水工泄水結(jié)構(gòu)的抗磨防蝕設(shè)計(jì)探討

張 磊

我國(guó)是個(gè)河流多沙的國(guó)家,在眾多河流中,有42條多年平均年輸沙量在1000萬(wàn)t以上,年最大輸沙量超過(guò)1000萬(wàn)t的河流有60多條,含沙水流對(duì)水工泄流建筑物的沖刷磨損破壞已引起人們的高度重視。同時(shí),隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升以及新建水庫(kù)自然條件的愈加惡化,我國(guó)在建和待建的高壩泄水建筑物所涉及的水流流速越來(lái)越大,高速含沙水流的沖刷磨損和空蝕破壞問(wèn)題越來(lái)越突出,直接關(guān)系到樞紐工程的安全。雖然,這方面的研究工作已經(jīng)很多,但由于問(wèn)題的復(fù)雜性,人們往往對(duì)同一問(wèn)題的看法出入很大,甚至完全相反。工程設(shè)計(jì)中,更是缺少一套科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、針對(duì)性很強(qiáng)的規(guī)范性文件作為支持,導(dǎo)致在含沙高速水流環(huán)境下,一些水工泄水結(jié)構(gòu)的防沖抗磨抗蝕設(shè)計(jì)方案,往往很難達(dá)到預(yù)期的效果,有的甚至運(yùn)行時(shí)間很短就發(fā)生磨蝕破壞,而有的則因?yàn)樵O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)高,帶來(lái)很大的資金浪費(fèi)。設(shè)計(jì)中的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)水利行業(yè)缺少專門(mén)的水工混凝土抗沖磨防空蝕技術(shù)規(guī)范。當(dāng)前用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)的主要是電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T5207—2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》,而該規(guī)范在用于水利工程的抗沖磨防空蝕設(shè)計(jì)時(shí),往往表現(xiàn)出很多不足,如對(duì)混凝土的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)僅僅局限于其強(qiáng)度指標(biāo),導(dǎo)致評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不全面、不科學(xué),按此執(zhí)行,很難達(dá)到滿意的效果;還有對(duì)影響混凝土抗沖磨防空蝕的關(guān)鍵因素考慮不全,對(duì)部分關(guān)鍵因素沒(méi)有給予足夠的重視,過(guò)分強(qiáng)調(diào)個(gè)別性能而忽視其它性能,甚至忽視關(guān)鍵性能等。

(2)同樣環(huán)境選擇不同方案。鑒于對(duì)含沙高速水流沖磨空蝕的理解存在出入,即使同一河流的上下游工程,處理方式常常存在很大區(qū)別。如在丹河上修建的東焦河水電站,設(shè)計(jì)單位為晉城市水利設(shè)計(jì)院,其沖沙底孔四周只是采用C25混凝土襯砌,而在距其下游近5km的圍灘水電站(沖沙底孔最大工作水頭39.5m,最大水流流速22m/s,泥沙含量很少),晉城市水利設(shè)計(jì)院在初設(shè)時(shí)采用了與東焦河相同的處理辦法。山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院在變更設(shè)計(jì)中,不僅考慮了結(jié)構(gòu)抗沖磨防空蝕的要求,而且將邊壁材料要求為HFC40W6F150,厚度為100cm。由此可見(jiàn),認(rèn)識(shí)不同,方案區(qū)別很大,資金投入也有很大出入。

(3)不同環(huán)境下方案選擇的隨意性強(qiáng)。主要表現(xiàn)在一些大型泄水工程,水流含沙量也很大,但經(jīng)過(guò)分析,認(rèn)為沖磨與空蝕的影響很小,選擇的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很低,甚至不考慮其影響,僅采用常態(tài)混凝土形成泄水構(gòu)筑物;而一些流速和含沙量均較小的工程,卻選擇了很高的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。另一方面表現(xiàn)在材料選擇的任意性上,或是效果不好,或是不能滿足設(shè)計(jì)使用年限的要求,或是過(guò)高地選擇材料標(biāo)準(zhǔn)造成護(hù)面價(jià)格過(guò)高。

(4)破壞部位的修復(fù)處理方法多樣,設(shè)計(jì)效果的驗(yàn)證資料少。當(dāng)前關(guān)于抗磨防蝕處理的結(jié)果多具有獨(dú)立性,共性、定性的結(jié)論很少,設(shè)計(jì)中可以直接借鑒的方案依據(jù)性不夠。

本文針對(duì)影響水工建筑物抗磨防蝕的各種因素,提出了個(gè)人的一些見(jiàn)解,希望對(duì)解決此類工程的設(shè)計(jì)問(wèn)題有所幫助。

1 沖蝕機(jī)理

通常認(rèn)為,含沙高速水流對(duì)水工泄流建筑物的磨蝕破壞分為磨損、沖擊、空蝕和流激振動(dòng)破壞等4種類型。

1.1 磨損

磨損是由于水流所夾帶的固體顆粒在結(jié)構(gòu)表面滑動(dòng)、滾動(dòng)和跳動(dòng)等直接產(chǎn)生摩擦的結(jié)果。含沙水流的磨損,屬于水沙二相流問(wèn)題,當(dāng)沙粒沖磨固體壁面材料時(shí),把一部分或全部能量傳遞給壁面材料,在材料表層轉(zhuǎn)化為表面變形能,從而造成材料的磨損。水流沖角的大小對(duì)磨損的結(jié)果影響很大,在含沙高速水流中,沖角小,以微切削破壞為主;流速較小,表現(xiàn)為大粒徑跳滾磨損形式,沖角大,以沖擊變形磨損為主。磨損的程度與水流速度、固體顆粒的含量、形狀、大小、硬度以及作用時(shí)間等因素有關(guān)。

1.2 沖擊

沖擊是由含沙高速水流中的推移質(zhì)顆粒的滾動(dòng)、跳動(dòng)作用引起的結(jié)構(gòu)表面的破壞形式。沖擊力的大小與水流速度、運(yùn)動(dòng)形式、所夾帶顆粒粒徑等有關(guān)。

1.3 空蝕

液體在恒溫下用靜力或動(dòng)力方法減壓到一定程度就會(huì)有充滿氣體與蒸汽的空泡出現(xiàn)并發(fā)育生長(zhǎng),即空化。液體流經(jīng)的局部區(qū)域,若壓強(qiáng)低于某一臨界值,液體也會(huì)發(fā)生空化。在低壓區(qū)空化的水流夾帶著大量的空泡,在流經(jīng)下游壓強(qiáng)較高的區(qū)域時(shí),氣泡發(fā)生潰滅,并伴生極大的壓力,大致為700mPa。如氣泡在結(jié)構(gòu)邊壁表面或其附近潰滅時(shí),將對(duì)結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生極大的沖擊力,以致引起破壞,即為空蝕。

通常認(rèn)為,混凝土的空蝕破壞,是由于空蝕的作用力將骨料從混凝土中拔出,尤其是大骨料的抗拔力更差,因此,混凝土對(duì)骨料的黏著力比其硬度更重要。

1.4 流激振動(dòng)破壞

高速水流紊動(dòng)強(qiáng)烈,形成作用于結(jié)構(gòu)壁面上的紊流脈動(dòng)壓強(qiáng),其合力構(gòu)成了作用于結(jié)構(gòu)上的激振力,有可能導(dǎo)致過(guò)流邊界的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。由于混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度較小,在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中,常引起疲勞破壞。

水工結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)與脈動(dòng)壁壓、結(jié)構(gòu)自身及其相互作用有關(guān)。減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的途徑主要從減小脈動(dòng)壁壓和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗振能力兩個(gè)方面入手。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),改變結(jié)構(gòu)的自振頻率,從而避開(kāi)能譜曲線上主頻率附近的高能區(qū),或控制振動(dòng)在允許的范圍內(nèi),成為解決流激振動(dòng)的有效措施。

2 影響水工結(jié)構(gòu)抗磨防蝕能力的因素

2.1 結(jié)構(gòu)體形

選擇合理的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)體形對(duì)提高水工泄流結(jié)構(gòu)的抗磨蝕能力至關(guān)重要,而且,一旦建筑結(jié)構(gòu)最終形成,希望提高或改善抗磨蝕能力在技術(shù)上往往很難,而且費(fèi)用也會(huì)大幅度增加。

對(duì)于流速很高、結(jié)構(gòu)作用重要或費(fèi)用占用比例較大的泄流構(gòu)筑物,如分水導(dǎo)墻等薄壁結(jié)構(gòu),可通過(guò)水彈性模型試驗(yàn),研究水流的脈動(dòng)壁壓作用,通過(guò)設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)體形,確保在動(dòng)態(tài)環(huán)境下,對(duì)結(jié)構(gòu)的共振得到控制,從而解決流激振動(dòng)破壞問(wèn)題。

合理的過(guò)流邊壁體形對(duì)控制含沙高速水流的沖磨和空蝕也是有利的。為防止泄水構(gòu)筑物過(guò)流邊壁發(fā)生空蝕,最根本的措施是改進(jìn)邊界的輪廓形態(tài),使泄水運(yùn)行時(shí)各部位的水流空化數(shù)大于其初生空化數(shù)。此外,考慮到組成水流空化數(shù)數(shù)值中過(guò)流斷面邊壁時(shí)均動(dòng)水壓力水頭即測(cè)壓管水頭的影響,在泄水構(gòu)筑物選項(xiàng)和水力設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注意沿程動(dòng)水壓強(qiáng)的分布,限制測(cè)壓管水頭出現(xiàn)負(fù)壓的范圍和絕對(duì)值,以間接限制過(guò)小的水流空化數(shù)。

2.2 抗沖蝕材料

當(dāng)前,用于泄水構(gòu)筑物面層的抗磨蝕材料很多,一般說(shuō)來(lái),抗空蝕性能好的材料抗磨蝕能力也較強(qiáng)。材料的硬度對(duì)抗磨蝕性能至關(guān)重要,而一定的材料韌性,可以吸收一部分沖擊能量,并相應(yīng)減小因疲勞而引起的斷裂破壞。常用抗磨蝕材料有:(1)混凝土類:包括高標(biāo)號(hào)混凝土、鋼纖維混凝土、微纖維多元復(fù)合混凝土、聚合物混凝土、硅粉混凝土、HF混凝土等;(2)護(hù)面板材類:包括輝綠巖鑄石板、鋼板、高鋁陶瓷等;(3)砂漿類:包括鋼纖維砂漿、聚合物砂漿、硅粉砂漿、環(huán)氧砂漿等;(4)抗沖蝕涂層:包括聚氨酯改性雙組分環(huán)氧樹(shù)脂材料、聚脲彈性體材料、雙組分聚氨基甲酸乙脂合成橡膠等。鑒于高速水流對(duì)建筑物沖蝕破壞作用的復(fù)雜性,在選擇抗沖蝕材料時(shí),應(yīng)考慮水流的具體特征,對(duì)不同材料方案進(jìn)行多方面的分析和比較,且不可照搬硬套。

2.3 摻氣減蝕抗磨

空化水流是造成泄水結(jié)構(gòu)壁面空蝕破壞的主要原因,利用人工摻氣改變來(lái)流狀態(tài)從而防止空蝕的技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外一些工程中得到應(yīng)用,并取得了顯著效果。有研究表明,人工摻氣有助于提高邊壁材料抵抗含沙高速水流磨蝕的能力。

2.4 施工技術(shù)

前已述及,保持泄流結(jié)構(gòu)壁面一定的平整度,對(duì)減少空蝕有益;同時(shí),不同的抗沖磨材料,對(duì)施工技術(shù)都有相應(yīng)嚴(yán)格的要求,否則,很難達(dá)到預(yù)期的效果,而在施工工藝方面,目前人們的關(guān)心程度還不夠,致使新建工程往往留下許多質(zhì)量隱患。

3 水工泄水結(jié)構(gòu)的抗磨蝕設(shè)計(jì)

3.1 方案的確定

3.1.1 根據(jù)水流具體情況選擇抗磨蝕方案

水工泄水結(jié)構(gòu)的抗沖磨防空蝕是涉及到多個(gè)學(xué)科的復(fù)雜問(wèn)題,影響的因素很多,而且對(duì)一些因素的研究還不夠深入,因此,必須對(duì)具體工程、具體條件進(jìn)行具體分析,確定出適宜本工程的方案。規(guī)范是設(shè)計(jì)指南,但不是絕對(duì)的、剛性的。設(shè)計(jì)中既要遵循規(guī)范中的某些禁止和強(qiáng)制性條款,同時(shí)要擺脫規(guī)范的約束,做到靈活運(yùn)用,否則,往往造成事與愿違的結(jié)果。

水流流速、含沙量及組成的影響。研究表明,不同的水流流速、含沙水流中懸移質(zhì)與推移質(zhì)的質(zhì)量比例、推移質(zhì)顆粒大小等對(duì)泄水構(gòu)筑物的磨蝕影響不同。黃河上一些水利樞紐經(jīng)若干年運(yùn)行后檢查發(fā)現(xiàn),在流速降到15m/s以下時(shí),含沙水流對(duì)混凝土的沖磨作用較小。國(guó)內(nèi)幾個(gè)遭受空蝕破壞的泄洪洞典型實(shí)例表明,泄洪洞發(fā)生空蝕破壞具有如下特點(diǎn):(1)水頭高:在94～155m之間;(2)流速大:在38～49m/s之間;(3)水流空化數(shù)很低,均小于0.15。高速水流的動(dòng)水壓力和脈動(dòng)壓力可能造成結(jié)構(gòu)和混凝土破壞,其表現(xiàn)有時(shí)與磨蝕破壞相似,不容易被發(fā)現(xiàn)和重視,需要通過(guò)優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)來(lái)控制。

工程運(yùn)行方式的影響。含沙水流磨蝕泄流構(gòu)筑物表面的抗磨蝕能力與沖磨的時(shí)間、檢修周期和抗磨材料的強(qiáng)度等有關(guān)。泄流構(gòu)筑物的運(yùn)行方式不同,需要選擇不同的抗沖磨設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于間歇性運(yùn)行的工程,結(jié)構(gòu)壁面抗磨蝕材料厚度可以減小,同時(shí),因?yàn)橛凶銐虻臋z修時(shí)間,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)降低,以減少工程費(fèi)用。

3.1.2 合理選擇泄水構(gòu)筑物體形

在水流流速和泥沙含量相對(duì)較低的情況下,合理的泄水構(gòu)筑物體形對(duì)抵抗水流沖蝕破壞的效果很明顯,有時(shí),甚至可以不考慮專門(mén)的磨蝕材料設(shè)計(jì)。對(duì)于矩形門(mén)槽、消能工等局部流態(tài)復(fù)雜的部位,合理的體型對(duì)減緩空蝕、沖磨破壞至關(guān)重要。

3.1.3 摻氣減蝕抗磨技術(shù)

實(shí)踐表明,流速超過(guò)35～40m/s的高水頭泄水構(gòu)筑物,僅靠改進(jìn)過(guò)流邊界體型、提高施工水平以及提高材料強(qiáng)度等來(lái)減蝕抗磨是很困難的,同時(shí),費(fèi)用上也是不合理的,而水流邊界摻氣的措施是有效和積極的措施。關(guān)于摻氣濃度以及減蝕保護(hù)長(zhǎng)度,目前只能依賴原型觀測(cè)積累的經(jīng)驗(yàn)確定。林炳南教授指出,只要有不到6%的摻氣濃度,即可防止40m/s流速下,不平整度2cm的混凝土空蝕問(wèn)題。

3.1.4 杜絕以材料定方案

當(dāng)前,一種不好的情形是根據(jù)材料選擇抗磨蝕方案,即借鑒其他項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn),不論本工程的具體條件是否一致,照搬套用。對(duì)于具體的工程,表現(xiàn)為材料選擇的隨意性較大,導(dǎo)致不能選擇出經(jīng)濟(jì)而有效的抗沖耐磨材料,同時(shí),預(yù)期效果也往往難以達(dá)到。

3.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定

3.2.1 混凝土抗沖磨強(qiáng)度與厚度

抗沖磨混凝土的厚度可按下式估算:

式中 R——抗沖磨強(qiáng)度,即單位面積上磨蝕1cm深所需的小時(shí)數(shù);

T——1年內(nèi)沖磨天數(shù),對(duì)于徑流電站來(lái)說(shuō)沖磨天數(shù)為大于河流造床流量的泄洪天數(shù);

n——檢修年限;

K——安全系數(shù)2;

δ——抗磨層厚度,以cm計(jì);

R0——混凝土抗壓強(qiáng)度,MPa;

p——水中挾沙量,以%計(jì);

V——水流流速,m/s。

但考慮工程正常運(yùn)行的需要,在沖磨達(dá)到一定深度時(shí),工程的安全將存在很大隱患,或效益損失很大,必須進(jìn)行維修,所以,按上式計(jì)算得到的混凝土厚度需要根據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,或者明顯不合理時(shí),重新選擇設(shè)計(jì)方案。

3.2.2 混凝土抗壓強(qiáng)度與抗沖磨防空蝕性能

如式(2),混凝土的抗壓強(qiáng)度對(duì)混凝土抗沖磨和防空蝕性能的影響很大,但大量研究表明,影響因素還很多,如水灰比、骨料種類及配比、拌合稠度以及表面處理工藝等。一般認(rèn)為,C25強(qiáng)度以上的混凝土才具有一定的抗空蝕性能,抗壓強(qiáng)度達(dá)到C40以上時(shí),普通混凝土在流速30m/s情況下,已難免空蝕;因此,不必過(guò)分地依靠提高混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)改善其抗沖蝕性能。

3.2.3 混凝土的抗沖磨性能與耐久性

混凝土的磨蝕破壞往往伴隨著其他的破壞形式,亦即混凝土的碳化、滲透、凍融等效應(yīng)同時(shí)對(duì)混凝土的抗磨蝕能力產(chǎn)生影響;因此,在進(jìn)行泄流結(jié)構(gòu)的抗磨蝕設(shè)計(jì)時(shí),不能僅僅考慮其強(qiáng)度指標(biāo),而忽略了其他與耐久性相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.3 柔性抗沖磨噴涂技術(shù)

DL/T5207—2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定,抗沖磨混凝土側(cè)墻厚度不宜小于20cm,底板厚度不宜小于30cm;過(guò)流表面的不平整度處理標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)水流空化數(shù)確定,當(dāng)水流空化數(shù)在0.1～0.6之間時(shí),突體高度控制在6～12mm,突體上游坡度為1/10,下游坡度為1/8～1/5,側(cè)向坡度為1/4～1/2。為確保工程安全,許多項(xiàng)目在實(shí)際選用時(shí),往往都對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行了提高,如新安江水電站對(duì)溢流壩面不平整度限制在3mm以下,平行水流坡度不大于1%(當(dāng)流速大于25m/s時(shí)),垂直水流坡度不大于2%(當(dāng)流速大于25m/s時(shí));圍灘電站大壩泄水底孔側(cè)墻與底板厚度均為100cm。事實(shí)上,對(duì)大多數(shù)部位,在磨蝕破壞范圍很小時(shí),對(duì)工程的正常運(yùn)行已產(chǎn)生影響,或在破壞繼續(xù)擴(kuò)展后,維修費(fèi)用將會(huì)大幅度增加。而過(guò)高的平整度要求,使施工技術(shù)難度加大,實(shí)施困難,造價(jià)也非常昂貴。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外抗沖磨護(hù)面噴涂技術(shù)已有很大發(fā)展,如中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研制的雙組分無(wú)氣高壓噴涂技術(shù),噴涂速度10m2/min,能適應(yīng)40m/s的高流速?zèng)_磨。噴涂聚脲彈性體技術(shù)是國(guó)內(nèi)近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種新型無(wú)溶劑、無(wú)污染的綠色施工技術(shù)。抗沖磨強(qiáng)度達(dá)到C60硅粉混凝土的10倍以上,適用于混凝土表面抗磨損、防滲和防腐等領(lǐng)域。柔性抗沖磨噴涂技術(shù)為減小抗沖磨混凝土厚度、加快施工進(jìn)度、降低工程費(fèi)用等提供了條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)DL/T5207—2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》中的一些規(guī)定不盡合理,使用中應(yīng)注意靈活運(yùn)用,切忌生搬硬套。

(2)造成水工泄水結(jié)構(gòu)的磨蝕破壞因素很多,應(yīng)對(duì)水流流速、含沙量、泥沙粒徑及組成、水流脈動(dòng)壓力、構(gòu)筑物運(yùn)行制度等進(jìn)行深入分析,弄清可能造成結(jié)構(gòu)磨蝕破壞的主要影響因素,由此提出合理的抗磨防蝕方案,大型或重要工程的方案應(yīng)通過(guò)模型試驗(yàn)確定。

(3)摻氣抗磨防蝕技術(shù)與柔性抗沖磨噴涂技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中效果較好,費(fèi)用較省,根據(jù)具體情況,可以單獨(dú)或配合使用。

(4)提高混凝土的強(qiáng)度可以相應(yīng)增強(qiáng)構(gòu)筑物表面的抗磨防蝕性能,但不是惟一影響因素,在混凝土配比設(shè)計(jì)中,應(yīng)同時(shí)考慮骨料強(qiáng)度、水灰比等對(duì)磨蝕強(qiáng)度的影響;此外,混凝土的磨蝕與混凝土的碳化、滲透、凍融等效應(yīng)同時(shí)作用,單一抗磨蝕指標(biāo)很難反映混凝土的真實(shí)抗磨蝕能力,因此,在選擇混凝土的抗磨蝕指標(biāo)時(shí),應(yīng)同時(shí)提出混凝土的碳化、抗?jié)B、抗凍、裂縫控制系數(shù)、沖擊韌度等耐久性綜合指標(biāo)。

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