达克曲克水电站水库泥沙对隧洞和水轮机组磨蚀破坏分析及应对措施

陈波 隋国富 张雷 陈涛 吴志军

摘要：多沙河流水库泥沙淤积问题是水库运行中的主要难题。针对新疆维吾尔自治区达克曲克水电站泥沙淤积导致泄洪排沙隧洞和水轮机组关键过流部件出现的较严重磨蚀问题，首次采用黄河水利科学研究院研发的新材料、新工艺和新技术，通过相应抗磨蚀技术手段，进行了磨蚀修复和防护。汛期检验结果表明，磨蚀防护效果明显，达到了预期效果。论文研究成果可为其他电站类似问题的处理提供借鉴。

关键词：机组磨蚀;隧洞磨蚀;应对措施;达克曲克水电站;新疆维吾尔自治区

中图法分类号：TV145

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.10.008

1 工程概况

达克曲克水电站为新疆维吾尔自治区玉龙喀什河“两库五级”开发方案中的第4个梯级工程，坝址断面多年平均年径流量21.67亿m3，多年平均流量68.67 m3/s。总装机容量为75 MW（生态电站5MW），水库总库容1130万m3，确定工程等别为Ⅲ等，属中型工程。电站主要建筑物包括大坝、泄水建筑物、发电引水建筑物、水电站厂房及尾水渠。单独运行多年平均年发电量为2.38亿kW·h，装机年利用小时数2 929 h;联合运行多年平均年发电量为2.64亿kW·h，装机年利用小时数3 37lh。

工程于2013年6月正式开工，2014年10月截流，导流兼泄洪冲沙洞过水;2015年6月通过蓄水安全鉴定，7月上旬下闸蓄水，7月底发电引水洞通水，8月首台机组（2号）并网发电;2016年5月第2台机组（1号）并网发电。

2 水库泥沙淤积现状

2.1 泥沙基本资料

玉龙喀什河属低山及山前丘陵区，降水少，岩石风化强烈，该流域第四纪松散堆积物深厚，是河流主要沙源。流域气候干燥，植被稀疏，在冰雪消融和雨水冲刷下，河道泥沙沿程渐增，随着汛期的到来，河流泥沙含量增高，5-8月河流输沙量占全年的85%左右。根据实测资料，玉龙喀什河多年平均悬移质输沙率为341 kg/s，多年平均悬移质输沙率量为1236万t，多年平均含沙量为4.9 kg/m3。实测最大年输沙量为3 922万t（1978年），实测月平均最大输沙率为9 818 kg/s（1978年8月）。在达克曲克水电站初步设计中，断面泥沙特征值计算采用面积比拟法，将同古孜洛克水文站泥沙成果推算到工程断面上，成果详见表1。

2.2 泥沙矿物质组成及含量

在达克曲克水电站水中泥沙矿物质含量中，石英含量占（45+5）%，云母和伊利石占（25±5）%，长石占（12±3）%，绿泥石占（10±3）%，碳酸盐占30-～ 5%等。莫氏硬度大于5的矿物质主要是石英（莫氏硬度为7）和长石（莫氏硬度为6.0～ 6.5），云母和伊利石莫氏硬度为2～3，绿泥石莫氏硬度为2.0～ 2.5。

根据悬移质颗粒级配资料分析，悬移质泥沙主要由黏土、粉土和中细砂组成，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的中细砂占36.6%，粗砂占0.3%。2.3水库淤积和库容损失问题突出

水库泥沙淤积情况见图l，达克曲克水电站于2015年10月放空水库，在进行导流洞检修门及工作弧门消缺处理过程中，发现水库淤积严重。导流洞前河床基本淤积至高程1 760.0 m（导流洞底部高程1 733.0 m，顶部高程1 741.5 m，洞长393 m）;坝前淤积至高程1 742.0 m;1号发电机出口尾水渠，淤积超过尾水闸门顶部7.0 m，淤积高程达1 674.0 m，最大高度达10.0 m，整个反坡段淤满;引水发电洞洞口高程1 759.5 m，平台也有不同程度的泥沙淤积，最大淤积厚度约2.0 m。溢洪道引渠底板也存在淤积，最高处淤积至弧门下部。

2018年7月，在汛前定期工作试验中，实测发现导流洞进水口检修闸门门槽淤沙，超出洞顶高程7m，拦污栅前淤沙超出洞顶高程20 m，导流洞失去导流泄洪能力，如果不及时疏通导流洞拦污栅，在洪水流量大于溢洪道设计泄流能力时，会发生漫坝、溃坝恶性事故。

根据水库泥沙淤积计算结果，水库运行5a后，剩余死库容140万m3，其中溢洪道堰顶高程1763.5 m至泄洪排沙洞顶高程库容为49万m3，剩余调节库容97万m3，计算条件建立在开启泄洪排沙洞前提下，当其较长时间关闭时，汛期泥沙会因没有泄洪排沙通道而极易淤积在排沙泄洪洞顶高程以上。根据多年平均入库沙量分析，在只有溢洪道泄洪情况下，6月平均10 d左右即可淤积至泄洪排沙洞顶高程，7月平均仅需4d左右、8月平均需5d左右，从而造成排沙洞淤堵，影响泄洪排沙通道畅通，严重危及水库安全。

3 水库泥沙淤积危害及原因分析

3.1 导流兼泄洪冲沙洞磨蚀严重

导流洞兼防洪冲沙洞的底板、边墙和弧形工作门等设施冲蚀破坏严重，特别是弧形工作门后防磨底钢板基本破坏，如图2所示。初步分析主要原因为泥沙冲磨、弧形工作门小流量开度加速和抗磨强度不足等综合作用的结果。

3.2水輪机组磨蚀严重

达克曲克水电站机组经过2-3个汛期运行后，受空蚀破坏、泥沙磨损及相互耦合作用，导致水轮机组的转轮、导叶、蜗壳和止漏环等关键部位出现了严重磨蚀破坏，如图3所示，造成设备性能参数恶化，导致水力机械运行效率降低，影响设备预期的使用寿命。

3.3原因分析

3.3.1 泥沙磨损和水轮机组空蚀的联合作用

引起磨蚀的因素是复杂的[1-5]，除空蚀破坏以外，磨蚀还与沙粒大小、形状、硬度、泥沙浓度、流速和粒子冲击方向有关，过流面金属表面的粗糙度、流线型、金属致密度、弹性模量和硬度也是影响磨蚀发展的影响因素。当空蚀和磨损联合作用时间小于材料的空蚀潜伏期时，材料破坏主要为磨损作用，仅与流体速度、含沙量及沙粒形状、硬度有关;反之，空蚀作用会迅速增大形成快速破坏。

达克曲克水电站含沙量大，粒径粗，颗粒坚硬，受泥沙磨损和空蚀破坏的双重作用影响，金属表面被沙粒刮伤，使光滑表面发生破坏，表面产生不光滑的凹凸，极易产生空蚀，加剧了刮伤处的破坏，宏观表现为鱼鳞坑和沟槽，如此恶性循环，就形成了沙粒与空蚀联合破坏作用，即磨蚀。在磨蚀作用下，机组主要过流部件出现了不同程度的磨蚀破坏，导致水力机械运行效率降低，影响其使用寿命，严重时会发生低频率大振幅振动，产生一定噪声的同时还会导致整个机组和厂房振动，对安全运行造成威胁。

3.3.2 不合理的机组运行方式

不合理的机组运行方式是水轮机组过流部件磨蚀破坏的原因之一。混流式水轮机组有一个振动区，机组运行时应避开振动区，长时间在振动区运行，不仅对机组有破坏影响，且会对水工建筑产生破坏。应保证达克曲克水电站水轮机在额定负荷40%以上运行，如果机组在较低负荷工况下运行，长时间在振动区运行，流道中的水流紊乱，形成撞击、脱流、漩涡，会加剧泥沙的磨蚀破坏。

4 水库泄水设施的磨蚀及应对措施

在充分论证和调研基础上，采取黄河水利科学研究院研发的先进成熟的科技成果和工法成果[6]，对达克曲克导流兼泄洪冲砂洞进行了抗冲磨材料涂装改造工程。工程区域主要包括闸门底板，工作闸门门面板迎水面，有压洞身、工作闸井边墙、无压洞和挑坎段（局部）抗磨工程等部分。

经过2017年和2018年两个洪水季的运行考验，达到了预期使用效果，施工和使用效果如图4所示。

5 水轮机组磨蚀及应对措施

华电集团水电技术中心组织相关专家对达克曲克水电站机组磨蚀问题及应对策略进行了深入探讨，对黄河水利科学研究院提出的综合磨蚀防护修复技术方案进行了评审，最终同意该技术方案，并分别于2018年4月和11月对1号和2号机组的水轮机组过流部件进行了防磨蚀技术改造，采用的主要技术方案如表2所示，复合树脂砂浆技术指标如表3所示，聚氨酯抗磨板性能指标如表4所示，聚氨酯密封板性能指标如表5所示。

复合树脂砂浆涂层由高抗磨蚀聚氨酯弹性体材料、弹性环氧树脂、固化剂、硬金属粉、棕刚玉、耐水剂等组成，该涂层综合性能优，黏结力强，抗磨、抗汽蚀性能优良，设计寿命在10 a以上。

聚氨酯水轮机组底环及顶盖抗磨板是一种与水轮机组底环和顶盖可靠连接的抗磨密封装置，可确保导叶停机全关状态下具有良好的密封性，且开停机时具有良好的抗汽蚀能力，以保障机组安全运行，并增加发电效益。

在高速高含沙水流长期冲刷作用下，导叶的刚性立面密封面逐渐发生磨损，密封面的磨损进一步加剧了密封处的空蚀，形成恶性循环，致使导叶立面密封磨损空蚀严重。采用该弹性密封替换为原刚性密封后，可确保导叶停机全关状态下具有良好的密封性，且开停机时具有良好的抗汽蚀能力，以保障机组安全运行，并增加发电效益。修复效果如图5所示。

6 结语

达克曲克水电站河水泥沙含量大，泥沙淤积严重，泄洪排沙隧洞和水轮机组关键过流部件出现了较严重的磨蚀破坏，导致隧洞闸门漏水严重，水轮机组发电效率下降，严重影响水电站的安全运行。华电集团组织相关专家对达克曲克水电站的泄洪排沙隧洞和机组磨蚀问题及应对策略进行了深入研究，采用了黄河水利科学研究院的新材料、新工艺和新技术。新疆华电和田水电有限责任公司组织相关单位和人员，通过相应抗磨蚀技术手段，分别于2017年对排沙隧洞，2018年对水轮机组进行了磨蚀修复和防护。汛期检验证明：磨蚀防护达到了预期效果，该项目的成功应用可为新疆地区类似工况条件的其他水电站排沙隧洞和水轮机组的磨蚀修复提供借鉴。

参考文献：

[1] 王志强.乌鲁瓦提水利枢纽泄洪排砂洞抗冲磨处理[J].新疆水利，2002（1）：23-25.

[2]熊毅，黄开其，吕联亚，等.新疆乌鲁瓦提水利枢纽工程导流泄洪洞抗冲磨处理[J]大坝与安全，2001，3（3）：53-54.

[3] 王云年，张武斌，谢伟华.三门峡工程泥沙对泄水建筑物磨损的研究[J].电子世界，2013（3）：100-101.

[4]唐红海，魏皓，邓玉海，等，小浪底水电站闸门抗磨防腐蚀技术的研究与应用[J].水电能源科学，2011（10）：113-115.

[5] 陳怡勇.小浪底水利枢纽工程预防泥沙淤堵和磨蚀的工程措施[J].水利水电科技进展，2004（1）：47-48.

[6]李贵勋，张雷，郑军，等.磨蚀防护技术在水力机械的应用研究[J].水电站机电技术，2017（5）：21-23.

（编辑：唐湘茜）

作者简介：陈波，男，副总经理，高级工程师，硕士，主要从事水利水电管理与运行维护研究工作。E-mail： xjbo_chen@163.com

通讯作者：张雷，男，高级工程师，博士，主要从事水工程磨蚀防护技术研究工作。E-mail： hkyzhanglei@163.com