壓延微晶面板在水利水電工程抗沖磨領域的應用及研究

龐明亮， 劉 杰， 胡云明， 吳 娛

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072； 2.重慶市水利電力建筑勘測設計研究院， 重慶 408006；3.四川美姑河水電開發(fā)有限公司， 四川 成都 610094)

1 概 況

沖刷磨損和空蝕破壞是水工泄洪消能建筑物常見的病害之一，也是水利水電工程建設與運行過程中有待解決的重大問題。我國大壩泄水建筑物70%以上由于受高速含沙水流的沖刷磨損和空蝕作用，存在不同程度的沖磨破壞問題[1]。尤其是在含沙量較高的山區(qū)河流或流速較快的泄洪消能建筑物，一般在經(jīng)歷一段時間的運行后，都會遭受嚴重破壞。

目前，在水利水電工程建設及運行過程中主要采取兩類方法來抵御沖刷磨損和空蝕對泄水建筑物混凝土表面的破壞。

(1)第一類方法是在混凝土中添加抗沖磨成分或研制特種混凝土來提高混凝土材料本身的抗沖磨能力，比如采用硅粉混凝土、HF混凝土[2]、鋼纖維混凝土等抗沖磨性能優(yōu)越的混凝土澆筑泄水建筑物表層。大量水電站的運行實踐表明該類方法及目前已有的抗沖磨混凝土仍然難以滿足含沙量較高的山區(qū)河流下泄高速水流時的抗沖磨需求。

(2)第二類方法是在過流面的常規(guī)混凝土表面鋪設一層抗沖磨性能優(yōu)越的護面材料，如襯砌鋼板[3]、高分子護面材料等，利用護面材料來抵御含沙高速水流的沖磨及空蝕破壞。目前最常見的方案就是在過流面鋪設一層鋼板，但是該方案施工工藝非常復雜，涉及到插筋、焊接、接觸灌漿等諸多工序，施工工期較長，且施工質(zhì)量往往難以保證。

2017年初，中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司設計人員在為四川省美姑河坪頭水電站泄洪閘下游消力池斜坡段修復工程選擇抗沖磨材料的過程中，接觸到了一種新型的、尚未在水利水電工程中運用過的抗沖磨產(chǎn)品——壓延微晶面板，隨后結合該工程開展運用可行性研究。

2 壓延微晶面板的材料性能指標

壓延工業(yè)微晶板材是以金屬尾礦為原料，以氮化硅、碳化硅、石英粉為主要成分，以特殊成分材料為結合劑，經(jīng)熔化、壓延成型、核化、晶化、退火使結構微晶化而形成的一種高強度、高耐磨、耐腐蝕的新型高科技工業(yè)防護材料和建筑材料，相對于常見的耐磨耐腐蝕材料，具有優(yōu)異的材料性能，詳見表1。

(1)耐磨損。采用壓延工藝生產(chǎn)的微晶板材具有優(yōu)異的耐磨性能，其耐磨程度達0.055 g/cm2，是普通鑄石的2～3倍(0.09 g/cm2)，是錳鋼的7～8倍，是鑄鐵的15～20倍。

(2)耐腐蝕。壓延微晶板材的耐腐蝕性能優(yōu)于不銹鋼、大理石、花崗巖、普通鑄石。它既耐酸又耐堿，特別是酸堿交替的環(huán)境下也可使用。

(3)耐沖擊。壓延微晶板材的耐沖擊性能可達3.08 kJ/M2,是普通鑄石的2倍，可以滿足絕大部分物料輸送部位的抗沖擊需要。

(4)摩擦系數(shù)低。 采用壓延工藝生產(chǎn)的微晶板材表面摩擦系數(shù)僅為0.05，且越磨表面越光滑。

(5)薄而輕。工業(yè)用的壓延微晶板材厚度從6～20 mm不等，多數(shù)情況下只需使用14 mm左右厚度即可滿足實際需要，其實際比重只有2.72 g/cm3，僅為鋼鐵的1/3。

(6)可現(xiàn)場切割。壓延微晶板材可以現(xiàn)場使用手提切割鋸方便地切割，便于施工安裝。

(7)綠色環(huán)保。無放射污染等不利環(huán)境影響因素。

表1 微晶板材性能指標

3 壓延微晶面板在傳統(tǒng)領域的應用情況

作為一種新型的工業(yè)產(chǎn)品，壓延微晶面板其耐磨性能比錳鋼高7～8倍，比重卻只有鋼鐵的1/3左右，抗沖擊性能優(yōu)越，可大量替代錳鋼、不銹鋼等。經(jīng)過十余年的市場選擇，已廣泛應用在國內(nèi)的鋼鐵、火電、煤炭、化工、造紙、建材等行業(yè)。例如，用于鋼鐵行業(yè)的高爐混料倉、燒結料倉、給料機、制球機等部位的耐磨材料；用于煤炭行業(yè)的矸石倉、介質(zhì)桶、刮板機、斗提機、溜槽、篩下漏斗等內(nèi)的耐磨襯板；用于火電站的卸煤溝、煤斗、儲煤倉、干煤柵、翻車機、撈渣機等部位。目前建材行業(yè)的行業(yè)標準《工業(yè)用微晶板材》[4]也已經(jīng)頒布實行。然而受行業(yè)習慣及認知壁壘等因素的影響，水利水電行業(yè)尚無開展將微晶面板用于水工建筑物抗沖磨防護的相關研究，更沒有相關的工程實例。

4 壓延微晶面板在水工建筑物應用的思路

鑒于壓延微晶面板具有抗沖磨能力優(yōu)越、加工方便、成本價格較低等特點，初步判斷其具備在水利及水電行業(yè)的過流面防護領域應用的可能性。經(jīng)與國內(nèi)主流的壓延微晶面板材料生產(chǎn)廠家的多次技術交流與研究，初步確定壓延微晶面板用于水工建筑物過流面防護的途徑與可行方案主要有以下兩種。

4.1 將微晶面板用做過流面的襯護材料

目前市面上主流的壓延微晶面板的厚度在6～20 mm之間，寬度受生產(chǎn)線尺寸限制一般為800 mm，長度可根據(jù)需要隨意定制。如果將微晶面板用作水工建筑物過流面的襯護材料，根據(jù)工程條件及抗沖磨防護的需要，可以選擇合適厚度(14～20 mm)的工業(yè)用微晶面板，將微晶面板切割成尺寸相同的矩形微晶小板。然后在加工車間對切割完畢的微晶小板進行二次加工，在每塊微晶小板上加工出2～5個螺栓錨固孔洞。螺栓固定到微晶小板后，螺帽頂面與微晶小板頂面在一個平面上，螺桿及螺帽與微晶小板緊密結合，多余的孔隙用環(huán)氧膠泥刮入填充密實。然后對過流面的混凝土基層進行清潔、干燥處理，處理完畢后，在過流面表層涂刷一層厚度約2～5 cm的環(huán)氧膠泥，在環(huán)氧膠泥初凝前，將帶有螺栓的微晶小板平鋪在環(huán)氧膠泥層上，并施加壓力使其與環(huán)氧膠泥層緊密連接，層間無空腔。微晶小板間保留5 mm以內(nèi)的拼接縫，縫間用環(huán)氧膠泥涂刮填充平整。拼接后的微晶小板在垂直水流方向應上下游對齊，在順水流方向上宜錯開。微晶小板拼接后形成的過流面表面平整度偏差控制在±15 mm以內(nèi)。

與常見的鋼板防護方案相比，本結構及方法無須在面板與混凝土之間附加槽鋼等結構，無須進行現(xiàn)場焊接，無須進行鋼板與混凝土表面之間的接觸灌漿。此外，工業(yè)用微晶面板材料生產(chǎn)成本比鋼板低，抗沖磨及抗沖擊能力比鋼板強，因而具有抗沖磨效果好、結構簡單、施工方便、投資較低、容易維護等優(yōu)點。

4.2 將微晶面板粉碎后用作混凝土的抗沖磨摻合料

為適應體形復雜的過流面的抗沖磨防護需要，很多時候只能采用現(xiàn)澆抗沖磨能力較高的特種混凝土的方式來形成抗沖磨層。由于壓延微晶板材具有優(yōu)異的耐磨性能，因此可以采用機械粉碎法將工業(yè)成品微晶面板粉碎后，得到具有一定粒徑的粉料，將此粉料作為細骨料添加到混凝土中，依靠該細骨料的抗沖磨性能提升混凝土的抗沖磨能力。

由于利用微晶粉作為抗沖磨摻合料，對微晶面板的尺寸規(guī)格、外觀、顏色等基本沒有要求，因此可以充分利用工業(yè)生產(chǎn)微晶面板時產(chǎn)生的殘次品、廢品或邊角料以進一步節(jié)約成本。由于微晶面板是以氮化硅(1%～10%)、碳化硅(6%～30%)、石英粉(30%～65%)為主要成分，通過高溫氧化反應，使結構微晶化而形成的一種高強、高硬的新材料，因此其與混凝土中的骨料、膠凝材料等天然具有較好的和易性，利于微晶粉均勻、穩(wěn)定地分散到混凝土內(nèi)。初步研究表明，將微晶面板粉碎成微晶粉后，用作混凝土的抗沖磨摻合料(外加劑)，以提升混凝土表面的抗沖磨能力是可行的、經(jīng)濟的。后續(xù)還需要開展大量的試驗研究，進一步確定微晶粉最佳粒徑、用于微晶混凝土的摻量、配套的輔助外加劑的種類、微晶混凝土的抗沖磨指標等詳細的技術參數(shù)。

5 行業(yè)內(nèi)首次成功應用的工程實例

5.1 坪頭水電站消力池運行中遇到的問題

坪頭水電站工程位于四川省涼山州美姑、昭覺、雷波三縣交界處，為美姑河流域規(guī)劃“一庫五級”的最后一級電站，為低閘引水式電站，裝機容量為180 MW。電站采用混凝土重力閘壩作為擋水建筑物，最大壩高38.5 m。電站采用“側向取水、正向泄洪沖沙”的樞紐布置格局，通過一孔沖沙閘、三孔泄洪閘實施泄洪。沖沙閘及泄洪閘下游設置有消力池進行底流消能[5]?？紤]到美姑河為山區(qū)型多泥沙河流，汛期河水含砂量較高，泄洪時水流流速較大，因此，工程建設時在閘室底板和邊墻(1.2 m高度以下)均采用高強錳鋼鋼板進行抗沖磨防護，下游消力池表面則采用了40 cm厚的HF抗沖磨混凝土進行防護處理[6]。

由于天然河床陡峭、汛期洪水流量較大，洪水通過裹挾大量泥沙，消力池斜坡段水流流態(tài)復雜，對閘底板及消力池底板的磨損破壞與空蝕破壞影響都非常大。不僅如此，受閘址上游泥石流溝的影響，電站運行的實際工況比設計時預估的情況更為惡劣，經(jīng)常有不同粒徑的塊石在水流裹挾作用下通過消力池下泄，容易對消力池底板造成沖擊破壞。因此，磨損、空蝕與沖擊破壞是威脅坪頭水電站泄洪閘下游消力池結構安全的三個主要因素。

坪頭水電站主體工程于2006年初開工建設，3號泄洪閘于2007年汛期即開始過流。由于3號泄洪閘位于側向取水的進水口遠端，因此電站運行過程中開啟頻次最高，所受的磨損、空蝕與沖擊破壞的影響也最大。經(jīng)過三個汛期運行，3號泄洪閘于2009年11月檢查時發(fā)現(xiàn)，閘室末端有一塊復合鋼板被高速水流掀起，消力池底板HF混凝土抗沖磨層被完全破壞，下部結構層鋼筋裸露(見圖1)。隨后電站運行單位對該部位進行了等強同材質(zhì)修補，一個汛期后修補層再次全部被沖毀。

此后，為尋求可靠材料對上述部位進行修復，電站運行單位在2014～2015年枯水期，連續(xù)兩年對3號泄洪閘下游消力池底板采用不同科研單位研發(fā)的特種抗沖磨混凝土材料，并對損毀部位進行了修復，結果均在當年汛期洪水破壞作用下被整體剝離，修復試驗多次失敗。截至2017年底，3號泄洪閘消力池底板最大沖蝕深度達96 cm，結構破壞嚴重，對上游閘室結構安全也造成了一定的威脅。

圖1 坪頭電站3號泄洪閘及護坦斜坡段底板破壞情況

5.2 實施方案及施工過程

2018年初，中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司設計人員向電站運行單位推薦采用壓延微晶面板進行3號泄洪閘消力池底板的抗沖磨層修復，并提供了修復設計方案。電站運行單位技術人員經(jīng)對壓延微晶面板的主流生產(chǎn)廠家實際考察后，決定選用晶牛微晶集團有限公司生產(chǎn)的壓延微晶面板，對損壞最嚴重的3號泄洪閘消力池斜坡表層做修復處理實驗。2018年3月1日至28日，晶牛微晶集團派專業(yè)隊伍至電站現(xiàn)場，親自實施了修復處理施工。修復處理方案為將微晶面板粘貼在修復后的混凝土基面上用做過流面的襯護材料。

具體施工過程中，施工承包商首先對3號泄洪閘閘室及下游護坦被沖磨出的深槽采用C45混凝土進行基面修補，并預留出壓延微晶面板及黏接劑厚度，在混凝土齡期達到7 d后，再進行壓延微晶面板抗沖防護層的施工。

在混凝土基層修復7 d后，首先用環(huán)氧乳液砂漿對基層找平至接近設計高程，然后鋪設壓延微晶面板。環(huán)氧乳液是以環(huán)氧樹脂為基料的聚合物乳液A組分和B組分組成，施工時將A組分和B組分按比例均勻攪拌成膠液，再配以水泥、集填料(砂子)和外加劑攪拌均均而成。每塊微晶面板按設計方案布置有兩根錨拉筋與環(huán)氧乳液砂漿及混凝土基層形成強力牽制。微晶板之間均勻預留縫隙，再用耐磨強力膠填塞縫隙。為保證過流面平順，在護坦斜坡的上游起始點——微晶面板與鋼板結合處，采用預埋鋼條做壓縫處理；在消力池斜坡段下游收口處，同樣采用高強鋼條設立足趾，以確保壓延微晶面板在高速水流的紊流作用下不致脫落。整個防護面層保持5℃以上的溫度養(yǎng)護28 d后即可過流泄洪。

5.3 實施效果

2018年3月26日，為檢驗微晶面板的抗沖擊性能，在微晶面板防護層施工即將完工前開展了現(xiàn)場沖擊試驗。試驗人員將重量為19 kg的塊石從距離消力池底板30 m高的壩頂拋下，塊石砸落在消力池底板上粉碎，而其表層的微晶面板防護層安然無恙(見圖2)。

圖2 坪頭電站3號泄洪閘微晶面板防護層過流后完好無損

2018年4月，3號泄洪閘消力池在壓延微晶面板施工結束后不久開始泄流，2018年6月開始經(jīng)歷洪水考驗，期間經(jīng)歷最大泄洪量為826 m3/s。截至2018年10月30日，3號泄洪閘下游消力池已經(jīng)累計經(jīng)歷了1 360 h泄洪，經(jīng)現(xiàn)場檢查確認，壓延微晶面板防護層整體完好，甚至無肉眼可見的磨損，試驗結果超出預期。后續(xù)坪頭水電站運行單位將在1號泄洪閘、2號泄洪閘下游消力池底板上繼續(xù)推進該項生產(chǎn)性試驗，以期通過試驗進一步檢驗微晶面板的防護效果，并完善具體的施工工藝。

6 結論與建議

美姑河是典型的山區(qū)性多泥沙河流，坪頭水電站樞紐建筑物布置型式也是引水式電站最常用的布置格局，其消力池結構所遇到的抗沖磨問題在水利水電工程領域極具代表性。消力池底板抗沖磨層曾先后采用多種特種混凝土材料，歷經(jīng)多次試驗性修復處理均未獲成功。此次壓延微晶面板在該工程的成功使用表明，該材料及應用方案在大流量、多泥沙河流泄水建筑物表面抗沖磨防護領域的優(yōu)異表現(xiàn)已經(jīng)超越了水利水電行業(yè)常用的經(jīng)典抗沖磨材料。建議電站建設運行及相關科研單位在后續(xù)運用過程中，進一步優(yōu)化微晶面板用作過流面襯護材料的施工工藝；同時通過試驗研究確定合理的粒徑、摻量等詳細的技術參數(shù)，實現(xiàn)將粉碎后的微晶面板作為混凝土抗沖磨摻合料(外加劑)的技術方案。相信這種新型工業(yè)產(chǎn)品在幫助破解泄水建筑物抗沖磨防護“頑疾”的同時，定能為水利水電工程修補與加固事業(yè)翻開新的一頁。