壓延微晶面板在水利水電工程中的應(yīng)用研究

龐明亮，胡云明，劉 杰，吳 娛

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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 水利水電工程抗沖磨研究概況

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，也一直是水利水電工程建設(shè)與運(yùn)行過程中有待解決的重大問題。我國大壩泄水建筑物有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(shí)間的運(yùn)行后，大壩泄水建筑物都會遭受嚴(yán)重破壞。

目前在水利水電工程建設(shè)及運(yùn)行過程中主要采取兩類方法來抵御沖刷磨損和空蝕對于泄水建筑物混凝土表面的破壞：第一類方法是在混凝土中添加抗沖磨成份或研制特種混凝土來提高混凝土材料自身的抗沖磨能力，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。但是，大量水電站的運(yùn)行實(shí)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(shí)的抗沖磨需求。第二類方法是在過流面的常規(guī)混凝土表面鋪設(shè)一層抗沖磨性能優(yōu)越的護(hù)面材料，如襯砌鋼板[3]、高分子護(hù)面材料等，利用護(hù)面材料來抵御含沙高速水流的沖磨及空蝕破壞。目前最常見的方式就是在過流面鋪設(shè)一層鋼板的方案，但是該方案施工工藝非常復(fù)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)量難以保證。

2017年初，中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)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(fù)工程選擇抗沖磨材料的過程中，發(fā)現(xiàn)了一種新型尚未在水利水電工程中運(yùn)用過的抗沖磨產(chǎn)品——壓延微晶面板。本文針對壓延微晶面板在坪頭水電站工程中的應(yīng)用，開展了深入的運(yùn)用可行性研究。

2 壓延微晶面板的優(yōu)點(diǎn)

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(jié)合劑，經(jīng)熔化、壓延成型、核化、晶化、退火使結(jié)構(gòu)微晶化而形成的一種高強(qiáng)度、高耐磨、耐腐蝕的新型高科技工業(yè)防護(hù)材料和建筑材料。相對于常見的耐磨耐腐蝕材料，壓延微晶板材具有優(yōu)異的材料性能，其材料性能指標(biāo)如表1所示。

表1 壓延微晶板材性能指標(biāo)

壓延微晶板材的優(yōu)點(diǎn)有：

(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(dá)0.055 g/cm2，是普通鑄石的2～3倍，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。壓延微晶板材既耐酸又耐堿，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(dá)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 mm至20 mm不等，多數(shù)情況下只需使用厚14 mm左右即可滿足實(shí)際需要，其實(shí)際密度只有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。

3 壓延微晶面板在水工建筑物應(yīng)用的思路

作為一種新型工業(yè)產(chǎn)品，壓延微晶面板的耐磨性能比錳鋼高7～8倍，密度卻只有鋼鐵的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，該板材已廣泛應(yīng)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(jié)料倉、給料機(jī)、制球機(jī)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(jī)、斗提機(jī)、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(jī)、撈渣機(jī)等部位。目前建材行業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)用微晶板材》[4]也已經(jīng)頒布實(shí)行，然而水利水電行業(yè)尚無開展將微晶面板用于水工建筑物抗沖磨防護(hù)的相關(guān)研究，更沒有相關(guān)的工程實(shí)例。

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(jià)格較低等特點(diǎn)，初步判斷其具備在水利及水電行業(yè)的過流面防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)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(shù)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(hù)的途徑與可行方案主要有以下兩種。

3.1 將微晶面板用做過流面的襯護(hù)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(hù)材料，根據(jù)工程條件及抗沖磨防護(hù)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(jìn)行二次加工，在每塊微晶小板上加工出2～5個(gè)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(gè)平面上，螺桿及螺帽與微晶小板緊密結(jié)合，多余的孔隙用環(huán)氧膠泥刮入填充密實(shí)。然后對過流面的混凝土基層進(jìn)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(yīng)上下游對齊，在順?biāo)鞣较蛏弦隋e(cuò)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(hù)方案相比，將微晶面板用做過流面的襯護(hù)材料無須在面板與混凝土之間附加槽鋼等結(jié)構(gòu)，無須進(jìn)行現(xiàn)場焊接，無須進(jìn)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(qiáng)，因而具有抗沖磨效果好、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、投資較低、容易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 將微晶面板粉碎后用作混凝土的抗沖磨摻合料

為適應(yīng)體形復(fù)雜的過流面的抗沖磨防護(hù)需要，很多時(shí)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(jī)械粉碎法將工業(yè)成品微晶面板粉碎后得到的具有一定粒徑的粉料，將此粉料作為細(xì)骨料添加到混凝土中，依靠該細(xì)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，對于微晶面板的尺寸規(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(shí)產(chǎn)生的殘次品、廢品或邊角料以進(jìn)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(yīng)，使結(jié)構(gòu)微晶化而形成的一種高強(qiáng)、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)定的分散到混凝土內(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)，以提升混凝土的表面的抗沖磨能力是可行的、經(jīng)濟(jì)的。后續(xù)還需要開展大量的試驗(yàn)研究，進(jìn)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(biāo)等詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)。

4 工程應(yīng)用

4.1 坪頭水電站消力池運(yùn)行中遇到的問題

坪頭水電站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(jī)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(cè)向取水、正向泄洪沖沙”的樞紐布置格局，通過1孔沖沙閘、3孔泄洪閘實(shí)施泄洪。沖沙閘及泄洪閘下游設(shè)置有消力池進(jìn)行底流消能[5]?？紤]到美姑河為山區(qū)多泥沙河流，汛期河水含砂量較高，泄洪時(shí)水流流速較大，因此工程建設(shè)時(shí)在閘室底板和邊墻(高度1.2 m以下)均采用高強(qiáng)錳鋼鋼板進(jìn)行抗沖磨防護(hù)，下游消力池表面則采用了厚40 cm的HF抗沖磨混凝土進(jìn)行防護(hù)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(fù)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巨大。不僅如此，受閘址上游泥石流溝的影響，電站運(yùn)行的實(shí)際工況比設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)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(jié)構(gòu)安全的3個(gè)主要因素。

坪頭水電站主體工程于2006年初開工建設(shè)，3號泄洪閘于2007年汛期開始過流。由于3號泄洪閘位于側(cè)向取水的進(jìn)水口的遠(yuǎn)端，因此電站運(yùn)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3個(gè)汛期運(yùn)行，3號泄洪閘于2009年11月檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，閘室末端有一塊復(fù)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(jié)構(gòu)層鋼筋裸露，如圖1所示。隨后電站運(yùn)行單位對該部位進(jìn)行了等強(qiáng)同材質(zhì)修補(bǔ)，一個(gè)汛期后修補(bǔ)層再次全部被沖毀。

圖1 泄洪閘及護(hù)坦斜坡段底板破壞情況

此后，為尋求可靠材料對上述部位進(jìn)行修復(fù)，電站運(yùn)行單位在2014年～2015年枯水期連續(xù)2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對損毀部位進(jìn)行了修復(fù)，結(jié)果均在當(dāng)年汛期洪水破壞作用下被整體剝離，修復(fù)試驗(yàn)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(dá)96 cm，結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，對上游閘室結(jié)構(gòu)安全也造成了一定的威脅。

4.2 實(shí)施方案及施工過程

2018年初，中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)人員向電站運(yùn)行單位推薦采用壓延微晶面板進(jìn)行3號泄洪閘消力池底板的抗沖磨層修復(fù)，并提供了修復(fù)設(shè)計(jì)方案。電站運(yùn)行單位技術(shù)人員經(jīng)對壓延微晶面板的主流生產(chǎn)廠家實(shí)際考察后，決定選用晶牛微晶集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的壓延微晶面板對損壞最嚴(yán)重的3號泄洪閘消力池斜坡表層做修復(fù)處理試驗(yàn)。2018年3月1日～28日，晶牛微晶集團(tuán)派專業(yè)隊(duì)伍至電站現(xiàn)場實(shí)施了修復(fù)處理施工。修復(fù)處理方案為將微晶面板粘貼在修復(fù)后的混凝土基面上用做過流面的襯護(hù)材料。

在施工過程中，施工承包商首先對3號泄洪閘閘室及下游護(hù)坦被沖磨出的深槽采用C45混凝土進(jìn)行基面修補(bǔ)，并預(yù)留出壓延微晶面板及粘接劑厚度，在混凝土齡期達(dá)到7 d后即進(jìn)行壓延微晶面板抗沖防護(hù)層的施工。

在混凝土基層修復(fù)7 d后，首先用環(huán)氧乳液砂漿對基層找平至接近設(shè)計(jì)高程，然后鋪設(shè)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(shí)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(shè)計(jì)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(qiáng)力牽制。微晶板之間均勻預(yù)留縫隙，再用耐磨強(qiáng)力膠填塞縫隙。為保證過流面平順，在護(hù)坦斜坡的上游起始點(diǎn)微晶面板與鋼板結(jié)合處采用預(yù)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(qiáng)鋼條設(shè)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(gè)防護(hù)面層保持5 ℃以上的溫度養(yǎng)護(hù)28 d后即可過流泄洪。

4.3 實(shí)施效果

2018年3月26日，為檢驗(yàn)微晶面板的抗沖擊性能，在微晶面板防護(hù)層施工即將完工前開展了現(xiàn)場沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)人員將質(zhì)量為19 kg的塊石從距消力池底板高30 m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(hù)層安然無恙。

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

圖2 泄洪閘微晶面板防護(hù)層過流后完好無損

5 結(jié) 語

美姑河是典型的山區(qū)多泥沙河流，坪頭水電站樞紐建筑物布置形式也是引水式電站最常用的布置格局，其消力池結(jié)構(gòu)所遇到的抗沖磨問題在水利水電工程領(lǐng)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(yàn)性修復(fù)處理均未獲成功，此次壓延微晶面板在該工程的成功應(yīng)用表明，該材料及應(yīng)用方案在大流量、多泥沙河流泄水建筑物表面抗沖磨防護(hù)領(lǐng)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。

建議相關(guān)單位在后續(xù)運(yùn)用過程中，進(jìn)一步優(yōu)化微晶面板用做過流面襯護(hù)材料的施工工藝，同時(shí)通過試驗(yàn)研究確定合理的粒徑、摻量等詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)將粉碎后的微晶面板作為提高混凝土抗沖磨性能的一種摻合料(外加劑)應(yīng)用到更多的工程中。壓延微晶材料這種新型工業(yè)產(chǎn)品首次在水利水電工程中的成功應(yīng)用，為水利水電工程修補(bǔ)與加固翻開了嶄新的一頁。