小浪底工程排沙洞高速水流區(qū)抗沖磨試驗(yàn)研究

王 磊，張婧雯，巴 濤，賁旭鵬

（黃河水利水電開發(fā)總公司，459017，濟(jì)源）

小浪底工程排沙洞是我國第一例采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌的水工隧洞，隧洞采用C70高標(biāo)號硅粉混凝土，自投入運(yùn)行以來，擔(dān)負(fù)著排泄高含沙水流、減少過機(jī)含沙量和調(diào)節(jié)徑流及保持進(jìn)水口泥沙淤積漏斗的重要任務(wù)，每年承載著黃河調(diào)水調(diào)沙的任務(wù)，過流頻繁，在樞紐泄洪設(shè)施中使用概率最高。通過選用高性能抗沖磨試驗(yàn)材料，可提高小浪底工程排沙洞正常安全穩(wěn)定運(yùn)行的使用保證率，從而保證黃河下游防汛工作的順利開展，保證黃河調(diào)水調(diào)沙、下游河床不抬高任務(wù)的順利進(jìn)行，意義重大。

一、試驗(yàn)區(qū)域分塊布置

試驗(yàn)部位選取小浪底工程2號排沙洞工作門后出口明流段，此部位流速快、沖刷力大，最高流速達(dá)40 m/s以上，是沖蝕破壞最明顯的區(qū)域。試驗(yàn)區(qū)域面積共計(jì)234 m2，其中左、右側(cè)墻各78 m2，底板78 m2。試驗(yàn)區(qū)域共分為9塊，其中試驗(yàn)塊1～6每塊27 m2，編號分別為 1～6，每個試驗(yàn)塊包含18 m2（3 m×6 m）的側(cè)墻和 9 m2（3 m×3 m）的底板。其余3塊所用材料相同，穿插布置在1～6試驗(yàn)塊中，編號為7。試驗(yàn)塊1～7分別采用不同的材料，施工過程中處理好相鄰兩種不同材料試驗(yàn)塊之間的連接問題，待一個汛期過后檢驗(yàn)各試驗(yàn)塊效果。排沙洞試驗(yàn)塊布置示意圖見圖1。

二、施工工藝方法

試驗(yàn)過程中采用了不同的施工材料與方法：①涂抹環(huán)氧砂漿，②涂抹環(huán)氧膠泥，③涂抹環(huán)氧砂漿+環(huán)氧膠泥，④涂抹環(huán)氧砂漿+抗沖層。施工工藝流程見圖2。

1.試驗(yàn)塊1施工材料

采用YZ-改性環(huán)氧修補(bǔ)砂漿，該材料已在安康水電站消力池、泄洪中孔挑流鼻坎、蜀河水電站排沙底孔等泄洪受力重要部位成功運(yùn)用，本次根據(jù)小浪底的工程特性加以改進(jìn)，主要材料包括環(huán)氧樹脂、稀釋劑、增韌劑、固化劑、偶聯(lián)劑、促進(jìn)劑、石棉纖維、石英粉、氧化鋁等多種成分，在配方上要求突出粘結(jié)強(qiáng)度、抗沖耐磨性能。

2.試驗(yàn)塊2施工材料

采用XLD-11環(huán)氧砂漿，主要以環(huán)氧樹脂、固化劑及填料為基料按比例配制。材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，抗沖磨強(qiáng)度高，粘結(jié)力強(qiáng)，施工方法簡捷，在常溫條件下，各化工原材料、混凝土基面及其施工器具均不需要加熱，抗老化性能較傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿也有很大提高。

3.試驗(yàn)塊3施工材料

采用環(huán)氧—抗沖磨砂漿組合式的抗蝕層，對指定實(shí)驗(yàn)區(qū)27 m2均分3個部分，其中側(cè)墻上下2個部分、地面1個部分，采用3種方法配制抗沖磨環(huán)氧砂漿分別對這3個部分進(jìn)行加固處置，界面粘結(jié)劑底涂由改性環(huán)氧樹脂和水下環(huán)氧固化劑按比例配制，抗沖磨環(huán)氧膠泥（1 型）、（2 型）由改性環(huán)氧樹脂、水下環(huán)氧固化劑（C 型）、鑄石粉、娟云母、玻纖、助劑按不同比例配制而成，抗沖磨環(huán)氧膠泥（3型）由改性環(huán)氧樹脂、水下環(huán)氧固化劑（C型）、鑄石粉、鑄石砂、助劑按比例配制而成，側(cè)墻上、下部分分別采用1型、2型，地面采用3型，3種環(huán)氧砂漿配制方法和施工方法均有差別，性能特點(diǎn)也有差別，以檢驗(yàn)修復(fù)加固后3種環(huán)氧砂漿（膠泥）的抗沖磨效果。

4.試驗(yàn)塊4施工材料

采用HK-UW-3環(huán)氧砂漿，主要用環(huán)氧樹脂作為膠結(jié)材料，以石子、砂、粉料（如粉煤灰、水泥、石粉等）為集料按比例配制而成。材料具有抗沖刷能力好、常溫下固化快、可在潮濕條件下施工、施工工藝簡便等特點(diǎn)，短時間內(nèi)即可投入使用。該材料曾在向家壩水電站、云南景洪電站的混凝土表面防護(hù)抗沖磨處理上大面積運(yùn)用，效果良好。

5.試驗(yàn)塊5施工材料

采用丙烯酸酯共聚乳液，具有成本低、耐老化、抗裂、抗收縮等特性，可用于混凝土界面粘結(jié)劑、水工泄洪建筑物抗沖耐磨材料、混凝土表面防腐涂層材料等。界面粘結(jié)劑由樹脂乳液、水泥按比例分兩道工序分別配制較稀、較稠的凈漿，先涂刷較稀的，兩道工序時間間隔均要求約15分鐘后進(jìn)行下一道工序；樹脂砂漿由水泥、砂子、丙乳、水按比例配制，涂抹厚度為2～3 cm，每次涂抹厚度不超過1 cm，分 2～3次涂抹，涂抹時間間隔為上一層初凝以后。

表1 各試驗(yàn)塊所用材料性能指標(biāo)

6.試驗(yàn)塊6施工材料

采用環(huán)氧砂漿、環(huán)氧膠泥、手刮聚脲彈性體材料，由0164環(huán)氧樹脂、T31型固化劑、微硅粉、石英砂按比例配制而成。抗沖耐磨層采用以下3種方案進(jìn)行對比：

方案一：涂刷聚脲彈性體抗沖耐磨層。環(huán)氧砂漿硬化后，底板選取6 m2，側(cè)墻選取2 m2，在環(huán)氧砂漿表面刮刷聚脲。聚脲分3層刮刷，每層厚度為1 mm。

方案二：涂刷環(huán)氧膠泥抗沖耐磨層。環(huán)氧砂漿硬化后，在環(huán)氧砂漿部分表面涂刷環(huán)氧膠泥一遍，增加環(huán)氧砂漿抗沖磨程度。

方案三：不涂刷抗沖耐磨層。環(huán)氧砂漿硬化后對砂漿表面不進(jìn)行防護(hù)，以考察環(huán)氧砂漿自身在該工況下的抗沖耐磨能力。

圖1 小浪底工程2號排沙洞抗沖耐磨試驗(yàn)塊布置示意圖

圖2 小浪底工程2號排沙洞抗沖耐磨試驗(yàn)施工工藝流程圖

圖3 實(shí)驗(yàn)塊6抗沖磨材料分布示意圖

涂刷抗沖層材料的部位分布示意圖，如圖3所示。

7.試驗(yàn)塊7施工材料

所用材料為NE-Ⅱ環(huán)氧砂漿，環(huán)氧砂漿由A、B組分按一定比例拌和而成，其中A組分為NE－Ⅱ固化劑(白色黏稠液體)，B組分為環(huán)氧砂漿專用砂，材料性能穩(wěn)定，適應(yīng)性較好，操作簡便。本材料已在多家水電站過流泄洪系統(tǒng)運(yùn)用，效果良好。

各試驗(yàn)塊所用材料性能指標(biāo)對比見表1。

三、過流后各試驗(yàn)塊抗沖磨情況

2014年5月底，小浪底工程2號排沙洞汛前消缺及各試驗(yàn)塊缺陷修補(bǔ)完成。2014年6月底，小浪底工程開始進(jìn)行泄水排沙，2號排沙洞泄水共歷時184小時。2014年8月14日，對2號排沙洞修補(bǔ)試驗(yàn)塊的抗沖磨情況進(jìn)行了檢查，各試驗(yàn)塊過流后效果如下：

1.試驗(yàn)塊1抗沖磨情況

從過流后效果看，環(huán)氧砂漿試驗(yàn)塊沒有被沖起的現(xiàn)象，說明環(huán)氧砂漿與混凝土的粘接強(qiáng)度基本能夠滿足泄洪排沙要求。但從過流后環(huán)氧砂漿的表面看，平整度較差，且發(fā)現(xiàn)幾處鼓包現(xiàn)象。初步分析，可能是因?yàn)槠洵h(huán)氧砂漿界面劑中摻加了稀釋劑導(dǎo)致。界面劑中摻加稀釋劑會降低環(huán)氧砂漿與混凝土的粘接強(qiáng)度。

2.試驗(yàn)塊2抗沖磨情況

從過流后效果看，環(huán)氧砂漿試驗(yàn)塊沒有被沖起的現(xiàn)象，說明其環(huán)氧砂漿與混凝土的粘接強(qiáng)度基本能夠滿足小浪底工程排沙要求。表面沒有發(fā)現(xiàn)明顯的磨損痕跡，但表面平整度較差，施工不均勻。

3.試驗(yàn)塊3抗沖磨情況

從過流后效果看，3種類型環(huán)氧膠泥沒有被沖起的現(xiàn)象，粘接效果良好。但施工不均勻，表面平整度較差，經(jīng)細(xì)致觀察能發(fā)現(xiàn)墻面有較小的磨損痕跡，底板尚未發(fā)現(xiàn)磨損情況。

4.試驗(yàn)塊4抗沖磨情況

從過流后效果看，環(huán)氧砂漿試驗(yàn)塊沒有被沖起的現(xiàn)象，說明其環(huán)氧砂漿與混凝土的粘接強(qiáng)度能夠滿足小浪底工程排沙要求。但從過流后環(huán)氧砂漿的表面看，墻面有明顯的順?biāo)鞣较虻哪p痕跡，底板也有少量磨損。說明其環(huán)氧砂漿的硬度和抗沖磨強(qiáng)度較低，若過流時間延長，其磨損程度可能會繼續(xù)加重。

5.試驗(yàn)塊5抗沖磨情況

從過流后效果看，環(huán)氧砂漿側(cè)墻1.6～2.0m高度范圍內(nèi)幾乎全部被沖毀，底板也有相當(dāng)部分被沖毀。由此看來，其環(huán)氧砂漿粘接強(qiáng)度較低，不能滿足小浪底工程泄洪排沙的抗沖磨要求。

6.試驗(yàn)塊6抗沖磨情況

從過流后效果看，環(huán)氧砂漿和聚脲整體良好，沒有發(fā)現(xiàn)鼓包和明顯的磨損痕跡。與試驗(yàn)塊5相搭接的10 cm×20 cm的面積，受上游試驗(yàn)塊5的影響被沖壞。主要原因是由于上游試驗(yàn)塊5環(huán)氧砂漿被沖起，試驗(yàn)塊6修補(bǔ)施工時，為保證與上游試驗(yàn)塊5的接觸面平整過渡，環(huán)氧砂漿是覆蓋在其邊界斜面上的，故受其影響。從整體看，試驗(yàn)塊6所用環(huán)氧膠泥磨損量較大，不具備小浪底工程泄洪排沙的抗沖磨要求；環(huán)氧砂漿能滿足抗沖磨要求，但施工表面平整度較差。單組分聚脲的粘接強(qiáng)度、抗沖磨強(qiáng)度均能滿足小浪底工程排沙的抗沖磨要求，表面平整光滑。

7.試驗(yàn)塊7抗沖磨情況

從過流后效果看，環(huán)氧砂漿整體良好，表面平整，無明顯磨損痕跡。其環(huán)氧砂漿的粘接強(qiáng)度、抗沖磨強(qiáng)度等性能均能滿足小浪底工程排沙的抗沖磨要求。但從其環(huán)氧砂漿中砂料的外觀看，其使用的砂有普通河砂（過流后在環(huán)氧砂漿表面可看到普通河砂特有的云母亮點(diǎn)特征），耐磨性與石英砂相比較差。

四、結(jié) 論

（1）水工泄水建筑物對其表面的平整度和抗沖磨強(qiáng)度有很高的要求。平整度較差可能會對水流形態(tài)產(chǎn)生影響，從而對建筑物表面造成不同程度的沖蝕或氣蝕破壞，進(jìn)而增加建筑物表面的不平整度，將會產(chǎn)生更加嚴(yán)重的氣蝕破壞。這是一個惡性循環(huán)，一旦發(fā)生便會愈演愈烈。而如果抗沖磨強(qiáng)度較低，又會加重加速這種破壞。因此，泄水建筑物的表面平整度和抗沖磨強(qiáng)度是其兩項(xiàng)比較重要的指標(biāo)要求。

（2）從以上的試驗(yàn)效果來看，試驗(yàn)塊7的環(huán)氧砂漿施工可以同時滿足表面平整度和抗沖磨強(qiáng)度的要求，效果最好，但材料內(nèi)的砂料若能改為石英砂可能會提高材料的耐磨性。試驗(yàn)塊2、試驗(yàn)塊6的環(huán)氧砂漿均能滿足抗沖磨強(qiáng)度要求，但施工表面平整度有待提高，試驗(yàn)塊6的聚脲平整度良好。試驗(yàn)塊1的側(cè)墻表面發(fā)現(xiàn)幾處鼓包現(xiàn)象，可能是因?yàn)槠洵h(huán)氧砂漿界面劑中摻加了稀釋劑導(dǎo)致。試驗(yàn)塊3的施工平整度與以上4個試驗(yàn)塊相比略顯不足，抗沖耐磨性能也尚需進(jìn)一步進(jìn)行檢驗(yàn)。試驗(yàn)塊4所用材料抗沖耐磨強(qiáng)度不夠，不能滿足小浪底工程高含沙、高流速水流的沖刷要求。試驗(yàn)塊5所用材料與混凝土之間的粘接力不夠，不能應(yīng)用于小浪底工程泄洪排沙系統(tǒng)。

（3）環(huán)氧砂漿的施工既要滿足抗沖磨的性能，又要防止出現(xiàn)薄弱面的情況，一旦出現(xiàn)薄弱面，可能會引起周邊正常運(yùn)用的砂漿破壞，從而逐步導(dǎo)致破壞面進(jìn)一步擴(kuò)大。

[1]殷保合，等.黃河小浪底水利樞紐工程（第二卷樞紐設(shè)計(jì)）[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[2]孫志恒，等.單組分聚脲在水利水電工程中的應(yīng)用 [J].水利水電技術(shù)，2009（1）.

[3]國家發(fā)展和改革委員會.環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2004.

[4]黃河水利水電開發(fā)總公司.小浪底水工建筑物、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備和壩用電檢修規(guī)程[S].2013.

[5]陳正虎.三峽大壩泄洪深孔缺陷原因分析及處理對策[J].人民長江，2009（7）.