采用C40高强度混凝土。

图4 闸门底板钢衬示意图

对该条河流的泥沙特性和年内悬移质、推移质输沙总量进行分析，发现闸门底板磨蚀除高速含沙水流冲蚀、磨蚀、气蚀外，还伴有推移质的冲砸破坏。因此，重点考虑通过什么措施达到抗冲磨、抗冲砸的作用，从而延长维护周期。根据类似工程经验[1,2]和抗冲磨材料的研发应用情况，结合本工程泥沙和流道水流特性，拟定以下修复措施。

4.1 闸门底板钢衬采用高强度耐磨钢板防护

将磨蚀破坏的闸井底板、边墙二期混凝土全部拆除，并凿毛一期混凝土，保留原设计插筋；插筋磨损严重的采用等直径植筋替换，并局部加密，底板、边墙二期混凝土标号提高为C60高强度混凝土。

闸门底槛埋件按原设计尺寸制作，钢板防护范围同原设计相同，将表面钢板换为NM400耐磨钢板，该材料具有很高的机械强度，性能是普通低合金钢板的3～5倍，表面硬度通常达到360～450 HB，可显著提高耐磨性能。

4.2 闸门底板采用抗冲耐磨柔性材料和表面硬度较高的钢材防护

本工程河流泥沙推移质、悬移质均较高，在汛期推移质尤为突出。考虑此因素，提出将抗冲耐磨柔性材料和表面硬度较高的钢材结合使用的防护措施。该措施能够发挥两种材料抗冲磨和抗冲砸的作用。

4.2.1 表面硬度较高的钢材选择

（1）采用重轨作为龙骨，重轨龙骨初拟采用QU100标号重轨，顶宽b为100 mm，高度h为150 mm，材料为U71MN其化学成分（质量分数）为C0.65%～0.77%、Si0.15%～0.35%，Mn1.1%～1.5%，其抗拉强度不小于885 MPa。

（2）采用NM400耐磨钢板。重轨为型材，用于火车和动车轨道，其表面强度较高，抗冲击性能高。但考虑重轨表面的圆弧与抗冲耐磨材料的粘结性较差，且重轨表面为强度最高部位可加工性差，现场施工较为困难，因此否定了重轨作为龙骨。考虑现场加工和安装，采用工字钢上表面焊接NM400耐磨钢板替代重轨龙骨的方案，该方案将工字钢作为龙骨，工字钢重量相对重轨轻，可加工性好，易焊接。

4.2.2 抗冲耐磨材料的选择

抗冲耐磨材料在各大科研院所均有研究应用，根据耐磨材料的使用效果，施工工艺，后期维护等综合分析后，选定高韧性抗冲磨聚脲和抗撕裂浇注式聚氨酯两种材料进行对比，两种材料性能指标分别见表2和表3。

表2 高韧性抗冲磨聚脲技术性能指标

表3 抗撕裂浇注式聚氨酯技术性能指标

（1）高韧性抗冲磨聚脲材料具有施工简单、耐冲磨、耐老化的性能，是一种高分子环保型防护涂层材料[3～5]。通常采用手刮施工，将材料粘结在混凝土表面，砂浆呈粘稠状，流动性差，在渠道、面板坝裂缝处理等均有应用，经分析研究该材料适用于低流速流道，不耐冲砸，在高流速推移质水流冲砸中易剥离脱落。

（2）浇注式聚氨酯该材料由异氰酸酯（单体）与羟基化合物聚合而成，主链含-NHCOO-重复结构单元。由于含强极性的氨基甲酸酯，不溶于非极性基团，其主链结构中的硬段含量相对较高，原材料呈液态，流动性强，具有良好的抗撕裂性，同时也具有优良的耐磨性、耐老化性和韧性。

经两种材料性能对比，考虑其施工工艺，以及与其它金属、混凝土的粘结性等，确定采用浇注式聚氨酯，除材料本身较为优异的耐磨性能外，最主要的原因是该原材料为液态，透明无色，可采用加固措施来确保材料与基层混凝土的整体性，防止材料本身在冲砸、高速水流情况下被剥离。

5 闸门底板修复方案

通过研究分析，修复方案采用“NM400高强度耐磨钢板+工字钢龙骨+浇注聚氨酯涂层”结构。该抗冲磨结构充分利用了耐磨钢板的高强度、高硬度物理特性，抗冲磨材料的耐磨特性，工字钢龙骨的整体稳定性，两种软、硬耐磨材料防护相结合，相互依托保护，达到抗冲砸、抗冲磨的目的。

将底板二期混凝土凿除500 mm，拆除原底板门槽埋件，保留原插筋并按图纸要求位置补充插筋，插筋采用植筋方式，其出露长度应满足埋件安装要求，插筋抗拔强度不低于植筋抗拉强度。

龙骨采用I20B工字钢，沿顺水流方向布置，总长9 m，中心距400 mm。在闸门底缘水封部位布设横向工字钢，作为底水封止水座，水封上游顺水流向设长2 m短龙骨，下游设7 m长龙骨，工字钢底部布设插筋锚固于二期混凝土。工字钢上表面较闸井底板低30 mm，工字钢上翼缘宽102 mm，表面焊接NM400耐磨钢板，钢板厚20 mm，宽150 mm。为保证工字钢龙骨的整体稳定性，工字钢采用角钢焊接固定形成骨架，间距500 mm。工字钢之间结构空隙回填一级配C60高强度混凝土，抗渗指标W6，过水前龄期不低于28 d，回填面低于闸井底板高程30 mm，对回填混凝土表面进行机械打磨、并保持表面干燥。

为保证高速水流冲刷下材料的粘结性和牢固性，在两工字钢上翼缘焊接钢板网加固，钢板网材质为Q235，厚度8 mm，网孔直径10 mm，钢板网底部采用螺纹钢焊接支撑，起到连接型钢、提高整体性、增加结合力及支撑的作用。钢板网焊接完成清理完毕后，在基层及钢板网表面涂刷专用底胶，将聚氨酯灌入钢板网缝隙，然后将工业加热毯、电热管等加热设备覆盖到浇注式聚氨酯模具上，利用控温设备控制温度在100～120℃，对聚氨酯涂层进行加热固化，固化时间6～9 h，聚氨酯固化后对表面进行打磨处理，以确保平整度，由此通过钢板网将抗磨耐磨材料和型钢形成有机整体。龙骨三维视图及抗冲磨结构示意图分别见图5、图6。

图5 闸门底板龙骨三维视图

图6 闸门底板抗冲磨结构示意图

6 闸门底板修复后使用效果

该闸门底板磨蚀破坏修复于2017年4月9日开工，当年5月13日完工，历时33 d。经过两个汛期的检验，使用效果较好，达到了抗冲磨蚀的目的，延长了维护周期，节省了维护成本。闸门底板修复后照片及汛后检查照片分别见图7、图8。

图7 闸门底板工字钢龙骨示意图

图8 闸门底板抗冲磨结构示意图

7 结语

本文根据含沙水流和推移质在流道中的运动特性，以及抗冲磨蚀材料的性能特点，研究出一种可抵御河床推移质冲击的抗冲耐磨结构。该结构能够较好地解决水流中推移质对底板的冲砸，并避免或减缓抗冲磨蚀材料不抗冲砸而发生剥离破坏的问题，具有抗冲磨、抗冲砸的优点。该成果在抗冲磨措施上具有一定创新，可以为类似工程提供参考。但该结构的实施也有不足之处，对施工工艺和环境具有较严格的控制要求。如浇筑式聚氨酯需有封闭的空间、干燥的环境、适宜的温度，为满足施工条件需花费一定的费用，增加了成本。