摘要：黃河三門(mén)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(jìn)行改建。經(jīng)過(guò)工程改建和調度運行的調整，基本解決了泥沙淤積問(wèn)題，并發(fā)揮了較大的經(jīng)濟社會(huì )效益。但高含沙水流使泄洪建筑物造成嚴重損壞。通過(guò)水工模型試驗，材料抗磨蝕試驗和現場(chǎng)修補試驗，對泄洪底孔的磨蝕破壞機理和修復措施進(jìn)行了研究。

　　關(guān)鍵詞：泄流底孔；破壞機理；修復處理；三門(mén)峽水利樞紐��

　　1、工程概況��

　　三門(mén)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(kāi)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(jìn)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(kāi)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(wàn)kW的水輪發(fā)電機組。經(jīng)過(guò)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(shí)現了水庫在年內沖淤平衡，解決了庫區及渭河的淤積問(wèn)題，并且在防洪、防凌、灌溉、發(fā)電、供水等綜合利用方面發(fā)揮了較大的社會(huì )經(jīng)濟效益。但是黃河泥沙問(wèn)題相當復雜，高含沙水流對水輪發(fā)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(jìn)一步發(fā)揮效益。因此必須對工程進(jìn)行進(jìn)一步改建和修復。本文僅簡(jiǎn)要介紹泄流排沙底孔（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(jìn)口底板高程280.0m，庫水位315.0m

　　時(shí)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(gè)雙層孔，深孔孔口尺寸3m×8m，進(jìn)口底板高程300.8m，庫水位315.0m時(shí)一個(gè)雙層孔泄量658m3／s.6～12號深孔為單層孔，庫水位315.0m時(shí)單孔泄量257m3／s.1980年底發(fā)現底孔磨蝕后，先后對底孔的單層孔和雙層孔進(jìn)行了全面檢查，發(fā)現下列部位有較嚴重的磨蝕破壞。��

　�。�1）單層孔和雙層孔進(jìn)口斜門(mén)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(mén)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(jìn)口斜門(mén)槽水封座板在高程2810～2900m之間破壞成鋸齒狀和蜂窩狀，在門(mén)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(jìn)口門(mén)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(jìn)口喇叭口頂板（橢圓曲線(xiàn)）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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)井段（高程288.0～300.0m）的混凝土及不銹鋼導軌未發(fā)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(wú)明顯磨損痕跡。��

　　3、底孔破壞原因分析

　　黃河是世界著(zhù)名的多泥沙河流，三門(mén)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(cháng)石礦物含量為1～5%，兩者合計達95%～96%，而石英和長(cháng)石的硬度都較高（按標準礦物莫氏硬度，石英為7級，長(cháng)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(jīng)濟的修補處理措施，使工程正常安全運行并發(fā)揮更大效益，先后委托水利水電科學(xué)研究院，黃委會(huì )水科院、702所、上海交通大學(xué)等單位，對底孔單層孔和雙層孔進(jìn)行常壓和減壓水工模型試驗，并在現場(chǎng)進(jìn)行了原型空化噪聲試驗。通過(guò)上述各項試驗和原型觀(guān)測，發(fā)現下列水力學(xué)現象，并對其特性和對建筑物的危害進(jìn)行了較深入的研究和探討。��

　�。�1）雙層孔進(jìn)口斜門(mén)槽內有一條空心漩渦帶，上端在高程302.0～304.0m之間擺動(dòng)，并伸向深孔，下端在高程284.0～286.0m之間擺動(dòng)，并伸向底孔。在減壓模型試驗中對該渦帶進(jìn)行噪聲測試，發(fā)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(wú)變化，且門(mén)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(jìn)口門(mén)槽內無(wú)此渦帶，但門(mén)槽導軌的破壞形狀與程度和雙層孔無(wú)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(mén)槽及導軌不會(huì )產(chǎn)生大的破壞。��

　�。�2）在單層孔和雙層孔進(jìn)口斜門(mén)槽內均有較強的螺漩流，切向流速達到17.83m／s.另外，門(mén)槽內時(shí)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(shí)進(jìn)口斜門(mén)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(shí)水流空化數為ó0=2.25.在原型噪聲測試中也發(fā)現此處有空化噪聲特征。故此處存在空化現象，將發(fā)生空蝕破壞。雙層孔雙泄時(shí)（底孔和深孔同時(shí)泄水）沒(méi)有發(fā)現空化現象。��

　�。�4）單層孔和雙層孔單泄時(shí)進(jìn)口頂板橢圓曲線(xiàn)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(mén)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(shí)水流空化數為ói=2.64.��

　�。�5）單層孔工作門(mén)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(mén)井與底孔交匯處有一橫軸漩渦，且處于負壓區，但無(wú)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(shí)工作門(mén)槽底孔段，由于門(mén)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(mén)槽導軌處。在底孔與工作門(mén)井交匯處的頂部角隅處有一伸向工作門(mén)槽的分離型空化區。在模型中可測得空化噪聲，但觀(guān)察到此空化區發(fā)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(huì )發(fā)生空化。��

　�。�7）雙層孔雙泄時(shí)工作門(mén)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(dòng)壓力甚為強烈，最大脈動(dòng)系數為1.22，相應脈壓強度為2.7，且出現-1.9m水柱的瞬時(shí)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(fā)現的水力學(xué)現象和原型空化噪聲測試，以及對底孔破壞形態(tài)的分析，得出下列結論。①單層孔和雙層孔的進(jìn)口斜門(mén)槽導軌和工作門(mén)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(shí)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(chǎn)生空蝕破壞。②進(jìn)口斜門(mén)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(fā)生分離型空蝕破壞，同時(shí)高含沙、高速水流作用下的磨損進(jìn)一步加劇了破壞。③底孔進(jìn)口頂板由于橢園曲線(xiàn)與壩面不相切，使此處產(chǎn)生分離型空化而發(fā)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(jìn)口的門(mén)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(mén)槽底坎和底板局部沖坑是由于磨損帶來(lái)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(jìn)行修改，使過(guò)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。��

　　在結構體型上經(jīng)過(guò)深入的多方案比較研究，采用以下的改進(jìn)措施。��

　�。�1）進(jìn)口斜門(mén)槽的矩形門(mén)槽改為帶錯距的斜坡型，即將門(mén)槽上下游邊錯距10cm，并以1∶12斜坡與邊墻連接。��

　�。�2）進(jìn)口斜門(mén)槽內的方鋼導軌改為無(wú)凸臺平板型，可拆換的不銹鋼導軌。工作門(mén)槽內的導軌改為表面呈園弧形無(wú)凸臺，可拆換的不銹鋼導軌。��

　�。�3）底孔出口降低1m，出口頂高程由288.0m降為287.0m.

　　采用上述改進(jìn)措施后，在水力學(xué)上有如下改善①進(jìn)口頂板角隅處及斜門(mén)槽下游棱處的分離型空化區全部消失。抬高了底孔沿程壓坡線(xiàn)，提高了各部位的水流空化數�；�本消除了空蝕破壞的可能性。②各門(mén)槽內的漩渦強度明顯降低，切向流速降低10%～20％�钡卓變绕骄�流速降低8%，使磨損破壞有所改善。③雙層孔工作門(mén)井串水流態(tài)得到較大的改善。單層孔工作門(mén)槽內水流基本平穩，水位波動(dòng)幅度大大減小。��

　　5、抗磨材料的選擇��

　　為選擇抗磨蝕性能好、且比較經(jīng)濟、施工簡(jiǎn)便的材料，曾委托科研單位進(jìn)行了大量的室內外試驗研究。��

　�。�1）普通混凝土��

　　底孔底板和邊墻原設計為C₂₀、S₈抗沖混凝土，實(shí)際混凝土強度已超過(guò)C₃₀.但實(shí)踐和室內試驗都證明普通混凝土不能抗御底孔的高含沙、高速水流作用下的磨損。��

　�。�2）輝綠巖鑄石板��

　　顯然鑄石板本身硬度很高，莫氏硬度比泥沙中含量較多的石英和長(cháng)石高l～2級，但質(zhì)地較脆，易被推移質(zhì)砸破，而且板間接縫是一個(gè)薄弱部位，再加上粘結工藝要求較高，質(zhì)量不易保證，容易逐塊掀掉，發(fā)展至成片破壞。因此，此抗磨材料未被采用。��

　�。�3）環(huán)氧砂漿��

　　現場(chǎng)試驗和室內試驗證明是最好的抗磨材料，且抗空蝕性能和與混凝土粘結強度相當高，但材料價(jià)格非常昂貴，施工工藝要求高，且其固化劑具有毒性，不宜大面積使用。宜用于有較大荷載的過(guò)流部位表面。��

　�。�4）鋼纖維砂漿和鋼纖維混凝土��

　　具有較高的抗磨損、抗裂性能，價(jià)格遠低于環(huán)氧砂漿，但抗空蝕能力有待進(jìn)一步研究，且施工中鋼纖維在砂漿中不易拌勻，給施工帶來(lái)不便。除底孔進(jìn)口底坎處采用外，其它部份未采用此種材料。��

　�。�5）高強砂漿和高強混凝土��

　　抗磨損性能略低于鋼纖維砂漿，但抗空蝕能力較好，且價(jià)格便宜，施工方便。在砂漿或混凝土中摻入20％的硅粉后，其抗磨損性能顯著(zhù)提高。經(jīng)綜合經(jīng)濟技術(shù)比較選用高強混凝土（并考慮摻入20％硅粉）作為底孔底板抗磨層，設計抗壓強度60MPa，抗磨層厚度10cm.對于邊墻由于混凝土澆筑比較困難，經(jīng)比較決定采用噴高強砂漿（摻入20％硅粉）作為抗磨層，設計抗壓強度50MPa，層厚5cm.在施工工藝上采用潮噴法。��

　　為實(shí)現底孔修復處理和改建，關(guān)鍵的施工問(wèn)題是上游圍堰。經(jīng)過(guò)研究，進(jìn)行了多方案比較，選定了用軟�；炷�土作為支座的鋼疊梁圍堰，于1984年10月試沉放成功，并長(cháng)時(shí)間地經(jīng)受了設計水頭的考驗。該圍堰利用底孔進(jìn)口斜門(mén)槽導向，由伸縮節連接鋼疊梁和導向架，在靜水中沉放，然后在圍堰與閘墩間隙內的錦綸帆布芯橡膠軟模中澆注混凝土作為支座并兼止水。圍堰高41m（共分7節）、寬5m，設計水頭40m.實(shí)踐證明該圍堰結構安全、止水可靠、操作方便、在國內是首創(chuàng )，國外也無(wú)先例，為此于1985年獲國家科技進(jìn)步一等獎，詳細情況可參見(jiàn)文獻［3］。��

　　6、結語(yǔ)��

　�。�1）通過(guò)底孔斜門(mén)槽改建，工作門(mén)槽改建及出口壓縮等改建工程，在水工模型試驗上獲得較滿(mǎn)意的效果，基本消除了所有空化現象，水流流態(tài)得到較大的改善，且節省大量工程投資。��

　�。�2）由于黃河泥沙含量大，顆粒硬且尖利。通過(guò)底孔的水流含沙量更大，且含有較多的推移質(zhì)，磨損破壞力相當強。因此，底孔的抗磨層要作到一勞永逸非常困難，即使在技術(shù)上能夠實(shí)現也將花費大量投資，在經(jīng)濟上是不合理的。采用高強混凝土和高強砂漿并摻入20％硅粉作為底孔抗磨層比較經(jīng)濟，且施工方便，并加強經(jīng)常性的維修和管理，發(fā)現磨損及時(shí)修補，基本能滿(mǎn)足抗磨要求，保證工程安全運行。��

　�。�3）泄流底孔修復和改建工程除上述的斜門(mén)槽和工作門(mén)槽改建，出口壓縮和底板及邊墻修復外，還有原進(jìn)口檢修閘門(mén)改為事故檢修閘門(mén)和相應的啟閉設備的改建和完善，以及單層孔在進(jìn)口設置通氣孔、雙層孔的兩道工作閘門(mén)配備專(zhuān)用啟閉設備（即一門(mén)一機）等改建項目。��

　　參考文獻：��

　�。�1］水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)所。三門(mén)峽水利樞紐底孔門(mén)槽水工模型試驗報告［R］.1983

　�。�2］黃委會(huì )科研所。三門(mén)峽雙層泄水孔門(mén)槽減（常）壓模型試驗報告［R］.1985�豹�

　�。�3］水利部天津勘測設計院�秉S河三門(mén)峽水利樞紐泄流工程二期改建初步設計說(shuō)明書(shū)［R］.1986�豹�

　�。�4］黃委會(huì )科研所，上海交通大學(xué)，中國船舶科學(xué)研究中心。三門(mén)峽水利樞紐5號底孔原型噪聲測試報告［R］.1989�豹�

　�。�5］魏永暉，胡德祥�秉S河三門(mén)峽水利樞紐底孔的破壞和修復設計。