孙双科，周 胜，时启燧
(中国水利水电科学研究院水力学所)

　　三峡工程的泥沙问题一直是倍受关注的重要课题，在论证阶段就曾引起广泛重视。几十年来，国内多家科研单位采用泥沙模型试验与数学模型分析计算相结合的方法进行了大量的研究工作，取得了丰硕成果^[1]。然而，这些研究主要致力于解决库区及引航道内外的泥沙冲淤问题，对于泄水建筑物尤其是泄洪深孔的泥沙磨损问题涉及很少。含沙水流对泄水建筑物的磨损破坏一直是水电站建设与运行管理中急待解决的重要问题之一，根据国内多座水电站的运行经验，泄水建筑物包括电站机组遭受泥沙磨蚀破坏的实例不在少数，有的还十分严重^[2，3]。如黄河干流上的刘家峡、八盘峡、三门峡等水电站，其泄水建筑物都因长期遭受悬移质泥沙磨损而破坏；而长江流域的葛洲坝、龚嘴、映秀湾等工程也一直存在推移质泥沙磨损问题。

　　深孔是三峡水利枢纽中最重要的泄水建筑物，23个泄洪深孔担负着枢纽大部分泄洪任务，运用频繁，其工作水头为45m～90m，过流流速高，加之三峡水库采用“蓄清排浑”方式运行，随着运行年限增长，深孔过流的泥沙含量将逐年增加，泥沙对深孔的磨损问题不容忽视。另一方面，由于三峡泄洪深孔采用跌坎掺气体型布置以减免空蚀破坏，含沙水流的冲蚀与磨损问题将更为突出，尤其在底板射流冲击区可能遭受的磨损要更大一些，这一问题虽然早已引起设计与科研方面的关注，但鉴于影响因素众多、问题比较复杂，目前对该问题的认识尚停留在定性分析阶段，迫切需要进行必要的定量预测研究。

1 泥沙磨损的影响因素及其定量估算方法

1.1 泥沙磨损机理分析 泥沙在水流中有悬移质与推移质两种存在形式，其对泄水建筑物的磨损机理也不尽相同^[3]。悬移质泥沙以悬浮状态随水流运动，由于颗粒细小，在高速水流中往往会得到充分掺混而与水流保持相近的运动速度，因此，悬移质泥沙对过流建筑物的磨损一般比较均匀，磨损部位往往是整个过流边界。从泥沙磨损的形成过程看，含悬移质泥沙的高速水流常常先剥离混凝土表面的砂浆层，然后淘刷细骨料，待细骨料被水流冲走，粗骨料裸露而形成凹凸不平的磨蚀坑时，在过流表面会形成各种类型的漩涡运动，使磨损作用加剧。而磨蚀坑的加深又进一步恶化水流条件，加速磨损破坏进程。可见，悬移质的磨损过程实际上是一个恶性循环过程，在此过程中，实际上也包含了因水流条件恶化引起的空蚀破坏。推移质泥沙对泄水建筑物的磨损破坏除具有与悬移质类似的磨损作用外，还有颗粒以不同的轨迹或角度碰撞、冲击或磨削过流面，其磨损破坏作用的大小取决于流速、流态、推移质数量、粒径、硬度、运动方式等多方面因素的影响，还与过流时间、建筑物体型、材料的抗冲耐磨性能有关。由于重力作用的影响，推移质对泄水建筑物的磨损破坏往往以底边界为甚。

1.2 泥沙磨损的定量估算方法 由于推移质泥沙对泄水建筑物的磨损资料很少，远未达到可进行定量分析的程度，加之在三峡深孔设计所依据的宜昌水文站实测泥沙资料中，推移质含量远远少于悬移质，仅在后者的2%以下。因此，作为初步研究，本文仅对三峡深孔的悬移质泥沙磨损进行定量预测。

　　悬移质泥沙对泄洪建筑物边壁的磨蚀作用取决于水力因素与泥沙因素。前者包括水流流速、过流历时、水流掺气、流态等；后者包括泥沙含量、颗粒级配、形状、矿物质含量及硬度、以及泄水建筑物边壁材料的抗磨性能等。

　　一般认为，悬移质泥沙磨损深度与下列因子呈比例关系：

式中：δ为泥沙磨蚀深度(mm)；S为含沙量(kg/m³)；V为过流流速(m/s)；D为泥沙粒径(mm)；T为过流历时(h)；R为混凝土强度；K为系数，反映泥沙颗粒特性包括级配、形状、比重、硬矿物含量及硬度等的影响。泥沙颗粒形状越尖利，磨蚀越重。研究表明^[2]，尖角形、棱角形、圆状形沙粒的磨蚀能力之比约3∶2∶1.另外，泥沙中硬矿物成分越多，硬度越大，对过水边壁的磨损也越严重。

　　根据前人的研究成果^[3，4]，式(1)中各参数的大小为：m=0.7～1.0，n=2.7～3.2，p=-1.105，α=β=1.0.可见，在影响泥沙磨损深度的众多因素中，以过流流速的影响最为显著，大约为3次方关系；而在相同的材料强度条件下，泥沙磨蚀强度与含沙量、颗粒粒径及过流历时成线形关系。

　　在式(1)中，取m=1.0，n=3.0,p=-1.105，α=β=1.0^[3]，则可写出泥沙磨损深度的定量关系式为：

　　一般而言，泄水建筑物在易遭泥沙磨损的泄流表面均采用抗冲耐磨材料，不同的抗冲耐磨材料，其Ｒ值也不同。若将R值的影响计入综合系数中，则式(2)可进一步简写为：

上式中C为综合系数，反映泥沙颗粒特性与过流面的抗磨性能的综合影响。可见，要定量估算三峡深孔泥沙磨损深度必须知道式(3)中的各物理量。

　　三峡深孔的年平均运行历时可由下述方法估算：首先根据年发电量估算通过电站机组的年耗水量，然后假定余水皆由深孔宣泄，估算通过深孔的年过流量，进而计算出深孔的年平均运行历时。

　　三峡水库“蓄清排浑”的中水年调度方式见图1^[5]，可见三峡水库的年平均库水位约为160m，在该水位下电站机组的单机流量为925m³/s^[6]根据三峡水电站发电机组单机容量为70万kW及年发电量为846.8亿kWh，可计算出电站机组的年过水量为4028亿m³.考虑到三峡水电站的多年平均年径流量为4500亿m³，若不计表孔、排漂孔、冲沙孔及船闸用水量，则通过23个深孔的年径流量为472亿m³。

　　在上游水位145.0m工况下，深孔的单孔泄量为1647m³/s，由此可粗略估算出三峡泄洪深孔各孔的年平均运用历时为346h.

3 三峡工程泥沙及深孔运行期输沙能力

　　三峡水库入库径流量及沙量主要来自金沙江，宜昌站年平均径流量4500亿m³，输沙量5.3亿t，平均含沙量1.20kg/m³.径流量与输沙量年内分配不平衡：径流量，汛期6月～9月占63.4%，10月占11.3%，其余月份占25.3%；输沙量，汛期6月～9月占88.9%，10月占6.2%；其余月份占4.9%.三峡水库的来沙以悬移质为主，推移质输沙量约在悬移质的2%以下。以寸滩站为例，悬移质年输沙量为46500万t，卵石推移质年输沙量仅为28.2万t；同样在宜昌站，悬移质年输沙量为53000万t，而卵石推移质年输沙量为75.7万t，沙质推移质年输沙量为863.0万t.

　　实测资料表明，宜昌站与寸滩站的悬移质大部分为细颗粒，宜昌站的中值粒径d₅₀=0.034mm，寸滩站的中值粒径d₅₀=0.036mm；宜昌站的年输沙量中，粒径大于0.1mm的沙粒占总量的11.2%，在寸滩站粒径大于0.1mm的沙粒占总量的14.1%^[7]。

　　三峡水库全长600km，平均宽1.1km，属典型的‘河道型水库’，由于长江泥沙主要集中在汛期，为减少库区的泥沙淤积，三峡水库的运行采用‘蓄清排浑’方式，汛期库水位降低至145m，利用泄洪坝段深孔充分泄洪排沙。

　　1/50比尺坝区泥沙水工模型试验成果表明^[8](以枢纽总下泄流量55900m³/s为例)，枢纽运行30年，深孔过流的含沙量为1.62kg/m³，泥沙中值粒径为0.0131mm；枢纽运行50年，深孔过流的含沙量为3.02kg/m³，泥沙中值粒径为0.0227mm；枢纽运行至1989年，由于沙卵石推移质仍未运行到坝区河段，过坝泥沙仍为悬移质，深孔过流的含沙量为5.12kg/m³，泥沙中值粒径为0.034mm.深孔过流的含沙量与泥沙中值粒径有随运行年限增大的趋势。在枢纽运行更长时间后，推移质开始通过深孔。

4 三峡深孔悬移质泥沙磨损程度的定量估算

　　鉴于泥沙磨蚀问题的复杂性，要定量地确定三峡深孔的泥沙磨损深度有很大困难，特别是式(3)中的综合系数Ｃ难以确定。目前较为可行的办法是利用与三峡工程类似的其它工程的原型观测资料，再考虑具体影响因素的不同，对三峡工程进行类比分析。

4.1 刘家峡水电站泄水道的泥沙磨损问题及其定量分析 刘家峡水电站泄水道设于主坝左端，承担泄洪、排沙、排污和向下游供水任务。进口设有两孔3m×8m平板门，压力短管后接明渠及弯道，平面宽8m，全长239m，出口最大流速达38.6m/s.该工程自1968年10月至1989年底，共运行39782h，泄水总量835.05亿m3，累计排沙量10595万t，表1列出了泄水道的运行情况统计资料^[9]，表中同时给出了通过泄水道泥沙的中值粒径。根据泄水量、泄水历时及排沙量计算了1^#、2^#泄水道过流的平均流速V₁、V₂与含沙率S，也列在表中。

　　该泄水道在1980年以前每隔两年检修一次，从1982年开始，每年检修一次，历次检修均在汛前进行，大多采用环氧砂浆与干硬砂浆进行修补。多年检查结果表明，泄水道磨蚀破坏十分严重，尤其是1981、1984、1985、1988年进行低水位拉沙运行时，过流泥沙颗粒较粗，含沙量高，更加剧了泥沙磨损破坏。如1985年汛后检查发现，底板呈沟槽麻面或护层骨料外露，其面积约占底板面积的95%；导墙与底板空蚀严重，个别蜕位钢筋外露达30cm，空蚀连续破坏区达80m²，深度达10cm～15cm.可见，泥沙磨损直接导致了空蚀破坏。

　　根据泄水道过流面历年检查记载的磨损厚度δ与对应的过流历时T、水流流速V、含沙量S以及泥沙中值粒径D₅₀，综合列于表2，并由式(3)估算出刘家峡泄水道的综合系数C。应当指出的是，表2中采用的磨损厚度δ代表的是大面积破坏区域的平均磨损深度，而最深磨蚀深度系由空蚀作用引起，不宜采用。计算结果表明，对刘家峡泄水道而言，综合系数约为3×10^-6～9×10^-6。

表1 刘家峡水电站泄水道运行情况统计