葛洲壩電廠二江泄水閘弧形閘門病害分析及預(yù)防對(duì)策

魏曉翔(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

葛洲壩水利樞紐工程是我國萬里長江上建設(shè)的第一個(gè)大壩，是長江三峽水利樞紐的重要組成部分。該工程是世界上最大的低水頭大流量、徑流式水電站，是我國水電建設(shè)史上的里程碑。葛洲壩水利樞紐工程于1970-12-30日破土動(dòng)工。1974年10月主體工程正式施工。第一期工程于1981年完工，實(shí)現(xiàn)了大江截流、蓄水、通航和二江電站第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，第二期工程1982年開始，1988年底整個(gè)葛洲壩水利樞紐工程建成。

葛洲壩水利樞紐工程壩軸線全長2 606.5 m，最大壩高53.8 m，水庫庫容約為7.41億m3。樞紐設(shè)計(jì)洪水流量為86 000 m3/s，校核洪水最大流量為110 000 m3/s，27孔二江泄水閘是主要的泄洪建筑物，該閘要求調(diào)節(jié)庫水位以確保發(fā)電、通航、調(diào)整河勢、排除泥沙等。泄洪弧門閘室底板高程為37.00 m，泄水時(shí)為淹沒出流，水躍躍頭進(jìn)入閘室，接近閘門底緣，而下游地基為粉砂巖，抗沖能力低，故要求閘門必須局部開啟控制流量及水躍躍頭位置，使水流不致對(duì)下游防沖設(shè)施造成危害。二江泄水閘孔口尺寸12 m×24 m，設(shè)計(jì)水頭29 m，選用上部平板閘門下部弧形閘門的雙扉門方案，下扉弧形閘門用于常年洪水局部開啟控制流量，上扉門為平板定輪門。

葛洲壩水利樞紐主要的泄洪建筑物27扇泄洪弧形閘門自1981年全部完建以來，在長期局部開啟下已安全運(yùn)行接近40年，表明閘門的性能狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行要求，但經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行之后，閘門的許多病害經(jīng)過累積也越來越明顯的影響閘門的耐久性及安全性，本文以第26扇閘門為例綜述了泄洪弧形閘門目前幾類典型病害的呈現(xiàn)狀態(tài)、分布規(guī)律及發(fā)展程度，從銹蝕、氣蝕、機(jī)械刮擦，高速水流沖刷等幾個(gè)方面，分析了導(dǎo)致閘門病害的產(chǎn)生原因。以期為病害的治理提供參考。

1 蝕坑病害

1.1 蝕坑病害抽樣統(tǒng)計(jì)結(jié)果

二江泄洪閘26號(hào)弧形閘門各構(gòu)件的翼緣與腹板上分布大量蝕坑，尤其以下支臂翼緣與縱梁腹板分布最嚴(yán)重，如圖1、圖2所示。以一個(gè)面積30 cm×30 cm的測量方格為例，縱梁腹板在測試方格內(nèi)，銹蝕坑數(shù)量約為242個(gè)，最大銹蝕坑深約1.7 mm；下支臂翼緣在測試方格內(nèi)，銹蝕坑數(shù)量約為216個(gè)，最大銹蝕坑深約1.5 mm，部分測量數(shù)據(jù)見表1。閘門縱梁與下支臂銹蝕測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析見表2。

圖1 縱梁腹板表面蝕坑圖

圖2 下支臂翼緣表面蝕坑圖

表1 閘門縱梁與下支臂部分銹蝕測量數(shù)據(jù)表 mm

表2 閘門縱梁與下支臂銹坑測量數(shù)據(jù)分析表

1.2 蝕坑病害分布特征

通過閘門外觀檢測，閘門蝕坑病害分布特征如下：

1)蝕坑病害主要分布在閘門水跡線以下，也即在離上主梁1.3 m的閘門下部區(qū)域；蝕坑呈蜂窩狀，分布密集；

2)縱梁腹板蝕坑分布密度最大、坑最深，其次依次為下支臂翼緣、邊梁腹板、下主梁翼緣；

3)縱梁腹板比縱梁翼緣嚴(yán)重，邊梁腹板比邊梁翼緣嚴(yán)重，主橫梁翼緣比主橫梁腹板嚴(yán)重，支臂翼緣比支臂腹板嚴(yán)重；

4)閘門水跡線以上各構(gòu)件蝕坑病害輕微；

5)腐蝕表面生物粘附不明顯。

1.3 蝕坑病害產(chǎn)生原因分析及防治方法

蝕坑病害主要分布在閘門水跡線以下，水跡線以上沒有，證明閘門材料在耐蝕性方面沒有化學(xué)缺陷；支臂翼緣蝕坑分布密度與坑深比腹板嚴(yán)重證明閘門局部積水潮濕非蝕坑產(chǎn)生重要原因，同時(shí)生物腐蝕的跡象也不明顯；閘門縱梁、邊梁構(gòu)件的腹板蝕坑分布密度與坑深比翼緣嚴(yán)重得多，支臂、主橫梁構(gòu)件的翼緣蝕坑分布密度與坑深比腹板嚴(yán)重得多，這兩個(gè)現(xiàn)象顯示蝕坑分布有明顯的方向性；因此含沙高速水流沖涮與單純的材料銹蝕應(yīng)該不是蝕坑產(chǎn)生的主要原因，主要原因應(yīng)該是氣蝕先損壞防腐涂層然后氣蝕與銹蝕的綜合作用導(dǎo)致蝕坑病害的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

既然蝕坑病害是由多因數(shù)引起，蝕坑病害的防治方法要綜合治理：一方面尋找最優(yōu)的閘門開度及閘門組合開啟次序，從而獲得最好的閘門出流流態(tài)；另一方面及時(shí)補(bǔ)充閘門損壞涂層防止潮濕空氣的直接侵蝕，用這兩種方法共同防治閘門蝕坑病害的進(jìn)一步擴(kuò)展速度。

2 面板受刮擦病害

2.1 刮擦病害檢測結(jié)果

葛洲壩二江泄洪弧門迎水面病害見圖3，病害面積約占全部面積的60%，病害深度見超聲測厚數(shù)據(jù)表3，病害橫向分布特征為交替出現(xiàn)，縱向分布特征是有明顯的走向性。病害最大深度2.2 mm。最大平均深度1.74 mm。

圖3 弧門上游面銹蝕區(qū)分布特征圖

2.2 刮擦病害產(chǎn)生原因與防止措施

葛洲壩二江泄洪閘選用上部平板門下部弧形門的雙扉門方案，下扉弧形閘門用于常年洪水局部開啟控制流量，上扉門為平板定輪門。

由于弧形閘門頂部靠近平板閘門的底檻，當(dāng)弧形閘門開啟時(shí)，平板閘門下部的防射水封刮擦弧形閘門面板迎水面因而導(dǎo)致刮擦病害。

防射水封要防止高壓水流射水，必須用強(qiáng)度很高的彈簧鋼，因此要抑制刮擦病害有一定難度。需從結(jié)構(gòu)形式、材料選用、工藝改進(jìn)、被動(dòng)保護(hù)等多方面采取措施進(jìn)行治理。

表3 閘門面板超聲測厚數(shù)據(jù)表 mm

從結(jié)構(gòu)空間布置能否縮小防射水封尺寸，減小水封對(duì)弧門面板的擠壓力，從而減輕刮削程度；閘門面板可否用一種強(qiáng)度與彈簧鋼相近的材料對(duì)弧門面板進(jìn)行被動(dòng)保護(hù)，雙方結(jié)構(gòu)都減小刮擦程度，諸多措施均需要根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過工程實(shí)際的施行與考驗(yàn)。

3 高速水流沖刷病害

二江泄洪閘長期受到高速水流沖刷磨損，尤其洪水期水流含沙量增加，磨損程度加重，在閘門迎水面面板下部1.5 m范圍形成嚴(yán)重磨損帶，防護(hù)涂層基本沖掉，使該部分面板直接暴露于水中，導(dǎo)致銹蝕滋生加重。閘門迎水面的其他部位以及閘門背水面沖刷效應(yīng)不明顯。

通過采用環(huán)氧金剛砂涂刷面板，水流沖刷病害基本得到抑制，對(duì)面板取得了良好的保護(hù)作用，見圖4。

圖4 弧門迎水面面板下部1.5 m范圍用環(huán)氧金剛砂涂刷保護(hù)圖

4 結(jié) 語

對(duì)水工金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全檢測和評(píng)估是及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和隱患、保障水電站運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。葛洲壩二江泄洪弧形閘門的安全與耐久性關(guān)系到葛洲壩電廠的安全度汛和水庫的正常運(yùn)行調(diào)度。葛洲壩水電站水工金屬結(jié)構(gòu)和啟閉設(shè)備配套完備，維護(hù)良好，總體運(yùn)行正常。但對(duì)弧門典型病害的全壽命檢測、監(jiān)測、診斷及定性定量評(píng)估工作仍需加強(qiáng)，必要時(shí)做專項(xiàng)研究，從而為水工金屬結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量安全運(yùn)行打下基礎(chǔ)，為國內(nèi)水工金屬結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量安全運(yùn)行提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。