(黃河萬(wàn)家寨水利樞紐有限公司,山西省忻州市 036412)
萬(wàn)家寨水庫(kù)達(dá)到設(shè)計(jì)淤積平衡后,水庫(kù)低水位排沙運(yùn)行日趨常態(tài),低水位排沙運(yùn)行期間,排沙鋼管承擔(dān)重要的泄水排沙工作,排沙鋼管運(yùn)行時(shí)出口段處流速由9.86m/s陡增到25.23m/s,在高流速、高含沙水流作用下,先是混凝土表面砂漿被沖蝕,原光滑的泄流表面出現(xiàn)沖坑,形成局部損壞,并逐漸擴(kuò)展,由于碳素鋼的抗沖磨性能低于混凝土,金屬結(jié)構(gòu)沖蝕損壞程度比混凝土更為嚴(yán)重。排沙鋼管作為樞紐泄水建筑物的重要組成部分,對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和水庫(kù)排沙運(yùn)用具有舉足輕重的影響,因此對(duì)排沙鋼管沖蝕破壞的修復(fù)以及修復(fù)后運(yùn)行方式的優(yōu)化顯得極為重要。
萬(wàn)家寨水利樞紐位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段內(nèi),是黃河中游梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第一級(jí)。壩址左岸為山西省偏關(guān)縣,右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗。樞紐由攔河壩、壩后式電站廠(chǎng)房、GIS開(kāi)關(guān)站、引黃取水口等建筑物組成,工程的主要任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰,同時(shí)兼有防洪、防凌作用。樞紐壩址控制流域面積39.5萬(wàn)km2,多年平均入庫(kù)徑流量248億m3,設(shè)計(jì)多年平均徑流量192億m3。設(shè)計(jì)多年平均入庫(kù)沙量1.49億t,設(shè)計(jì)多年平均含沙量6.6kg/m3。水庫(kù)總庫(kù)容8.96億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容4.45億m3。水庫(kù)采用“蓄清排渾”運(yùn)用方式,排沙期運(yùn)用水位952.00~957.00m。
攔河壩為半整體式混凝土直線(xiàn)重力壩,壩頂長(zhǎng)443m,壩頂高程982.00m,最大壩高105m。12~17壩段為電站壩段,壩上設(shè)6個(gè)發(fā)電引水鋼管進(jìn)水口。為防止機(jī)組檢修時(shí)電站進(jìn)水口被泥沙淤堵和減少過(guò)機(jī)泥沙,除12壩段6號(hào)機(jī)組外,在每個(gè)進(jìn)水口左下側(cè)設(shè)孔口尺寸為2.4m×3.0m的排沙孔,經(jīng)漸變段至上彎段、斜直段接下彎段到水平段后上升漸變由廠(chǎng)房尾水管上部穿出,出口射流消能。在排沙鋼管進(jìn)口處設(shè)置檢修閘門(mén)和事故閘門(mén)各一道,出口處設(shè)置工作閘門(mén)和檢修閘門(mén)各一道。進(jìn)口高程為912.00m,至壩內(nèi)事故檢修閘門(mén)處上升為917.00m,鋼管直徑2.7m,出口斷面1.4m×1.6m,底板高程889.99m。庫(kù)水位952.00m時(shí)單孔泄量為56.52m3/s。
鋼管內(nèi)壁及明管段、墊層段外壁均采用厚漿型環(huán)氧瀝青防腐涂料進(jìn)行防腐處理,漆膜厚度μ500。其余管段外壁均采用水泥漿進(jìn)行防腐處理。出口段由于斷面縮小,出口流速增至25.23m/s,考慮到高速含沙水流的磨蝕作用,在轉(zhuǎn)彎部位及出口漸變段采用環(huán)氧金剛砂涂層,以增強(qiáng)排沙鋼管抗磨蝕作用。
萬(wàn)家寨水利樞紐工程于1998年11月28日首臺(tái)機(jī)組發(fā)電,2002年上半年工程全部竣工。至今,已安全運(yùn)行18年。2010年經(jīng)實(shí)測(cè),距壩11km以上至距壩60km已經(jīng)基本達(dá)到設(shè)計(jì)淤積平衡,為使萬(wàn)家寨水庫(kù)保持必要的調(diào)蓄能力、延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命,水庫(kù)低水位排沙運(yùn)行日趨常態(tài)。
2010年底,萬(wàn)家寨水庫(kù)基本達(dá)到設(shè)計(jì)泥沙淤積平衡狀態(tài)。2011年起,萬(wàn)家寨水庫(kù)汛期基本按照汛限水位966m控制運(yùn)行,8、9月水庫(kù)轉(zhuǎn)入952~957m低水位排沙運(yùn)行。2014年,由于957m以下庫(kù)容萎縮,不能滿(mǎn)足日發(fā)電調(diào)節(jié),水輪機(jī)磨蝕嚴(yán)重、機(jī)組運(yùn)行工況較差。為了恢復(fù)有效調(diào)節(jié)庫(kù)容,改善機(jī)組運(yùn)行工況,萬(wàn)家寨水庫(kù)2014年除8、9月952~957m排沙運(yùn)行外,并于9月16~18日進(jìn)行了蓄水以來(lái)的首次沖沙運(yùn)行。此后2015年8、9月主汛期間也利用較大入庫(kù)流量來(lái)水,庫(kù)水位短期降至948m進(jìn)行了沖沙運(yùn)行。2016年主汛期由于上游來(lái)水流量過(guò)小,不能滿(mǎn)足大規(guī)模排沙運(yùn)行條件,水庫(kù)排沙運(yùn)行時(shí)間維持較短,僅對(duì)壩前泥沙淤積形態(tài)做了改善。
對(duì)近年來(lái)排沙鋼管運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),2009~2016年期間,萬(wàn)家寨5條排沙鋼管累計(jì)運(yùn)行283.6天。運(yùn)行時(shí)間集中在每年的凌汛期(3、4月)及主汛期(8、9月)。排沙鋼管在庫(kù)水位951.86~957.78m運(yùn)行。
2009~2016年期間,1~5號(hào)排沙鋼管分別累計(jì)運(yùn)行93、11.9、51.9、63.2、63.6天。運(yùn)行天數(shù)對(duì)比如圖1所示。
圖1 2009~2016年排沙鋼管運(yùn)行天數(shù)Fig.1 2009-2016 annual sediment pipe operation days
由圖2可見(jiàn),2009~2013年,1~5號(hào)排沙鋼管分別運(yùn)行43.8、11.9、40、35.3、43.5天。其中,2號(hào)排沙鋼管運(yùn)行時(shí)間明顯少于其他4條排沙鋼管,這與排沙鋼管均勻、對(duì)稱(chēng)的調(diào)度原則有關(guān),一般調(diào)度運(yùn)行首先開(kāi)啟兩端的(1號(hào)和5號(hào))排沙鋼管,再開(kāi)啟中間的(3號(hào))排沙鋼管,最后才開(kāi)啟4號(hào)和2號(hào)排沙鋼管,各排沙鋼管開(kāi)啟過(guò)程間隔時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),而結(jié)束排沙運(yùn)行時(shí)排沙鋼管關(guān)閉的間隔時(shí)間又相對(duì)較短,長(zhǎng)此以往導(dǎo)致2號(hào)排沙鋼管運(yùn)行時(shí)間相較其他排沙鋼管大幅度減少。
圖2 2009~2013年排沙鋼管運(yùn)行天數(shù)Fig.2 2009-2013 annual sediment pipe operation days
2014~2016年,1、3、4、5號(hào)排沙鋼管分別運(yùn)行49.2、11.9、27.9、20.1天。在2014~2016年的水庫(kù)排沙運(yùn)行過(guò)程中,2號(hào)排沙鋼管由于被泥沙淤堵,無(wú)法參加泄水排沙運(yùn)行,為了緩解因2號(hào)排沙鋼管不能過(guò)流而造成的對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)組進(jìn)水口泥沙淤積,1號(hào)排沙鋼管在此期間承擔(dān)了更為繁重的排沙任務(wù),運(yùn)行時(shí)間大幅高出其他排沙鋼管。運(yùn)行時(shí)間如圖3所示。
圖3 2014~2016年排沙鋼管運(yùn)行時(shí)間(d)Fig.3 2014-2016 annual steel pipes at run time(d)
可以看出,除2號(hào)排沙鋼管因淤堵泄水排沙運(yùn)行較少外,其他4條排沙鋼管累計(jì)運(yùn)行時(shí)間都在50天上,其中1號(hào)排沙鋼管運(yùn)行93天,泄水排沙運(yùn)用時(shí)間最長(zhǎng)。
2015年12月分別對(duì)1、3、4、5號(hào)排沙鋼管出口段(2號(hào)排沙鋼管因淤堵暫不具備檢查條件)進(jìn)行了例行檢查,發(fā)現(xiàn)每條排沙鋼管出口段沖蝕均較為嚴(yán)重。以運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)、破壞情況較為典型的1號(hào)排沙鋼管為例:檢查發(fā)現(xiàn)該孔排沙工作門(mén)門(mén)體底部存在沖蝕缺口(圖4),出口段混凝土沖蝕嚴(yán)重(圖5),存在粗骨料外露,局部掏空,沖刷出深坑,鋼筋裸露等情況。工作門(mén)至出口檢修門(mén)底檻混凝土沖蝕深度基本都在10cm左右,最深處沖坑達(dá)到30cm,沖蝕凹凸不平,底檻結(jié)構(gòu)鋼筋裸露;工作門(mén)下游側(cè)底板鋼襯整體沖蝕缺損,僅剩小部分與混凝土結(jié)合。3、4、5號(hào)排沙鋼管出口段沖蝕破壞的嚴(yán)重程度相較1號(hào)略輕微,但沖蝕也較為嚴(yán)重。
圖4 工作閘門(mén)底部缺損、門(mén)楣氣蝕Fig.4 The bottom gatelintel defect and cavitation
圖5 出口段混凝土沖蝕嚴(yán)重Fig.5 Serious erosion ofconcretein outlet section
2016年10月,2號(hào)排沙鋼管淤堵疏通完畢后組織對(duì)其進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)出口段沖蝕破壞情況較其他排沙鋼管顯著輕微:工作門(mén)門(mén)體完好(圖6),出口段混凝土整體沖蝕破壞較輕微(圖7),沖蝕厚度2~3cm。工作門(mén)下游側(cè)底板鋼襯完好,工作門(mén)到檢修門(mén)之間底檻混凝土局部位置存在沖蝕破損。
圖7 出口段混凝土沖蝕較為輕微Fig.7 Erosion of concrete in outlet section is relatively minor
2009~2016年,2號(hào)排沙鋼管整體運(yùn)行時(shí)間相較于其他4孔排沙鋼管平均少50余天,其中2009~2013年間2號(hào)排沙鋼管正常運(yùn)行期間,運(yùn)行時(shí)間相較于其余4孔排沙鋼管平均少30余天。因?yàn)橛俣略颍?號(hào)排沙鋼管沒(méi)有參與2014年、2015年萬(wàn)家寨水庫(kù)泄空排沙運(yùn)行,在敞泄排沙期間,2號(hào)排沙鋼管運(yùn)行時(shí)間相較于其余4孔排沙鋼管平均少20余天,而這期間過(guò)流水中泥沙含沙量更高,持續(xù)運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng),對(duì)排沙鋼管出口段混凝土與金屬結(jié)構(gòu)沖蝕、磨蝕的破壞作用更大[1]。
經(jīng)過(guò)橫向比較,2號(hào)排沙鋼管在正常運(yùn)行期間(2009~2013年)與淤堵期間(2014~2016年),都比其余4孔排沙鋼管運(yùn)行時(shí)間少,從檢查結(jié)果上看2號(hào)排沙鋼管工作門(mén)出口段沖蝕情況與其他4孔相比,破壞程度也明顯輕微。
由此可見(jiàn),排沙鋼管的沖蝕破壞程度與其運(yùn)行時(shí)間正相關(guān)。
萬(wàn)家寨水利樞紐是位于高含沙河流的高水頭電站,排沙鋼管內(nèi)裹挾泥沙在水流中以較小的角度沖擊流道表面,水流使得懸浮泥沙顆粒具有較大的動(dòng)能,泥沙顆粒與過(guò)流面成微小角度發(fā)生沖磨作用,造成作用于材料表面的流體力學(xué)磨粒磨損[2]。由于混凝土材料本身是一種多孔多缺陷材料,其抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度均較低,僅為其抗壓強(qiáng)在水流的作用下,過(guò)流部件因沙粒磨損而產(chǎn)生的宏觀體積損失,系由單個(gè)沙粒沖擊材料所造成的材料微觀體積或微觀質(zhì)點(diǎn)剝落所形成[3]。沙粒沖擊排沙鋼管過(guò)流部件表面造成磨損的過(guò)程,與過(guò)流部件材料的特性、沙粒的特性以及沖擊作用條件有關(guān)。
由于混凝土材料本身是一種多孔多缺陷材料,其抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度均較低,僅為其抗壓強(qiáng)度的1/10左右,高速顆粒所產(chǎn)生的動(dòng)能使混凝土表面產(chǎn)生微裂紋,并使其擴(kuò)展和交叉并最終導(dǎo)致微斷裂[3]?,F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn),部分材料從表面剝離而留下清晰的剝落坑,表現(xiàn)典型的脆性材料的沖擊磨損特征,裂紋源可能是材料內(nèi)部的氣穴和孔穴等缺陷處?;炷敛牧系亩嗳毕萏卣?,促進(jìn)了裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展,加劇了磨損的進(jìn)程。由于碳素鋼的抗沖磨性能低于混凝土,導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)的沖蝕損壞程度比混凝土更加嚴(yán)重。
因此,為了提高排沙鋼管出口段過(guò)流部件材料的耐沖蝕磨損性能。不僅要提高過(guò)流部件表面的強(qiáng)度與硬度,以抵抗硬質(zhì)磨粒的切削作用,還要著眼于提高材料的抗脆斷能力,盡量提高其韌性。
鑒于排沙鋼管出口段位置較為特殊,與電站尾水僅隔一道檢修閘門(mén),不具備將混凝土大體積鑿除后重新澆筑的條件,故只能對(duì)沖蝕破壞的部位進(jìn)行表面修復(fù)。
混凝土表面修復(fù)所選取能夠滿(mǎn)足高水頭高含沙高流速電站過(guò)流部件耐沖蝕磨損要求的材料,必須同時(shí)具備強(qiáng)度、硬度、韌性等多方面的特性,才能達(dá)到更長(zhǎng)時(shí)間的抗沖刷、抗切削、抗脆斷的效果[4]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和工程實(shí)踐比對(duì)分析,決定采用NE-Ⅱ型環(huán)氧砂漿和SK單組份聚脲(抗沖磨型)兩種應(yīng)用成熟、施工方便快捷并取得過(guò)良好工程效果的材料對(duì)排沙鋼管出口段沖蝕破壞的混凝土進(jìn)行修復(fù)。
表1 NE-Ⅱ型環(huán)氧砂漿主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 NE- Ⅱ main technical index of epoxy mortar
表2 SK手刮聚脲主要技術(shù)指標(biāo)[5]Tab.2 Main technical indicators for the SK hand blown polyurea
針對(duì)排沙鋼管的運(yùn)行特點(diǎn),在保證機(jī)組正常運(yùn)行的前提條件下,從安全、可靠、耐久等方面考慮,2016年凌汛過(guò)后,在提高流道表面抗沖磨性能的基礎(chǔ)上對(duì)排沙鋼管出口段損壞部位按照系統(tǒng)全面的原則,針對(duì)不同部位采取相應(yīng)的修復(fù)措施。
清除出口段3m范圍內(nèi)殘留外層厚漿型環(huán)氧瀝青防腐層,對(duì)局部沖蝕鋼襯進(jìn)行除銹補(bǔ)焊,打磨平整。用環(huán)氧砂漿與原內(nèi)層環(huán)氧金鋼砂抗沖磨涂層找平。在修復(fù)的鋼襯表面刮抗沖磨型聚脲2mm。
將底板混凝土掏空位置鑿至新鮮密實(shí)處,回填環(huán)氧混凝土找平。其余位置鑿除表面碳化混凝土,兩側(cè)墻壁蜂窩、麻面等缺陷用環(huán)氧砂漿修復(fù),大孔洞用環(huán)氧混凝土進(jìn)行修復(fù)。環(huán)氧砂漿厚度3.0cm,分兩層涂抹。在修復(fù)的環(huán)氧砂漿的表面刮抗沖磨型聚脲2mm。
圖8 出口漸變段涂層修復(fù)示意圖(單位:m)Fig.8 Coating repair schematic of export gradient segment(unit:m)
圖9 混凝土修復(fù)示意圖(單位:m)Fig.9 Concrete restoration diagram(unit:m)
對(duì)工作閘門(mén)底檻、反軌及門(mén)楣等金屬結(jié)構(gòu)氣蝕較輕的部位采用補(bǔ)焊打磨處理,將氣蝕破損嚴(yán)重的構(gòu)件割除,并鑿除底部表面碳化的混凝土,更換新的金屬構(gòu)件后采用C35混凝土或環(huán)氧混凝土回填找平,在更換的金屬構(gòu)件與混凝土接觸面進(jìn)行化學(xué)接觸灌漿,使構(gòu)件與混凝土可靠黏結(jié)。修復(fù)的金屬結(jié)構(gòu)表面除水封處,其余部位刮抗沖磨型聚脲2mm。
將出口檢修門(mén)門(mén)槽底部掏空處鑿至新鮮密實(shí)混凝土,對(duì)門(mén)槽兩側(cè)預(yù)埋鋼襯進(jìn)行植筋加固后,回填環(huán)氧混凝土找平,在修復(fù)的環(huán)氧混凝土及鋼襯表面刮抗沖磨型聚脲2mm。
萬(wàn)家寨排沙鋼管出口段沖蝕破壞缺陷修復(fù)后,經(jīng)歷了2016年汛期泄水排沙運(yùn)行。汛后組織對(duì)排沙鋼管出口段進(jìn)行了檢查,檢查發(fā)現(xiàn)修復(fù)的混凝土結(jié)構(gòu)與金屬埋件結(jié)構(gòu)部分沒(méi)有出現(xiàn)大面積剝落、脫空、沖蝕、空蝕等現(xiàn)象,混凝土結(jié)構(gòu)整體完整,環(huán)氧砂漿黏接牢靠,修補(bǔ)的金屬結(jié)構(gòu)埋件完好,在抗沖磨方面體現(xiàn)了修補(bǔ)材料的優(yōu)良特性,達(dá)到了預(yù)期修復(fù)效果。無(wú)論是從材料本身的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、硬度、附著力、抗沖磨強(qiáng)度等幾個(gè)重要技術(shù)指標(biāo),還是結(jié)合修補(bǔ)材料在二灘、龍羊峽、小浪底、三峽、溪洛渡、公伯峽、小灣等國(guó)內(nèi)其他大型水利水電工程的多年成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)上來(lái)看,采用改性環(huán)氧砂漿和單組份聚脲對(duì)水工泄水建筑物過(guò)流面進(jìn)行抗沖磨維修補(bǔ)強(qiáng)在牢固性、耐久性、可靠性、便捷性等多個(gè)方面具備相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。在后續(xù)的推廣應(yīng)用過(guò)程中還需要在異常惡劣環(huán)境條件下或更長(zhǎng)期的效果方面繼續(xù)進(jìn)行深入的研究和實(shí)踐,并進(jìn)一步提升其經(jīng)濟(jì)性。
萬(wàn)家寨水庫(kù)達(dá)到設(shè)計(jì)淤積平衡之后,進(jìn)行拉沙排沙會(huì)達(dá)到良好的效果,為減輕高含沙過(guò)機(jī)水流對(duì)水輪機(jī)過(guò)流件磨損的程度,防止磨損造成機(jī)組效率下降,相對(duì)應(yīng)的排沙鋼管利用頻率和效率也將更高。實(shí)際情況證明,排沙鋼管運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)排沙鋼管出口段混凝土與金屬結(jié)構(gòu)沖蝕破壞作用越大。
對(duì)此應(yīng)積極主動(dòng)采取防范措施。一是加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行管理,水庫(kù)進(jìn)入低水位排沙運(yùn)行期間,需合理調(diào)度各排沙鋼管運(yùn)行方式和時(shí)間,盡量隨機(jī)組運(yùn)行而運(yùn)行,開(kāi)啟時(shí)遵循均勻、對(duì)稱(chēng)原則,盡量平均分配各孔排沙鋼管的運(yùn)行時(shí)間在一定程度上可以減輕因混凝土及金屬結(jié)構(gòu)被高速含沙水流連續(xù)沖擊導(dǎo)致的疲勞破壞。針對(duì)高含沙工況下運(yùn)行容易發(fā)生淤堵情況,排沙鋼管開(kāi)啟運(yùn)行時(shí),應(yīng)先開(kāi)啟進(jìn)口事故門(mén),后開(kāi)啟出口工作門(mén);關(guān)閉時(shí),先關(guān)閉進(jìn)口事故門(mén),后關(guān)閉出口工作門(mén),保證排沙鋼管內(nèi)不積存高含沙渾水。二是加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)管理,經(jīng)驗(yàn)證明對(duì)水工建筑物混凝土缺陷及時(shí)修補(bǔ)及對(duì)混凝土表面防護(hù),可以有效延長(zhǎng)建筑物的使用壽命,大大提高建筑物的安全性。采用先進(jìn)的抗沖磨材料對(duì)排沙鋼管內(nèi)部進(jìn)行處理,不斷積累適合高泥沙含量、高水流流速環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的經(jīng)驗(yàn),保障排沙鋼管長(zhǎng)期高效安全穩(wěn)定運(yùn)行。
現(xiàn)階段萬(wàn)家寨水庫(kù)運(yùn)行已按照初步設(shè)計(jì)方式,轉(zhuǎn)入正常運(yùn)用。視來(lái)水來(lái)沙情況實(shí)時(shí)調(diào)度,統(tǒng)籌考慮水庫(kù)防洪、排沙與興利發(fā)電。低水位泄水排沙運(yùn)行中,應(yīng)持續(xù)摸索水庫(kù)排沙運(yùn)行與排沙鋼管消耗性磨損之間的關(guān)系,既能滿(mǎn)足水庫(kù)排沙需求,合理優(yōu)化水庫(kù)泥沙淤積形態(tài),有效保護(hù)水庫(kù)興利庫(kù)容,也要考慮泄水建筑物高強(qiáng)度運(yùn)行后沖蝕破壞的維修問(wèn)題,如何減少維修量和維修時(shí)間除了采取合理的運(yùn)行方式外,還需研究探索補(bǔ)強(qiáng)加固新工藝、新方法,新材料,延長(zhǎng)排沙鋼管抗沖磨壽命,增加運(yùn)行維護(hù)周期。
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