達(dá)克曲克水電站水庫泥沙對(duì)隧洞和水輪機(jī)組磨蝕破壞分析及應(yīng)對(duì)措施

陳波 隋國富 張雷 陳濤 吳志軍

摘要：多沙河流水庫泥沙淤積問題是水庫運(yùn)行中的主要難題。針對(duì)新疆維吾爾自治區(qū)達(dá)克曲克水電站泥沙淤積導(dǎo)致泄洪排沙隧洞和水輪機(jī)組關(guān)鍵過流部件出現(xiàn)的較嚴(yán)重磨蝕問題，首次采用黃河水利科學(xué)研究院研發(fā)的新材料、新工藝和新技術(shù)，通過相應(yīng)抗磨蝕技術(shù)手段，進(jìn)行了磨蝕修復(fù)和防護(hù)。汛期檢驗(yàn)結(jié)果表明，磨蝕防護(hù)效果明顯，達(dá)到了預(yù)期效果。論文研究成果可為其他電站類似問題的處理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：機(jī)組磨蝕;隧洞磨蝕;應(yīng)對(duì)措施;達(dá)克曲克水電站;新疆維吾爾自治區(qū)

中圖法分類號(hào)：TV145

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.10.008

1 工程概況

達(dá)克曲克水電站為新疆維吾爾自治區(qū)玉龍喀什河“兩庫五級(jí)”開發(fā)方案中的第4個(gè)梯級(jí)工程，壩址斷面多年平均年徑流量21.67億m3，多年平均流量68.67 m3/s?？傃b機(jī)容量為75 MW（生態(tài)電站5MW），水庫總庫容1130萬m3，確定工程等別為Ⅲ等，屬中型工程。電站主要建筑物包括大壩、泄水建筑物、發(fā)電引水建筑物、水電站廠房及尾水渠。單獨(dú)運(yùn)行多年平均年發(fā)電量為2.38億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)2 929 h;聯(lián)合運(yùn)行多年平均年發(fā)電量為2.64億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)3 37lh。

工程于2013年6月正式開工，2014年10月截流，導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞過水;2015年6月通過蓄水安全鑒定，7月上旬下閘蓄水，7月底發(fā)電引水洞通水，8月首臺(tái)機(jī)組（2號(hào)）并網(wǎng)發(fā)電;2016年5月第2臺(tái)機(jī)組（1號(hào)）并網(wǎng)發(fā)電。

2 水庫泥沙淤積現(xiàn)狀

2.1 泥沙基本資料

玉龍喀什河屬低山及山前丘陵區(qū)，降水少，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，該流域第四紀(jì)松散堆積物深厚，是河流主要沙源。流域氣候干燥，植被稀疏，在冰雪消融和雨水沖刷下，河道泥沙沿程漸增，隨著汛期的到來，河流泥沙含量增高，5-8月河流輸沙量占全年的85%左右。根據(jù)實(shí)測資料，玉龍喀什河多年平均懸移質(zhì)輸沙率為341 kg/s，多年平均懸移質(zhì)輸沙率量為1236萬t，多年平均含沙量為4.9 kg/m3。實(shí)測最大年輸沙量為3 922萬t（1978年），實(shí)測月平均最大輸沙率為9 818 kg/s（1978年8月）。在達(dá)克曲克水電站初步設(shè)計(jì)中，斷面泥沙特征值計(jì)算采用面積比擬法，將同古孜洛克水文站泥沙成果推算到工程斷面上，成果詳見表1。

2.2 泥沙礦物質(zhì)組成及含量

在達(dá)克曲克水電站水中泥沙礦物質(zhì)含量中，石英含量占（45+5）%，云母和伊利石占（25±5）%，長石占（12±3）%，綠泥石占（10±3）%，碳酸鹽占30-～ 5%等。莫氏硬度大于5的礦物質(zhì)主要是石英（莫氏硬度為7）和長石（莫氏硬度為6.0～ 6.5），云母和伊利石莫氏硬度為2～3，綠泥石莫氏硬度為2.0～ 2.5。

根據(jù)懸移質(zhì)顆粒級(jí)配資料分析，懸移質(zhì)泥沙主要由黏土、粉土和中細(xì)砂組成，其中小于0.005 mm黏土占19.2%.0.005～ 0.05 mm的粉土占43.9%，0.05～ 0.5 mm的中細(xì)砂占36.6%，粗砂占0.3%。2.3水庫淤積和庫容損失問題突出

水庫泥沙淤積情況見圖l，達(dá)克曲克水電站于2015年10月放空水庫，在進(jìn)行導(dǎo)流洞檢修門及工作弧門消缺處理過程中，發(fā)現(xiàn)水庫淤積嚴(yán)重。導(dǎo)流洞前河床基本淤積至高程1 760.0 m（導(dǎo)流洞底部高程1 733.0 m，頂部高程1 741.5 m，洞長393 m）;壩前淤積至高程1 742.0 m;1號(hào)發(fā)電機(jī)出口尾水渠，淤積超過尾水閘門頂部7.0 m，淤積高程達(dá)1 674.0 m，最大高度達(dá)10.0 m，整個(gè)反坡段淤滿;引水發(fā)電洞洞口高程1 759.5 m，平臺(tái)也有不同程度的泥沙淤積，最大淤積厚度約2.0 m。溢洪道引渠底板也存在淤積，最高處淤積至弧門下部。

2018年7月，在汛前定期工作試驗(yàn)中，實(shí)測發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流洞進(jìn)水口檢修閘門門槽淤沙，超出洞頂高程7m，攔污柵前淤沙超出洞頂高程20 m，導(dǎo)流洞失去導(dǎo)流泄洪能力，如果不及時(shí)疏通導(dǎo)流洞攔污柵，在洪水流量大于溢洪道設(shè)計(jì)泄流能力時(shí)，會(huì)發(fā)生漫壩、潰壩惡性事故。

根據(jù)水庫泥沙淤積計(jì)算結(jié)果，水庫運(yùn)行5a后，剩余死庫容140萬m3，其中溢洪道堰頂高程1763.5 m至泄洪排沙洞頂高程庫容為49萬m3，剩余調(diào)節(jié)庫容97萬m3，計(jì)算條件建立在開啟泄洪排沙洞前提下，當(dāng)其較長時(shí)間關(guān)閉時(shí)，汛期泥沙會(huì)因沒有泄洪排沙通道而極易淤積在排沙泄洪洞頂高程以上。根據(jù)多年平均入庫沙量分析，在只有溢洪道泄洪情況下，6月平均10 d左右即可淤積至泄洪排沙洞頂高程，7月平均僅需4d左右、8月平均需5d左右，從而造成排沙洞淤堵，影響泄洪排沙通道暢通，嚴(yán)重危及水庫安全。

3 水庫泥沙淤積危害及原因分析

3.1 導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞磨蝕嚴(yán)重

導(dǎo)流洞兼防洪沖沙洞的底板、邊墻和弧形工作門等設(shè)施沖蝕破壞嚴(yán)重，特別是弧形工作門后防磨底鋼板基本破壞，如圖2所示。初步分析主要原因?yàn)槟嗌硾_磨、弧形工作門小流量開度加速和抗磨強(qiáng)度不足等綜合作用的結(jié)果。

3.2水輪機(jī)組磨蝕嚴(yán)重

達(dá)克曲克水電站機(jī)組經(jīng)過2-3個(gè)汛期運(yùn)行后，受空蝕破壞、泥沙磨損及相互耦合作用，導(dǎo)致水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、蝸殼和止漏環(huán)等關(guān)鍵部位出現(xiàn)了嚴(yán)重磨蝕破壞，如圖3所示，造成設(shè)備性能參數(shù)惡化，導(dǎo)致水力機(jī)械運(yùn)行效率降低，影響設(shè)備預(yù)期的使用壽命。

3.3原因分析

3.3.1 泥沙磨損和水輪機(jī)組空蝕的聯(lián)合作用

引起磨蝕的因素是復(fù)雜的[1-5]，除空蝕破壞以外，磨蝕還與沙粒大小、形狀、硬度、泥沙濃度、流速和粒子沖擊方向有關(guān)，過流面金屬表面的粗糙度、流線型、金屬致密度、彈性模量和硬度也是影響磨蝕發(fā)展的影響因素。當(dāng)空蝕和磨損聯(lián)合作用時(shí)間小于材料的空蝕潛伏期時(shí)，材料破壞主要為磨損作用，僅與流體速度、含沙量及沙粒形狀、硬度有關(guān);反之，空蝕作用會(huì)迅速增大形成快速破壞。

達(dá)克曲克水電站含沙量大，粒徑粗，顆粒堅(jiān)硬，受泥沙磨損和空蝕破壞的雙重作用影響，金屬表面被沙粒刮傷，使光滑表面發(fā)生破壞，表面產(chǎn)生不光滑的凹凸，極易產(chǎn)生空蝕，加劇了刮傷處的破壞，宏觀表現(xiàn)為魚鱗坑和溝槽，如此惡性循環(huán)，就形成了沙粒與空蝕聯(lián)合破壞作用，即磨蝕。在磨蝕作用下，機(jī)組主要過流部件出現(xiàn)了不同程度的磨蝕破壞，導(dǎo)致水力機(jī)械運(yùn)行效率降低，影響其使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生低頻率大振幅振動(dòng)，產(chǎn)生一定噪聲的同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組和廠房振動(dòng)，對(duì)安全運(yùn)行造成威脅。

3.3.2 不合理的機(jī)組運(yùn)行方式

不合理的機(jī)組運(yùn)行方式是水輪機(jī)組過流部件磨蝕破壞的原因之一。混流式水輪機(jī)組有一個(gè)振動(dòng)區(qū)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)應(yīng)避開振動(dòng)區(qū)，長時(shí)間在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，不僅對(duì)機(jī)組有破壞影響，且會(huì)對(duì)水工建筑產(chǎn)生破壞。應(yīng)保證達(dá)克曲克水電站水輪機(jī)在額定負(fù)荷40%以上運(yùn)行，如果機(jī)組在較低負(fù)荷工況下運(yùn)行，長時(shí)間在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，流道中的水流紊亂，形成撞擊、脫流、漩渦，會(huì)加劇泥沙的磨蝕破壞。

4 水庫泄水設(shè)施的磨蝕及應(yīng)對(duì)措施

在充分論證和調(diào)研基礎(chǔ)上，采取黃河水利科學(xué)研究院研發(fā)的先進(jìn)成熟的科技成果和工法成果[6]，對(duì)達(dá)克曲克導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞進(jìn)行了抗沖磨材料涂裝改造工程。工程區(qū)域主要包括閘門底板，工作閘門門面板迎水面，有壓洞身、工作閘井邊墻、無壓洞和挑坎段（局部）抗磨工程等部分。

經(jīng)過2017年和2018年兩個(gè)洪水季的運(yùn)行考驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期使用效果，施工和使用效果如圖4所示。

5 水輪機(jī)組磨蝕及應(yīng)對(duì)措施

華電集團(tuán)水電技術(shù)中心組織相關(guān)專家對(duì)達(dá)克曲克水電站機(jī)組磨蝕問題及應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行了深入探討，對(duì)黃河水利科學(xué)研究院提出的綜合磨蝕防護(hù)修復(fù)技術(shù)方案進(jìn)行了評(píng)審，最終同意該技術(shù)方案，并分別于2018年4月和11月對(duì)1號(hào)和2號(hào)機(jī)組的水輪機(jī)組過流部件進(jìn)行了防磨蝕技術(shù)改造，采用的主要技術(shù)方案如表2所示，復(fù)合樹脂砂漿技術(shù)指標(biāo)如表3所示，聚氨酯抗磨板性能指標(biāo)如表4所示，聚氨酯密封板性能指標(biāo)如表5所示。

復(fù)合樹脂砂漿涂層由高抗磨蝕聚氨酯彈性體材料、彈性環(huán)氧樹脂、固化劑、硬金屬粉、棕剛玉、耐水劑等組成，該涂層綜合性能優(yōu)，黏結(jié)力強(qiáng)，抗磨、抗汽蝕性能優(yōu)良，設(shè)計(jì)壽命在10 a以上。

聚氨酯水輪機(jī)組底環(huán)及頂蓋抗磨板是一種與水輪機(jī)組底環(huán)和頂蓋可靠連接的抗磨密封裝置，可確保導(dǎo)葉停機(jī)全關(guān)狀態(tài)下具有良好的密封性，且開停機(jī)時(shí)具有良好的抗汽蝕能力，以保障機(jī)組安全運(yùn)行，并增加發(fā)電效益。

在高速高含沙水流長期沖刷作用下，導(dǎo)葉的剛性立面密封面逐漸發(fā)生磨損，密封面的磨損進(jìn)一步加劇了密封處的空蝕，形成惡性循環(huán)，致使導(dǎo)葉立面密封磨損空蝕嚴(yán)重。采用該彈性密封替換為原剛性密封后，可確保導(dǎo)葉停機(jī)全關(guān)狀態(tài)下具有良好的密封性，且開停機(jī)時(shí)具有良好的抗汽蝕能力，以保障機(jī)組安全運(yùn)行，并增加發(fā)電效益。修復(fù)效果如圖5所示。

6 結(jié)語

達(dá)克曲克水電站河水泥沙含量大，泥沙淤積嚴(yán)重，泄洪排沙隧洞和水輪機(jī)組關(guān)鍵過流部件出現(xiàn)了較嚴(yán)重的磨蝕破壞，導(dǎo)致隧洞閘門漏水嚴(yán)重，水輪機(jī)組發(fā)電效率下降，嚴(yán)重影響水電站的安全運(yùn)行。華電集團(tuán)組織相關(guān)專家對(duì)達(dá)克曲克水電站的泄洪排沙隧洞和機(jī)組磨蝕問題及應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行了深入研究，采用了黃河水利科學(xué)研究院的新材料、新工藝和新技術(shù)。新疆華電和田水電有限責(zé)任公司組織相關(guān)單位和人員，通過相應(yīng)抗磨蝕技術(shù)手段，分別于2017年對(duì)排沙隧洞，2018年對(duì)水輪機(jī)組進(jìn)行了磨蝕修復(fù)和防護(hù)。汛期檢驗(yàn)證明：磨蝕防護(hù)達(dá)到了預(yù)期效果，該項(xiàng)目的成功應(yīng)用可為新疆地區(qū)類似工況條件的其他水電站排沙隧洞和水輪機(jī)組的磨蝕修復(fù)提供借鑒。

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（編輯：唐湘茜）

作者簡介：陳波，男，副總經(jīng)理，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水利水電管理與運(yùn)行維護(hù)研究工作。E-mail： xjbo_chen@163.com

通訊作者：張雷，男，高級(jí)工程師，博士，主要從事水工程磨蝕防護(hù)技術(shù)研究工作。E-mail： hkyzhanglei@163.com