水工泄水結(jié)構(gòu)的抗磨防蝕設(shè)計分析

何平波

摘 要：含沙高速水流對水工泄水結(jié)構(gòu)的沖磨、空蝕破壞已引起人們的高度重視，對水工泄水結(jié)構(gòu)抗沖磨與防空蝕設(shè)計的指導(dǎo)性不足。文章根據(jù)當(dāng)前高速水流對泄水結(jié)構(gòu)沖磨與空蝕的研究成果，提出了進(jìn)行水工泄水結(jié)構(gòu)抗磨防蝕設(shè)計的一些建議。

關(guān)鍵詞：水工泄水結(jié)構(gòu)；抗磨防蝕；結(jié)構(gòu)體形；設(shè)計分析

引言

目前，已經(jīng)建成使用的泄水建筑物，經(jīng)過一定時間的使用，都會受到不同程度的磨損和空蝕，因此，水工泄水結(jié)構(gòu)抗磨防蝕的設(shè)計研究，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 沖蝕機(jī)理

含沙高速水流對于水工泄水結(jié)構(gòu)的沖蝕破壞一般分為空蝕、沖擊、磨損和流激振動破壞四種。

1.1 空蝕

空化是指液體在恒溫的影響下，采用靜、動力減壓到一定程度產(chǎn)生空泡，里面充滿一定的氣體，并發(fā)育成長。當(dāng)液體流過局部低氣壓區(qū)的時候，也會因?yàn)闅鈮旱陀谝欢ǖ呐R界值而發(fā)生空化。經(jīng)過空化的液體，再流經(jīng)氣壓較高的區(qū)域，空化的氣泡會發(fā)生爆破，產(chǎn)生極大的壓力，對附近的結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生極大的沖擊，甚至造成破壞，這便是空蝕。對于混凝土的空蝕破壞，是由于氣泡破壞產(chǎn)生的沖擊力將骨料在混凝土中脫離，特別是抗拔能力較差的大骨料，因此，混凝土結(jié)構(gòu)對于骨料的黏著力更應(yīng)該重視。

1.2 沖擊

關(guān)于沖擊的作用，是指含沙高速水流中顆粒的跳動和滾動對于結(jié)構(gòu)表面的破壞作用，沖擊力的大小與水中顆粒的運(yùn)動形式、顆粒含量多少以及水流的速度等有關(guān)。

1.3 磨損

關(guān)于磨損破壞，是含沙高速水流中的固體成分在結(jié)構(gòu)的表面產(chǎn)生滾動、跳動和滑動等作用而產(chǎn)生結(jié)果摩擦損壞的。對于磨損而言，屬于水沙二相流的問題，水中顆粒摩擦和沖擊產(chǎn)生的能力，部分或全部傳遞給壁面材料，在材料的表面轉(zhuǎn)換成變形能，從而造成材料的磨損。磨損的程度與固體的顆粒含量、大小、硬度、形狀和作用時間等因素有關(guān)，特別是水流沖角的大小，沖角小時，主要是微切削破壞；沖角大時，主要是大粒徑跳滾磨損破壞形式。

1.4 流激振動破壞

由于水流的高速流動，產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動，在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生振動壓強(qiáng)，從而產(chǎn)生激振力，有可能導(dǎo)致邊界的結(jié)構(gòu)振動，如果混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度過小，通過長期的振動，有可能造成疲勞破壞。水工泄水結(jié)構(gòu)的流激振動與其自身的結(jié)構(gòu)、壁壓振動以及相互作用有關(guān)。為減少其自身的結(jié)構(gòu)振動，需要減少脈動壁壓，并且增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗振能力。主要方法是，對其結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，改善其自振頻率，有效地避開其振動能譜曲線上的主頻率，或者將其控制在允許的范圍之中，從而解決流激振動的影響。

2 影響抗磨防蝕能力的因素

2.1 抗沖蝕材料

對于水工泄水結(jié)構(gòu)的抗磨防蝕設(shè)計，抗沖蝕材料的性能也是其中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。其中材料的硬度對于其抗磨防蝕性能至關(guān)重要，若材料的韌性良好則可以吸收一定的沖擊能量，從而減少其因疲勞破壞而產(chǎn)生斷裂破壞。常見的抗磨防蝕材料有混凝土類、砂漿類、護(hù)面板材類和抗沖蝕涂層等?；炷令惏ㄤ摾w維混凝土、高標(biāo)號混凝土以及微纖維多元復(fù)合混凝土等，砂漿類包括鋼纖維砂漿、硅粉砂漿和聚合物砂漿等，護(hù)面板材類包括鋼板、高鋁陶瓷和鑄石板等，抗沖蝕涂層包括聚脲彈性體材料、雙組分合成橡膠等。而對于抗沖蝕材料的使用，要針對含沙水流對于結(jié)構(gòu)破壞作用的復(fù)雜性，并結(jié)合相應(yīng)水流的具體情況，進(jìn)行全方面的分析和設(shè)計，選用最合理的材料。

2.2 結(jié)構(gòu)外形

一個合理的結(jié)構(gòu)外形對于水工泄水結(jié)構(gòu)的抗磨防蝕性能有著至關(guān)重要的作用，并且鑒于結(jié)構(gòu)的一次性，結(jié)構(gòu)一旦成形，對于其抗磨防蝕性能很難在技術(shù)上再加以改善，并且費(fèi)用也會進(jìn)一步提高，因此應(yīng)該在結(jié)構(gòu)建設(shè)之前就對結(jié)構(gòu)外形進(jìn)行縝密的設(shè)計。分水導(dǎo)墻等薄壁結(jié)構(gòu)，對于結(jié)構(gòu)的作用性以及水流流速的防御要求很高而且費(fèi)用會占很大比例，要通過水彈性模型試驗(yàn)來研究水流的脈動壁壓作用，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)外形設(shè)計，確保在動態(tài)的影響情況下，對結(jié)構(gòu)的共振進(jìn)行合理的控制，從而來解決流激振動破壞的影響。而為了防止空蝕對泄水結(jié)構(gòu)的破壞，要對結(jié)構(gòu)的邊界輪廓形狀進(jìn)行改進(jìn)，從而使泄水運(yùn)行過程中各個部位的水流空化數(shù)大于其初生的空化數(shù)。另外，在泄水結(jié)構(gòu)選擇和水力設(shè)計過程中，應(yīng)該注意沿程動水壓強(qiáng)的分布，限制測壓管水頭出現(xiàn)負(fù)壓的范圍和絕對值，從而間接地控制水流空化數(shù)。從而控制合理的過流邊壁體形，對含沙高速水流的沖磨和空蝕形成進(jìn)行有效控制。

2.3 摻氣減蝕抗磨

水流的空化是造成結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生空蝕破壞的主要原因，研究表面，人工摻氣能夠幫助邊壁材料有效抵抗含沙高速水流的磨蝕，這一技術(shù)在國內(nèi)外的一系列工程中已經(jīng)合理運(yùn)用，并且取得了一定的效果。

2.4 施工技術(shù)

如前所述，保持水工泄水結(jié)構(gòu)的壁面平整可以減少空蝕的影響，不同性能的抗沖磨材料也會對施工技術(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的要求，否則建筑結(jié)構(gòu)很難達(dá)到預(yù)期效果，而對于施工工藝，在施工過程中重視度不夠，會使建筑工程留有一些質(zhì)量的隱患。因此，對于施工技術(shù)應(yīng)該在施工過程中進(jìn)行重點(diǎn)的控制。

3 水工泄水結(jié)構(gòu)的抗磨防蝕設(shè)計分析

3.1 方案的確定

對于結(jié)構(gòu)方案的確定要根據(jù)不同的預(yù)期情況進(jìn)行選擇確定。首先是根據(jù)水流的具體情況選擇抗磨防蝕方案，抗磨防蝕方案涉及的方面較廣，影響因素也很多，因此要根據(jù)具體的工程情況，進(jìn)行具體分析，從而確定出最適合本工程的方案。研究表明，不同的含沙水流的含沙量、水流流速以及顆粒的質(zhì)量比等情況對泄水結(jié)構(gòu)的磨蝕情況影響不同，大多數(shù)的磨損空蝕情況，都是由于水頭過高、流速過大或者水流空化數(shù)過低等情況而產(chǎn)生的，必須著重重視，通過優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)來進(jìn)行控制。

還要合理地選擇泄水結(jié)構(gòu)的外形，在水流流速和泥沙含量較低的時候，主要通過泄水結(jié)構(gòu)的外形進(jìn)行抵抗控制，有的時候抗磨蝕材料的作用都達(dá)不到控制作用。特別是對于一些局部流態(tài)復(fù)雜的地方，合理的外形對抗磨防蝕有著至關(guān)重要的影響。還要注重對于摻氣抗磨減蝕技術(shù)的應(yīng)用，對于流速較高并且水頭也很高的結(jié)構(gòu)部位，對于水流邊界進(jìn)行摻氣處理是費(fèi)用和技術(shù)上的主要控制措施。對于整體結(jié)構(gòu)外形的確定，堅(jiān)決杜絕墨守成規(guī)的搬用規(guī)范，杜絕以材料獨(dú)自制定方案，要結(jié)合本工程的具體情況和經(jīng)濟(jì)效益等綜合情況，進(jìn)行預(yù)期效果的實(shí)施建設(shè)。

3.2 設(shè)計指標(biāo)的確定

根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范公式進(jìn)行抗沖磨混凝土厚度的估算，但要考慮工程正常運(yùn)行的需要，充分分析其存在的隱患和效益損失，進(jìn)行及時的維修，并且在具體的工程實(shí)踐中進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，如果有明顯的不合理情況要及時重新選擇設(shè)計方案。設(shè)計指標(biāo)的控制，主要是對于混凝土抗壓強(qiáng)度和抗沖磨防空蝕性能的研究，這兩項(xiàng)指標(biāo)的影響因素很多，主要包括水灰比、骨料種類和骨料配合比等，還有混凝土的抗沖磨性能和耐久性的結(jié)構(gòu)指標(biāo)，往往會伴隨著其他的破壞形式，如碳化、滲透以及凍融等。因此，既要注意對于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度指標(biāo)的控制，也要注意其耐久性相關(guān)指標(biāo)的觀測控制。

4 結(jié)束語

造成水工泄水結(jié)構(gòu)的磨蝕破壞的因素很多，應(yīng)該根據(jù)含沙水流的流速、含沙量以及其他相關(guān)因素的影響進(jìn)行相應(yīng)的控制，大型的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以通過一定的模型試驗(yàn)來確定，來提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和抗磨蝕破壞情況，保證結(jié)構(gòu)的正常使用。

參考文獻(xiàn)

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