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三門峽水利樞紐泄流底孔破壞及處理

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標簽:水利工程管理,水利水電論文, 三門峽水利樞紐泄流底孔破壞及處理,http://www.nvlbio.live

  摘要:黃河三門峽水利樞紐建成后。由于庫區及上游河道泥沙嚴重淤積,被迫對工程進行改建。經過工程改建和調度運行的調整,基本解決了泥沙淤積問題,并發揮了較大的經濟社會效益。但高含沙水流使泄洪建筑物造成嚴重損壞。通過水工模型試驗,材料抗磨蝕試驗和現場修補試驗,對泄洪底孔的磨蝕破壞機理和修復措施進行了研究。

  關鍵詞:泄流底孔;破壞機理;修復處理;三門峽水利樞紐

  1、工程概況

  三門峽水利樞紐位于黃河中游,是以防洪為主的大型水利樞紐工程。工程于1960年大壩基本建成,并開始蓄水。蓄水后庫內及水庫上游渭河河道出現了嚴重的泥沙淤積。從1964年起被迫對工程進行改建。第一次改建將4條電站引水鋼管改為泄流排沙鋼管,并在左岸巖體中新修建2條直徑11m的泄流排沙隧洞;第二次改建打開了已封堵的1~8號施工導流底孔,并安裝5臺單機容量為5萬kW的水輪發電機組。經過兩次對工程的改建和水庫采用“蓄清排渾”的運行方式,基本實現了水庫在年內沖淤平衡,解決了庫區及渭河的淤積問題,并且在防洪、防凌、灌溉、發電、供水等綜合利用方面發揮了較大的社會經濟效益。但是黃河泥沙問題相當復雜,高含沙水流對水輪發電機組、泄流鋼管、隧洞、底孔和深孔等造成嚴重的磨蝕破壞,以致影響泄水建筑物的正常運行和工程進一步發揮效益。因此必須對工程進行進一步改建和修復。本文僅簡要介紹泄流排沙底孔(以下簡稱底孔)的破壞情況、破壞機理和修復處理措施。

  2、底孔(單、雙層孔)破壞情況

  1~3號底孔為單層孔,孔口尺寸3m×8m,進口底板高程280.0m,庫水位315.0m

  時單孔泄量405m3/s.4~8號底孔在平面上與1-5號深孔重合,組成5個雙層孔,深孔孔口尺寸3m×8m,進口底板高程300.8m,庫水位315.0m時一個雙層孔泄量658m3/s.6~12號深孔為單層孔,庫水位315.0m時單孔泄量257m3/s.1980年底發現底孔磨蝕后,先后對底孔的單層孔和雙層孔進行了全面檢查,發現下列部位有較嚴重的磨蝕破壞。

 。1)單層孔和雙層孔進口斜門槽正向不銹鋼導軌在高程2825~2880m之間的迎

  水面有不連續的溝槽或缺口(斜門槽為矩形斷面,寬120cm、深55cm),嚴重部位導軌磨

  損呈鋸齒狀,有的部位導軌及基座方鋼幾乎磨平。

 。2)單層孔和雙層孔進口斜門槽水封座板在高程2810~2900m之間破壞成鋸齒狀和蜂窩狀,在門槽邊緣10cm范圍內及側面角鋼大部分磨穿,混凝土被淘深2~8cm.

 。3)單層孔和雙層孔進口門槽底坎被淘成鍋底狀,底孔中心部位混凝土淘深8~15cm,大部分鋼板被磨損壞。

 。4)單層孔和雙層孔底孔進口喇叭口頂板(橢圓曲線)有一定的破壞,在高程291.0m以下的鋼板護面己被磨穿,但混凝土基本完好。

 。5)單層孔工作門槽在高程282.0~284.0m范圍內的導軌嚴重損壞,有大如手指順水流向的槽坑和缺口。

 。6)雙層孔工作門槽在高程282.0~288.0m底孔段范圍內的導軌均有破壞,在高程287.0~288.0m范圍內最為嚴重,導軌的一半已被剝蝕。在高程300.0~306.0m深孔段門槽內導軌有溝槽狀破壞,在高程300.0~302.0m范圍內較嚴重,導軌已成鋸齒狀。在串水門井段(高程288.0~300.0m)的混凝土及不銹鋼導軌未發現損壞。

 。7)底孔底板嚴重磨損,破壞面積占4/5,粗骨料全部外露,平均磨深14cm,并有多處沖坑,最大沖坑面積約5.6m×2.3m,深0.2m,鋼筋外露20余根,有的鋼筋已磨掉1/3左右。

 。8)底孔邊墻在高程284.0m以下有較嚴重磨損,混凝土粗骨料外露,最大磨損深度約7cm.高程284.0m以上磨損較輕,底孔頂板無明顯磨損痕跡。

  3、底孔破壞原因分析

  黃河是世界著名的多泥沙河流,三門峽壩址處年平均流量1105m3/s,多年平均含沙量37.7kg/m3,汛期平均含沙量68.3kg/m3,洪峰最大含沙量911kg/m3.年輸沙量16億t,汛期水量占全年的60%,而汛期輸沙量占全年的85%。泥沙中石英礦物含量為90%~95%,長石礦物含量為1~5%,兩者合計達95%~96%,而石英和長石的硬度都較高(按標準礦物莫氏硬度,石英為7級,長石為6級)。泥沙中平均中值粒徑d50=0.038mm.泥沙基本顆粒形狀為多角形和尖角形,且比較尖利。底孔泄量的汛期流量占52%,而排沙量占86%。因此,泥沙的磨損是底孔及其它泄水建筑物遭到嚴重破壞的外部條件。

  為查清底孔各部位破壞的內在原因和破壞機理,以便采取相應的、有效的、且較經濟的修補處理措施,使工程正常安全運行并發揮更大效益,先后委托水利水電科學研究院,黃委會水科院、702所、上海交通大學等單位,對底孔單層孔和雙層孔進行常壓和減壓水工模型試驗,并在現場進行了原型空化噪聲試驗。通過上述各項試驗和原型觀測,發現下列水力學現象,并對其特性和對建筑物的危害進行了較深入的研究和探討。

 。1)雙層孔進口斜門槽內有一條空心漩渦帶,上端在高程302.0~304.0m之間擺動,并伸向深孔,下端在高程284.0~286.0m之間擺動,并伸向底孔。在減壓模型試驗中對該渦帶進行噪聲測試,發現具有單極子型空化噪聲特征,但噪聲譜圖形在各段庫水位下無變化,且門槽內水流空化數大于初生空化數,原型空化噪聲測試中也未測得此渦帶空化噪聲特征。另外,在單層孔進口門槽內無此渦帶,但門槽導軌的破壞形狀與程度和雙層孔無明顯差異。因此可初步斷定此渦帶是一條非空化的漩渦帶,對門槽及導軌不會產生大的破壞。

 。2)在單層孔和雙層孔進口斜門槽內均有較強的螺漩流,切向流速達到17.83m/s.另外,門槽內時均壓力雖為正壓,但導軌內外側壓力差較大,且導軌頂面壓力較小。

 。3)單層孔和雙層孔單泄時進口斜門槽下游棱出現分離型空化。此處在高程281.0~290.0m內測得負壓,負壓值為-4.04~-4.58m水柱。初生空化數為ói=2.4,庫水位325.0m時水流空化數為ó0=2.25.在原型噪聲測試中也發現此處有空化噪聲特征。故此處存在空化現象,將發生空蝕破壞。雙層孔雙泄時(底孔和深孔同時泄水)沒有發現空化現象。

 。4)單層孔和雙層孔單泄時進口頂板橢圓曲線前端有分離型空化,且在高程294.14m處測得-3.74m水柱的負壓,與門槽下游棱構成三角形低壓區。此處初生空化數ói=2.8,當庫水位311.22m時水流空化數為ói=2.64.

 。5)單層孔工作門槽在高程282.0~285.0m范圍內有強螺漩流,切向流速13.7m/s,貼近導軌。工作門井與底孔交匯處有一橫軸漩渦,且處于負壓區,但無空化現象。底孔尾端頂部有-1~-3m水柱的負壓。

 。6)雙層孔雙泄時工作門槽底孔段,由于門井串水的影響,有一傾斜的強漩渦,在高程287.4m處漩渦切向流速達12.18m/s,漩渦末稍散射到工作門槽導軌處。在底孔與工作門井交匯處的頂部角隅處有一伸向工作門槽的分離型空化區。在模型中可測得空化噪聲,但觀察到此空化區發放的氣泡在其下游不潰滅,并帶至底孔出口,在原型噪聲測試中也未測得空化噪聲,因此可判斷此空化區不會發生空化。

 。7)雙層孔雙泄時工作門槽深孔段,有一直徑為0.6~0.8m的空心強漩渦,切向流速為10.21m/s.且此處脈動壓力甚為強烈,最大脈動系數為1.22,相應脈壓強度為2.7,且出現-1.9m水柱的瞬時負壓。

 。8)底孔在汛期平均流速14~18m/s.非汛期平均流速18-20m/s.

  根據上述水工模型發現的水力學現象和原型空化噪聲測試,以及對底孔破壞形態的分析,得出下列結論。①單層孔和雙層孔的進口斜門槽導軌和工作門槽導軌的破壞是由于導軌凸體在高含沙強漩渦切向流速作用下的磨損破壞。同時強漩渦使導軌項面壓力較低,因磨損

  使導軌局部出現負壓而產生空蝕破壞。②進口斜門槽為矩形斷面,不適應高速水流的要求,使其下游棱的水封座發生分離型空蝕破壞,同時高含沙、高速水流作用下的磨損進一步加劇了破壞。③底孔進口頂板由于橢園曲線與壩面不相切,使此處產生分離型空化而發生空蝕破壞。高含沙水流的磨損也是此部位破壞原因之一。④底孔進口的門槽底坎、底孔底板和邊墻等是在高含沙、高速水流作用下的磨損破壞,門槽底坎和底板局部沖坑是由于磨損帶來的局部空蝕結果。

  4、底孔修復處理

  底孔修復處理主要采取兩方面措施,一方面在結構體型上進行修改,使過流部位的體型盡量適應高含沙、高速水流作用下的要求,以減免空蝕破壞和減輕磨損破壞。另一方面采用高抗磨蝕材料,以抵抗高含沙水流的磨蝕破壞。

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