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1、1三峡工程水建筑物抗冲磨防空化设计摘要：泥沙对三峡工程泄水建筑物的冲磨没有葛洲坝那么严重，但由于目前我们对泥沙冲磨的规律的认识还有待深化，所以有些部位还是应作抗冲磨防空化设计。 关键词：三峡工程 建筑物 抗冲磨 防空化 1 泄水建筑物抗冲磨特征1.1 抗悬沙冲磨设计水流挟带泥沙磨蚀泄流建筑物表面，与抗冲磨层厚度，冲磨的时间，检修的时间间隔和抗磨材料的强度有关，在相同的检修时间内，抗冲磨层厚度又与冲磨材料的强度成反比。根据泄水建筑物特征，拟定检修年限内要求抗冲磨强度，按下式计算：R24KnT/(1)式中：R抗冲磨强度(h/cmm2)，即单位面积上磨蚀 1cm 深所需的小时数。也可以用磨损率表示：
2、单位面积上单位小时磨去的深度(cm/hm2)，目前的试验都是把磨去的深度用重量(kg)表示；T一年内冲磨天数，对于径流电站来说冲磨天数为大于河流造床流量的泄洪天数；N检修年限；K安全系数 2；抗磨层厚度以 cm 计。混凝土抗冲磨强度与混凝土抗压强度、水流流速、水中挟沙量，四者的关系如下式：RR01.25/p0.396Vl.38(2)式中：R0混凝土抗压强度；P水中挟沙量以计；V水流流速(m/s)；R同前。2此次笔者根据葛洲坝水利枢纽抗冲磨设计和运行情况，对(2)式中的一个指数作了修改。将(1)、(2)式合并如下：R01.2524KnTP0.396V1.38/(3)1.2 抗石渣、推移质的冲磨设
3、计石渣、推移质对泄水建筑物表面的冲磨与石渣和椎移质的数量、水流流速、冲磨的时间、抗冲磨的材料强度、冲磨层厚度等有关。根据葛洲坝水利枢纽运行经验，石渣和石块对泄水闸水底板表面混凝土冲磨的规律性，分析后得出如下关系式Y=0.00024G(4)式中：Y冲磨深度(cm)；G石渣量(t)；若 G 为一年的数则 Y 为一年的冲磨深度。石渣、推移质对侧壁的冲磨，在距底板 2.0m 以上的，不冲磨或有很少冲磨。底板抗磨层厚度，根据检修年限内石渣量、椎移量，按(4)式计算抗磨层厚度。由于石渣和推移质在水下运行规律不是均匀分布的，目前尚未完全掌握，因此应有一定安全余度。取安全系数为 2.0。2 三峡工程泥沙特征长
4、江三峡枢纽坝址处，现在多年平均输砂总量为 5.3 亿 t，其中粗砂为6000 万 t，推移质 50 万 t。一年内汛期输砂量占全年的 70%以上。根据计算三峡水库运行 10、30、50、70、90 年平均每年进入坝区的悬移质沙量分别为 1.67、1.89、12.803、3.743、4.10 亿 t。水库运行 20、30、60、90年进入坝区河段泥沙级配的中值粒径分别为 0.010、0.012、0.021、0.025mm。建坝前多年平均中值粒径为 0.0313mm。从模型试验成果看，水库运行 30 年，长江科学院、南京水科院和清华大学的三个模型泥沙淤积成果基本一致，淤积量很少。运行 50 年，三
5、个模型相差 1倍。其次水库运行 30 年和 50 年后各加一次 1954 年大水大沙年，实属苛刻。其三，计算和模型试验均未考虑上游建库水土保持，减少泥沙来源的工程措施。金沙江年输沙量为宜昌的 47.2%，嘉陵江为 25.7%，眠江为 10.1%，乌江为5.8%，横江为 2.6%。随着社会的发展泥沙会逐渐减少。(1)国家电力政策实行一条江河水电滚动开发，在三峡上游干流和交流上将3兴建一系列水电枢纽的梯级开发。如金沙江上游不只是只有向家坝、溪洛渡两个枢纽，而是还有很多个高坝枢纽。大部分泥沙拦在水库内。其他支流也是如此。美国哥伦比亚河和田纳西流域也都用几十年的时间建成梯级水电枢纽一个接一个。(2)坡
6、地开荒是水土流失的主要原因之一。50 年代坡地禁止开荒，进行水土保持，与农民生活有直接的矛盾，所以禁而不止。现在的政策鼓励农民进行小流域和荒山荒坡地治理与农民的致富联系在一起，因而得到农民的支持积极参与，又得到国家和社会上的支持帮助，到那时泥沙基本不出沟，进入大江大河的泥沙就大大减少。现在不是 50 年代，不会再出现三门峡枢纽在泥沙上的问题的教训。(3)在三峡工程建成后 30 年内我国经济在高速发展。现在就有财力、人力、兴建三峡工程，几十年后，国家更有巨大的财力、人力在上游干支流上兴建更多的水利水电工程、植树造林、水土保持和小流域治理。(4)国家的环保政策不允许国家大面积的水土流失。总之，现在
7、国家和社会正在集中财力、人力兴建三峡工程，在上游正在植树造林和小流域治理。上游泥沙输移量逐渐减少，几十年后干支流上水电枢纽开发完成了，水土保持也作好了，小流域治理了，不会有泥沙下来。就是按上游任何水库都不兴建，也不植树造林，也不小流域治理，现在的泥沙输移量作泥沙模型试验，在三峡工程建成后 30 年不产生淤积。50 午后，两个泥沙模型试验的结果表明每年平均淤积 2521 万 m3，一个泥沙模型试验结果淤积 80 万 m3。现在仍按沙模型试验的泥沙条件作抗冲磨设计。3 泄水建筑物及泄水特征3.1 泄水建筑物布置(1)表孔共 22 个，堰顶高程 158.0m，尺寸 8.017.0m。挑流消能挑坎高程
8、110.0m，挑坎半径为 30.0m。(2)深孔共 23 个，进口高程 90.0m，尺寸 7.09.0m。上游 18.74m 长为有压段，下游 90.76m 长为明流段。挑流消能挑坎高程 75.57m，挑坎半径为40.0m。(3)导流底孔共 22 个，尺寸 6.08.5m。进口高程 56.0m，出口高程55.07m，有压长管段总长 110.0m。(4)排漂孔共 3 个，进口高程 133.0m，尺寸 10.012.0m。其中一个尺寸为7.04.0m，进口高程 139.0m。挑坎高程 81.0m。(5)冲沙孔共 7 个(左岸 3 个右岸 4 个)，进口高程 75.0m，尺寸4.07.0m。其中右边
9、一个尺寸为 5.57.5m，孔身直径 5m。3.2 泄水建筑物运用条件2002 年 12 月第三期截流后水从导流底孔泄，2003 年 6 月 1 日15 日关部分导流孔蓄水。水位从 69.0m 蓄到 135.0m。从此到 2007 年，水从导流孔和深孔按以下两种方式下泄：以深孔为主，泄量不足时导流底孔帮助。以导流孔为主，泄量不足时深孔帮助。2007 年以后库水位从 135.0m 蓄到正常高水位 175m，每年泄洪首先使用深孔，当泄量不足时再开表孔，这种开门程序是由于表孔堰顶高程 158.0m 高于防洪下限水位 145.0m。4 抗冲磨防空蚀设计4.1 抗冲磨设计(1)表孔堰顶高程 158.0m
10、，防洪下限水位 145.0m，百年洪水位 166.0m，千年洪水位 169.0m，万年加 10%洪水位 180.4m。分析在百年洪水以下的年分，每4年使用表孔泄水天数不足 10 天，反弧段最大流速 40.0m/s。长江天然河道水深10.0m 左右时，水中上部含沙量为 0.5kg/m3，表孔泄水含沙量肯定小于0.5kg/m3，以此来计。设抗磨层厚度 40.0cm 并按前述式计算，不需要高标号抗磨混凝土。但考虑到泥沙，冲磨和水流冲刷后表面不平整度较小，有利于防空化，还是采用 R2840MPa 混凝土。(2)深孔的悬沙冲磨，每年深孔泄水天数 90 天，反弧段最大流速40.0m/s，设计抗磨层厚 50
11、cm，按式计算混凝土 R047.8MPa，采用高标号抗冲耐混凝土 R28=45MPa 混凝土。100 年后粗砂淤到坝前，由排沙孔排出。(3)导流孔使用年限 5 年，截流后蓄水前使用时间为 4 个月。蓄水发电期间每年使用天数为 10 天或 90 天。截流后孔内最大流速 8.2m/s，T=180 天，P0.02%，50cm，按式计算抗悬沙冲磨不需高标号混凝土。发电期间泄洪多用深孔，导流孔每年使用天数 10 天，孔内最大流速V30.0m/s，P=0.02%，50cm，计算结果不需高标号混凝土。发电期间泄洪多用深孔，导流孔每年使用 90 天，按前述的参数并用式计算混凝土标号 R2843.7MPa，取
12、R2840MPa。万一某个导流孔冲磨严重可及时关门检修，泄洪能力不足时可开一个深孔泄洪。粗砂、推移质冲磨问题，初期蓄水 5 年没有下来，故不存在此问题。块石冲磨问题，上游横向围堰折除高程 5756m，距坝 100m 左右，坝的建基面高程 10.0m，第 23 坝段建基面高程为 40.0m，导流孔进口高程 56.0m，因此认为水流挟带围堰上的石渣到坝前，但不会经导流孔到下游。第 23 坝段的第 22孔可能有个别石渣经孔过坝。(4)排沙孔，枢纽建成 100 年后粗砂、推移质从上游库尾推进到坝前。淤积高程超过排沙孔进口高程 75.0m，排沙孔排沙，坝前形成泥沙漏斗状，从排沙孔进口高程 75.0m 向
13、上游，向左、右两边均以 1：10 的坡向上。当上游泥沙又推进到坝前，把泥沙漏斗填满时，再次排沙。葛洲坝每年汛后用冲闸拉走上游航道内的泥沙，每次拉沙时间 12 小时。三峡排沙孔是用进口较低的排沙孔排走库底的泥沙与葛洲坝的拉沙有所不同，又无实际排沙所需时间的经验，因此按每次排沙时间 3 天，每年 2 次。三门峡拉沙时，拉沙水流的含沙量达到 700kg/m3。计算中 V20.0m/s，50.0m，按式计算混凝土标号 R28=42.28MPa 取 40MPa。(5)排漂孔同表孔。(6)门槽冲磨，表孔工作门槽、检修门槽和排漂孔的检修门槽附近水流流速较小，而且沙量又很小，不计泥沙对门轨的磨损。深孔、导流孔
14、事故门门槽上游检修门，泥沙对闸门重轨产生磨蚀，虽可及时检修，但也增加很多难度，故将闸门重轨硬度提高一级。4.2 防空化设计(1)表孔在高程 125.0m 处水流空蚀数 0.3，设掺气槽。保护以下泄流表面和反弧段，表面不平整度控制在 4mm 以下。在高程 125.0m 以上，控制在3mm 以下。(2)深孔明流段最大流速 40.0m/s，水流空蚀数 =0.15，在有压段出口设突跌掺气。跌差 2.0m，表面不平整度控制在 4mm 以下。有压段空化问题，用出口压坡形式增加表面时均压力以防空化。(3)导流孔和排沙孔都是有压泄水孔，用出口压坡形式增加表面压力防空化，无钢衬的部位表面不平整度控制在 6mm 以下。5(4)排漂孔最大流速 40.0m/s，表面突体控制在 3mm 以下。6 结束语泥沙对三峡工程泄水建筑物的冲磨没有葛洲坝那么严重，但由于目前我们对泥沙冲磨的规律的认识还有待深化，所以有些部位还是应作抗冲磨防空化设计。参考文献l 黄国强葛洲坝枢纽二江泄水闸抗冲磨设计人民长江，1986(6)2 陈万桂，张远曙水工混凝土抗冲磨试验研究人民长江，1984(4)3 王忠诚，许春云葛洲坝二江泄水闸汛期磨损及首次检修人民长江，1983(1)
