洪振國，洪振權(quán)

（1.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021；2.中國水電十四工程局，云南 昆明 650021）

1 影響水輪機磨損的主要因素

相關(guān)料資表明,水中含沙量大，運行水輪機的磨損程度嚴(yán)重；而在含沙量小時，則水輪機僅發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。即在相同含沙水流條件下，水頭越高、磨損破壞越嚴(yán)重；過流部件的材質(zhì)與制造水平越差,磨損破壞越嚴(yán)重。另有文獻(xiàn)料資表明,在不同的粒徑泥沙下運行時，同一水輪機被破壞特征差異很大。泥沙粒徑大，對水輪機磨損嚴(yán)重；泥沙粒徑小，對則水輪機僅發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。同時根據(jù)公式（1）：

式中：W 為磨損量，cm；K 是系數(shù)，為 0.558×10-9；V為水流相對流速，m/s；Sd為含沙量，kg/m3；T 為磨損歷時，h；試驗材料是30號鑄鋼。表明水流相對流速越大,磨損破壞越嚴(yán)重。由此可知，泥沙對水輪機磨損程度與河流含沙量的多少及泥沙粒徑、水頭、流速、水輪機的制造工藝水平有關(guān)。

2 防沙措施

綠水溏水電站是以發(fā)電為單一任務(wù)的、徑流式開發(fā)高水頭電站。綠水溏水電站裝機容量2×5 MW，設(shè)計水頭388 m，引用流量3.72 m3/s。工程規(guī)模為?。?）型工程，工程等別為Ⅳ級，根據(jù)工程級別，主要建筑物大壩按4級設(shè)計，次要建筑物按5級設(shè)計，臨時性建筑物按5級設(shè)計。工程樞紐由大壩、沉沙池、引水渠道、前池、壓力管道、廠房及升壓站組成。

在位于綠水溏村附近的綠水溏河段上筑大壩取水，大壩后接沉沙池，沉沙池池身長40 m，寬7 m，底坡為1%；經(jīng)過3.03 km引水明渠引水至鹽防坡，經(jīng)壓力前池到進(jìn)水室，再通過1058 m的壓力管道引至南盤江右岸地面廠房發(fā)電。

根據(jù)土壤侵蝕程度的大小，結(jié)合流域?qū)嵉刂脖滑F(xiàn)狀等下墊面情況綜合考慮，取各侵蝕類型的侵蝕模數(shù)中下限值進(jìn)行泥沙總量推求，按推懸比20%的經(jīng)驗值計算，成果見表1。

表1 泥沙成果表

從表1得知：綠水溏電站設(shè)計過流量為3.72 m3/s，多年平均含沙量為0.76 kg/m3，沖擊式水輪機組設(shè)計水頭338 m，影響水輪機磨損的主要因素按上述分析，水輪機的磨損與水中泥沙含量、泥沙粒徑、水頭、水輪機制造工藝水平、水流相對流速、泥沙的磨損能力綜合系數(shù)和泥沙的磨損能力綜合系數(shù)、機組實際運行時間、水輪機制造材質(zhì)的耐磨系數(shù)等諸多因素有關(guān)，為了防止水中有害的泥沙對水輪機的磨損及影響發(fā)電效益，采取必要有害的泥沙處理。泥沙處理措施如下。

2.1 大壩防沙措施

大壩自左岸向右岸依次為非溢流壩段、溢流壩段、沖砂閘取水閘壩段、非溢流壩段。

由于綠水河為山區(qū)性河流，洪水期洪峰流量大，含沙量大，為了保證水電站取水閘“門前清”，所以必要做好大壩防沙措施，防止大量的推移質(zhì)泥沙大量進(jìn)入水口閘，影響引水渠過流能力及水輪機的磨損，應(yīng)對有害的泥沙進(jìn)行處理,措施如下。

1）在取水閘左邊布置沖沙閘，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，沖沙孔孔口尺寸為2.0 m×2.0 m，底板高程1345.50 m，低于取水閘1.5 m，與原河床高程同高。從而有效地減少了水輪機磨損。

2）取水閘前設(shè)有沖沙槽，沖沙槽寬8～2 m，沖沙槽前寬后窄，以保證槽內(nèi)流量沿程漸減，但縱流速仍能均勻分布，設(shè)置一定的2%縱坡，以便有利于底沙的排除。

3）在取水閘前設(shè)置攔沙坎的高度為1.5 m，防止大量的推移質(zhì)泥沙大量進(jìn)入水口閘。

2.2 沉沙池防沙措施

沉沙池總長52 m。由首部擴散段、池身段、出水室及沖沙閘室、沖沙泄水道等部分組成。

沉沙池防沙措施是繼大壩后的第二道防沙，是最重要的防沙設(shè)施。沉沙池作為一種建筑物，能起到沉降挾沙水流中泥沙顆粒大于設(shè)計沉降粒徑的懸移質(zhì)泥沙、降低水流中含沙量的作用，防止泥沙進(jìn)入水輪機，造成水輪機的磨損，泥沙處理具體措施如下。

1）沉沙池池身長 40 m，寬 7 m，深 2.98～3.38 m，降低流速，有效地沉降危害泥沙。

2）沉沙池正向沖沙，側(cè)向進(jìn)水，底坡為1%，沖沙道入口設(shè)立一道1 m×1 m平板沖沙閘門，以便將沉積在沉沙池底部的泥沙引入沖沙孔排走。

2.3 前池防沙措施

綠水溏電站壓力前池布置設(shè)計采用水力條件較好的正向進(jìn)水方式,側(cè)向沖沙。前池總長57 m，總?cè)莘e671 m3，有效容積497 m3。由首部擴散段、池身、進(jìn)水室、溢流堰、沖沙閘室、沖沙泄水道等部分組成。

為了防止水中有害的泥沙對水輪機的磨損及影響發(fā)電效益，有必要有害的泥沙處理,泥沙處理具體措施如下。

1）為了考慮壓力前池有害的泥沙沉降，池身采用寬B=6 m，池深H=4.9 m，從而有效地降低沉沙池平均流速。

2）將沖沙槽布置在前池中間，有利于平穩(wěn)水流，同時利于沖沙。沖沙槽寬1.8 m，沖沙槽末端沖沙閘連接，側(cè)向沖沙。沖沙閘底板高程為1340.33 m，頂高程1346.22 m，設(shè)置1 m×1 m平面鋼閘門一道，定期沖沙，閘門采用螺桿機啟閉。閘后與溢流堰槽相匯，而后進(jìn)入沖沙道泄水。

3）沖沙槽縱向底坡采較陡i=6.371%底坡，沖沙流速達(dá)急流時的底坡,容易沖沙排沙。

4）前池均設(shè)有側(cè)向坡，側(cè)向坡坡度應(yīng)大于淤積泥沙的休止角，以便沖沙。

2.4 加強管理水平和及時維修

水電站要力爭在優(yōu)良的工況下運行，盡量避免在空載和小負(fù)荷等不利工況下工作，減少水輪機磨損。需要即時水輪機檢修，當(dāng)電焊和刨削工作量大時，要特別防止變形，焊后要保證表面粗糙度在6.3 μm以下。為保護(hù)水輪機的葉片，過流部件進(jìn)行涂料防護(hù)，提高水輪機具有較強的搞磨損性能。

在大壩、沉沙池及壓力前池的運行中設(shè)專人進(jìn)行觀測和數(shù)據(jù)整編，可以掌握沉沙池運行過程中的水沙變化、泥沙沉降率、泥沙沉降標(biāo)準(zhǔn)，掌握沖沙時機，以指導(dǎo)大壩、沉沙池及壓力前池合理運行，同時也是提高大壩、沉沙池及壓力前池設(shè)計、運行管理水平和充分發(fā)揮工程效益的有效措施。

3 防沙效果

河水泥沙資料如表2，大壩、沉沙池及前池經(jīng)防沙措施后的含沙含沙量及粒徑。

從河水泥沙資料表2可知，綠水溏水電站天然河水泥沙最大粒徑大于0.5 mm，最小粒徑小于0.1 mm，大于0.5 mm粒徑泥沙沙重百分?jǐn)?shù)為5%，0.5～0.1 mm粒徑泥沙沙重百分?jǐn)?shù)為75%，小于0.1 mm粒徑泥沙沙重百分?jǐn)?shù)為25%，泥沙沙重百分?jǐn)?shù)主要集中粒徑0.5～0.1 mm之間，在泥沙粒徑最大的沉降速度5.67 cm/s，最小的沉降速度0.15 cm/s，泥沙粒徑越大，沉降速度越大。

表2 河水泥沙資料

從河水和防沙措施后各建筑物的泥沙特性表3可知，綠水溏水電站天然河水多年平均含沙量為0.76 kg/m3，泥沙大最粒徑大于0.5 mm，經(jīng)大壩防沙措施后，在大壩出水口設(shè)計過流量為3.72 m3/s中，平均含沙量為0.72 kg/m3，泥沙大最粒徑小于0.5 mm，大壩出水口的平均含沙量比天然河水減少了0.04 kg/m3，有效防止沉降了粒徑大于0.5 mm的推移質(zhì)泥沙進(jìn)入大壩出水口。經(jīng)沉沙池防沙措施后，在沉沙池出水室設(shè)計過流量為3.72 m3/s中，平均含沙量為0.30 kg/m3，泥沙大最粒徑小于0.25 mm，沉沙池出水室的平均含沙量比大壩出水處減少了0.42 kg/m3，沉降了全部粒徑大于0.25 mm的泥沙，同時沉降了部份粒徑小于0.25 mm的泥沙。再經(jīng)過前池防沙措施后，在前池出水口設(shè)計過流量為3.72 m3/s中，平均含沙量為0.25 kg/m3，泥沙大最粒徑小于0.10 mm，沉沙池的平均含沙量比大壩出水處減少了0.42 kg/m3，前池出水口的平均含沙量比沉沙池出水室口出水處減少了0.05 kg/m3，沉降了全部粒徑大于0.10 mm的泥沙，同時沉降了部份粒徑小于0.10 mm的泥沙。其中水電站防沙最重要的建筑為沉沙池，最有效地沉沙。

綠水溏水電站設(shè)計時已經(jīng)采取3道防沙措施，通過水輪機平均含沙量僅為0.25 kg/m3，泥沙大最粒徑大于0.1 mm，水電站設(shè)計水頭338 m，機組的轉(zhuǎn)輪葉片、底環(huán)、轉(zhuǎn)輪室均采用不銹鋼整鑄，葉片翼型制造誤很小，表面光潔度很高，同時注重管理水平，運行中設(shè)專人進(jìn)行觀測和數(shù)據(jù)整編，可以掌握沉沙池運行過程中的水沙變化、泥沙沉降率、泥沙沉降標(biāo)準(zhǔn)，掌握沖沙時機。有效地防止挾帶大量粗沙的水流，通過水輪機引起了磨損，水電站在優(yōu)良的工況下運行，10年綠水溏水電站運行，水輪機磨損極其輕微，沒有大檢修，機組運行效率很好，受到各方的好評。

表3 河水和防沙措施后各建筑物的泥沙特性

4 結(jié)語

如果水中有害的或過多的泥沙進(jìn)入渠道，泥沙將會淤積引水渠道，影響渠道過流能力，同時引起水輪機的磨損。水輪機磨損使機組效率下降，出力不足，強度削弱，嚴(yán)重時不得不停機修，不僅影響了發(fā)電，而且檢修工程量較大，造成了很大的經(jīng)濟損失。

綠水溏水電站大壩設(shè)置沖底孔排沙、攔沙坎及沖沙槽，解決水電站取水閘“門前清”，大大減少粗沙通過水輪機及通過水輪機含沙量。沉沙池沉降挾沙水流中泥沙顆粒大于設(shè)計沉降粒徑的懸移質(zhì)泥沙、大大降低水流中含沙量，壓力前池是繼大壩、沉沙池后的3次防沙，防止泥沙進(jìn)入水輪機，造成水輪機的磨損。注重水輪機制造材質(zhì)和加強管理水平，及時沖沙和水輪機的維修，水電站在優(yōu)良的工況下運行。

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