李 偉

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆某水電站工程為該河段“兩庫五級”開發(fā)中的第四個梯級工程，工程任務(wù)是發(fā)電和承擔(dān)上游工程調(diào)峰發(fā)電后的反調(diào)節(jié)，為中型Ⅲ等工程。電站裝機(jī)容量75 MW（主電站裝機(jī)70 MW、生態(tài)電站裝機(jī)5 MW），年發(fā)電量2.38億kW·h。該水電站工程由大壩、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、溢洪道、發(fā)電引水洞、生態(tài)電站放水洞、電站廠房及尾水渠等組成。

該水電站工程于2015年7月投產(chǎn)運(yùn)行，2016年11月因?qū)Я骷嫘购闆_沙洞（簡稱“泄洪沖沙洞”）出口工作閘門漏水，在巡視檢查時，發(fā)現(xiàn)庫內(nèi)淤積嚴(yán)重、出口工作閘門底板鋼襯已磨蝕破壞，二期底板、邊墻混凝土沖磨蝕嚴(yán)重，為保證電站正常效益的發(fā)揮和安全運(yùn)行，需采取修復(fù)措施解決泥沙沖磨蝕的問題。

2 工程存在的問題

本工程河流泥沙含量較高，工程投產(chǎn)運(yùn)行后，運(yùn)行單位考慮發(fā)電效益的最大化，長期高水位運(yùn)行發(fā)電，泄洪沖沙洞長時間小開度運(yùn)行；庫內(nèi)泥沙淤積嚴(yán)重，泄洪沖沙洞出口工作閘井底板已磨蝕破壞，需采取措施減緩庫內(nèi)泥沙淤積及泄洪沖沙洞出口工作閘井底板磨蝕問題。庫內(nèi)淤積和底孔工作閘門底板磨蝕照片見圖1、圖2。

圖1 庫內(nèi)淤積情況

圖2 工作閘門底板磨蝕破壞情況

3 泥沙淤積和泄洪沖砂洞沖磨蝕分析

3.1 庫內(nèi)泥沙淤積分析

工程所在流域氣候干燥，植被稀疏，流域內(nèi)第四紀(jì)松散堆積物深厚，是河流主要沙源。在冰雪消融和雨水沖刷下，河道泥沙沿程漸增，汛期5～8月河流輸沙量占全年輸沙量的85%左右。根據(jù)實測資料該河多年平均懸移質(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。實測最大年輸沙量3922萬t，實測月平均最大輸沙率9818 kg/s。

根據(jù)庫內(nèi)淤沙情況，對汛期輸沙量進(jìn)行分析，2015年8月3日實測洪峰流量為1283 m3/s，該洪峰流量為1959年以來第三位洪峰，相當(dāng)于20年一遇的洪水，根據(jù)洪峰流量與年輸沙量的關(guān)系，2015年輸沙量為2392萬t，為多年平均輸沙量的2.28倍。根據(jù)實測資料統(tǒng)計分析，2015年8月輸沙量最大15日輸沙量在1400萬t左右，加之上游工程開工棄渣，沿河大規(guī)模石料開采，以及電站實際沖沙運(yùn)行情況，更加劇了河流泥沙和庫內(nèi)淤積。根據(jù)工程的運(yùn)行調(diào)度情況，針對庫內(nèi)淤積情況，制定了沖沙調(diào)度方案（在此不再敖述），經(jīng)兩年的沖沙運(yùn)行，庫內(nèi)淤積得到有效控制。

3.2 泄洪沖沙洞閘門底板沖磨蝕分析

該河懸移質(zhì)主要由粘土、粉土和中細(xì)沙組成，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、細(xì)沙占36.6%，粗沙占0.4%。根據(jù)泥沙礦物質(zhì)組成分析，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3%～5%，其它少量。其中石英和長石摩氏硬度大于5，為閘門底板磨蝕的主要物質(zhì)組成。

根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行反饋，工作閘門長期處于小開度沖沙運(yùn)行狀態(tài)，閘門開啟運(yùn)行時間總計為2688 h，各開度運(yùn)行時間統(tǒng)計見表1。

表1 工作閘門各開度運(yùn)行時間統(tǒng)計表

由表1可看出，在泥沙含量較高的情況下，長期小開度、高流速運(yùn)行是閘門及底板沖、磨蝕破壞的主要原因。

4 閘門底板抗沖磨措施

本工程泄洪沖沙洞功能為施工期導(dǎo)流，運(yùn)行期承擔(dān)泄洪、沖沙和水庫放空任務(wù)。由引渠段、進(jìn)口閘井段、有壓洞身段、工作閘井段、無壓洞身段、出口消能段組成，總長約450 m，設(shè)計泄量623 m3/s，校核泄量748.26 m3/s。泄洪沖砂洞縱剖面圖見圖3。

圖3 泄洪沖沙洞縱剖面圖

泄洪沖沙洞出口工作閘井孔口尺寸為6.0 m×6.8 m，工作閘門底板原設(shè)計采用鋼板襯護(hù)（見圖4），襯護(hù)長度為9.0 m，二期混凝土采用C40高強(qiáng)度混凝土。

圖4 閘門底板鋼襯示意圖

對該條河流的泥沙特性和年內(nèi)懸移質(zhì)、推移質(zhì)輸沙總量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)閘門底板磨蝕除高速含沙水流沖蝕、磨蝕、氣蝕外，還伴有推移質(zhì)的沖砸破壞。因此，重點(diǎn)考慮通過什么措施達(dá)到抗沖磨、抗沖砸的作用，從而延長維護(hù)周期。根據(jù)類似工程經(jīng)驗[1,2]和抗沖磨材料的研發(fā)應(yīng)用情況，結(jié)合本工程泥沙和流道水流特性，擬定以下修復(fù)措施。

4.1 閘門底板鋼襯采用高強(qiáng)度耐磨鋼板防護(hù)

將磨蝕破壞的閘井底板、邊墻二期混凝土全部拆除，并鑿毛一期混凝土，保留原設(shè)計插筋；插筋磨損嚴(yán)重的采用等直徑植筋替換，并局部加密，底板、邊墻二期混凝土標(biāo)號提高為C60高強(qiáng)度混凝土。

閘門底檻埋件按原設(shè)計尺寸制作，鋼板防護(hù)范圍同原設(shè)計相同，將表面鋼板換為NM400耐磨鋼板，該材料具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，性能是普通低合金鋼板的3～5倍，表面硬度通常達(dá)到360～450 HB，可顯著提高耐磨性能。

4.2 閘門底板采用抗沖耐磨柔性材料和表面硬度較高的鋼材防護(hù)

本工程河流泥沙推移質(zhì)、懸移質(zhì)均較高，在汛期推移質(zhì)尤為突出?？紤]此因素，提出將抗沖耐磨柔性材料和表面硬度較高的鋼材結(jié)合使用的防護(hù)措施。該措施能夠發(fā)揮兩種材料抗沖磨和抗沖砸的作用。

4.2.1 表面硬度較高的鋼材選擇

（1）采用重軌作為龍骨，重軌龍骨初擬采用QU100標(biāo)號重軌，頂寬b為100 mm，高度h為150 mm，材料為U71MN其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為C0.65%～0.77%、Si0.15%～0.35%，Mn1.1%～1.5%，其抗拉強(qiáng)度不小于885 MPa。

（2）采用NM400耐磨鋼板。重軌為型材，用于火車和動車軌道，其表面強(qiáng)度較高，抗沖擊性能高。但考慮重軌表面的圓弧與抗沖耐磨材料的粘結(jié)性較差，且重軌表面為強(qiáng)度最高部位可加工性差，現(xiàn)場施工較為困難，因此否定了重軌作為龍骨?？紤]現(xiàn)場加工和安裝，采用工字鋼上表面焊接NM400耐磨鋼板替代重軌龍骨的方案，該方案將工字鋼作為龍骨，工字鋼重量相對重軌輕，可加工性好，易焊接。

4.2.2 抗沖耐磨材料的選擇

抗沖耐磨材料在各大科研院所均有研究應(yīng)用，根據(jù)耐磨材料的使用效果，施工工藝，后期維護(hù)等綜合分析后，選定高韌性抗沖磨聚脲和抗撕裂澆注式聚氨酯兩種材料進(jìn)行對比，兩種材料性能指標(biāo)分別見表2和表3。

表2 高韌性抗沖磨聚脲技術(shù)性能指標(biāo)

表3 抗撕裂澆注式聚氨酯技術(shù)性能指標(biāo)

（1）高韌性抗沖磨聚脲材料具有施工簡單、耐沖磨、耐老化的性能，是一種高分子環(huán)保型防護(hù)涂層材料[3～5]。通常采用手刮施工，將材料粘結(jié)在混凝土表面，砂漿呈粘稠狀，流動性差，在渠道、面板壩裂縫處理等均有應(yīng)用，經(jīng)分析研究該材料適用于低流速流道，不耐沖砸，在高流速推移質(zhì)水流沖砸中易剝離脫落。

（2）澆注式聚氨酯該材料由異氰酸酯（單體）與羥基化合物聚合而成，主鏈含-NHCOO-重復(fù)結(jié)構(gòu)單元。由于含強(qiáng)極性的氨基甲酸酯，不溶于非極性基團(tuán)，其主鏈結(jié)構(gòu)中的硬段含量相對較高，原材料呈液態(tài)，流動性強(qiáng)，具有良好的抗撕裂性，同時也具有優(yōu)良的耐磨性、耐老化性和韌性。

經(jīng)兩種材料性能對比，考慮其施工工藝，以及與其它金屬、混凝土的粘結(jié)性等，確定采用澆注式聚氨酯，除材料本身較為優(yōu)異的耐磨性能外，最主要的原因是該原材料為液態(tài)，透明無色，可采用加固措施來確保材料與基層混凝土的整體性，防止材料本身在沖砸、高速水流情況下被剝離。

5 閘門底板修復(fù)方案

通過研究分析，修復(fù)方案采用“NM400高強(qiáng)度耐磨鋼板+工字鋼龍骨+澆注聚氨酯涂層”結(jié)構(gòu)。該抗沖磨結(jié)構(gòu)充分利用了耐磨鋼板的高強(qiáng)度、高硬度物理特性，抗沖磨材料的耐磨特性，工字鋼龍骨的整體穩(wěn)定性，兩種軟、硬耐磨材料防護(hù)相結(jié)合，相互依托保護(hù)，達(dá)到抗沖砸、抗沖磨的目的。

將底板二期混凝土鑿除500 mm，拆除原底板門槽埋件，保留原插筋并按圖紙要求位置補(bǔ)充插筋，插筋采用植筋方式，其出露長度應(yīng)滿足埋件安裝要求，插筋抗拔強(qiáng)度不低于植筋抗拉強(qiáng)度。

龍骨采用I20B工字鋼，沿順?biāo)鞣较虿贾?，總長9 m，中心距400 mm。在閘門底緣水封部位布設(shè)橫向工字鋼，作為底水封止水座，水封上游順?biāo)飨蛟O(shè)長2 m短龍骨，下游設(shè)7 m長龍骨，工字鋼底部布設(shè)插筋錨固于二期混凝土。工字鋼上表面較閘井底板低30 mm，工字鋼上翼緣寬102 mm，表面焊接NM400耐磨鋼板，鋼板厚20 mm，寬150 mm。為保證工字鋼龍骨的整體穩(wěn)定性，工字鋼采用角鋼焊接固定形成骨架，間距500 mm。工字鋼之間結(jié)構(gòu)空隙回填一級配C60高強(qiáng)度混凝土，抗?jié)B指標(biāo)W6，過水前齡期不低于28 d，回填面低于閘井底板高程30 mm，對回填混凝土表面進(jìn)行機(jī)械打磨、并保持表面干燥。

為保證高速水流沖刷下材料的粘結(jié)性和牢固性，在兩工字鋼上翼緣焊接鋼板網(wǎng)加固，鋼板網(wǎng)材質(zhì)為Q235，厚度8 mm，網(wǎng)孔直徑10 mm，鋼板網(wǎng)底部采用螺紋鋼焊接支撐，起到連接型鋼、提高整體性、增加結(jié)合力及支撐的作用。鋼板網(wǎng)焊接完成清理完畢后，在基層及鋼板網(wǎng)表面涂刷專用底膠，將聚氨酯灌入鋼板網(wǎng)縫隙，然后將工業(yè)加熱毯、電熱管等加熱設(shè)備覆蓋到澆注式聚氨酯模具上，利用控溫設(shè)備控制溫度在100～120℃，對聚氨酯涂層進(jìn)行加熱固化，固化時間6～9 h，聚氨酯固化后對表面進(jìn)行打磨處理，以確保平整度，由此通過鋼板網(wǎng)將抗磨耐磨材料和型鋼形成有機(jī)整體。龍骨三維視圖及抗沖磨結(jié)構(gòu)示意圖分別見圖5、圖6。

圖5 閘門底板龍骨三維視圖

圖6 閘門底板抗沖磨結(jié)構(gòu)示意圖

6 閘門底板修復(fù)后使用效果

該閘門底板磨蝕破壞修復(fù)于2017年4月9日開工，當(dāng)年5月13日完工，歷時33 d。經(jīng)過兩個汛期的檢驗，使用效果較好，達(dá)到了抗沖磨蝕的目的，延長了維護(hù)周期，節(jié)省了維護(hù)成本。閘門底板修復(fù)后照片及汛后檢查照片分別見圖7、圖8。

圖7 閘門底板工字鋼龍骨示意圖

圖8 閘門底板抗沖磨結(jié)構(gòu)示意圖

7 結(jié)語

本文根據(jù)含沙水流和推移質(zhì)在流道中的運(yùn)動特性，以及抗沖磨蝕材料的性能特點(diǎn)，研究出一種可抵御河床推移質(zhì)沖擊的抗沖耐磨結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能夠較好地解決水流中推移質(zhì)對底板的沖砸，并避免或減緩抗沖磨蝕材料不抗沖砸而發(fā)生剝離破壞的問題，具有抗沖磨、抗沖砸的優(yōu)點(diǎn)。該成果在抗沖磨措施上具有一定創(chuàng)新，可以為類似工程提供參考。但該結(jié)構(gòu)的實施也有不足之處，對施工工藝和環(huán)境具有較嚴(yán)格的控制要求。如澆筑式聚氨酯需有封閉的空間、干燥的環(huán)境、適宜的溫度，為滿足施工條件需花費(fèi)一定的費(fèi)用，增加了成本。