水工泄水結構的抗磨防蝕設計探討

張 磊

我國是個河流多沙的國家,在眾多河流中,有42條多年平均年輸沙量在1000萬t以上,年最大輸沙量超過1000萬t的河流有60多條,含沙水流對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,隨著國家經濟實力的提升以及新建水庫自然條件的愈加惡化,我國在建和待建的高壩泄水建筑物所涉及的水流流速越來越大,高速含沙水流的沖刷磨損和空蝕破壞問題越來越突出,直接關系到樞紐工程的安全。雖然,這方面的研究工作已經很多,但由于問題的復雜性,人們往往對同一問題的看法出入很大,甚至完全相反。工程設計中,更是缺少一套科學、嚴謹、針對性很強的規范性文件作為支持,導致在含沙高速水流環境下,一些水工泄水結構的防沖抗磨抗蝕設計方案,往往很難達到預期的效果,有的甚至運行時間很短就發生磨蝕破壞,而有的則因為設計標準過高,帶來很大的資金浪費。設計中的問題主要表現在以下幾個方面。

(1)水利行業缺少專門的水工混凝土抗沖磨防空蝕技術規范。當前用于指導設計的主要是電力行業標準DL/T5207—2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術規范》,而該規范在用于水利工程的抗沖磨防空蝕設計時,往往表現出很多不足,如對混凝土的質量標準僅僅局限于其強度指標,導致評判標準不全面、不科學,按此執行,很難達到滿意的效果;還有對影響混凝土抗沖磨防空蝕的關鍵因素考慮不全,對部分關鍵因素沒有給予足夠的重視,過分強調個別性能而忽視其它性能,甚至忽視關鍵性能等。

(2)同樣環境選擇不同方案。鑒于對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別。如在丹河上修建的東焦河水電站,設計單位為晉城市水利設計院,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),晉城市水利設計院在初設時采用了與東焦河相同的處理辦法。山西省水利水電勘測設計研究院在變更設計中,不僅考慮了結構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,認識不同,方案區別很大,資金投入也有很大出入。

(3)不同環境下方案選擇的隨意性強。主要表現在一些大型泄水工程,水流含沙量也很大,但經過分析,認為沖磨與空蝕的影響很小,選擇的設計標準很低,甚至不考慮其影響,僅采用常態混凝土形成泄水構筑物;而一些流速和含沙量均較小的工程,卻選擇了很高的標準進行設計。另一方面表現在材料選擇的任意性上,或是效果不好,或是不能滿足設計使用年限的要求,或是過高地選擇材料標準造成護面價格過高。

(4)破壞部位的修復處理方法多樣,設計效果的驗證資料少。當前關于抗磨防蝕處理的結果多具有獨立性,共性、定性的結論很少,設計中可以直接借鑒的方案依據性不夠。

本文針對影響水工建筑物抗磨防蝕的各種因素,提出了個人的一些見解,希望對解決此類工程的設計問題有所幫助。

1 沖蝕機理

通常認為,含沙高速水流對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構表面滑動、滾動和跳動等直接產生摩擦的結果。含沙水流的磨損,屬于水沙二相流問題,當沙粒沖磨固體壁面材料時,把一部分或全部能量傳遞給壁面材料,在材料表層轉化為表面變形能,從而造成材料的磨損。水流沖角的大小對磨損的結果影響很大,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、硬度以及作用時間等因素有關。

1.2 沖擊

沖擊是由含沙高速水流中的推移質顆粒的滾動、跳動作用引起的結構表面的破壞形式。沖擊力的大小與水流速度、運動形式、所夾帶顆粒粒徑等有關。

1.3 空蝕

液體在恒溫下用靜力或動力方法減壓到一定程度就會有充滿氣體與蒸汽的空泡出現并發育生長,即空化。液體流經的局部區域,若壓強低于某一臨界值,液體也會發生空化。在低壓區空化的水流夾帶著大量的空泡,在流經下游壓強較高的區域時,氣泡發生潰滅,并伴生極大的壓力,大致為700mPa。如氣泡在結構邊壁表面或其附近潰滅時,將對結構表面產生極大的沖擊力,以致引起破壞,即為空蝕。

通常認為,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,混凝土對骨料的黏著力比其硬度更重要。

1.4 流激振動破壞

高速水流紊動強烈,形成作用于結構壁面上的紊流脈動壓強,其合力構成了作用于結構上的激振力,有可能導致過流邊界的結構振動。由于混凝土結構的抗拉強度較小,在長期的運行過程中,常引起疲勞破壞。

水工結構的流激振動與脈動壁壓、結構自身及其相互作用有關。減小結構振動的途徑主要從減小脈動壁壓和增強結構的抗振能力兩個方面入手。對結構進行優化設計,改變結構的自振頻率,從而避開能譜曲線上主頻率附近的高能區,或控制振動在允許的范圍內,成為解決流激振動的有效措施。

2 影響水工結構抗磨防蝕能力的因素

2.1 結構體形

選擇合理的結構與結構體形對提高水工泄流結構的抗磨蝕能力至關重要,而且,一旦建筑結構最終形成,希望提高或改善抗磨蝕能力在技術上往往很難,而且費用也會大幅度增加。

對于流速很高、結構作用重要或費用占用比例較大的泄流構筑物,如分水導墻等薄壁結構,可通過水彈性模型試驗,研究水流的脈動壁壓作用,通過設計合理的結構體形,確保在動態環境下,對結構的共振得到控制,從而解決流激振動破壞問題。

合理的過流邊壁體形對控制含沙高速水流的沖磨和空蝕也是有利的。為防止泄水構筑物過流邊壁發生空蝕,最根本的措施是改進邊界的輪廓形態,使泄水運行時各部位的水流空化數大于其初生空化數。此外,考慮到組成水流空化數數值中過流斷面邊壁時均動水壓力水頭即測壓管水頭的影響,在泄水構筑物選項和水力設計時,應注意沿程動水壓強的分布,限制測壓管水頭出現負壓的范圍和絕對值,以間接限制過小的水流空化數。

2.2 抗沖蝕材料

當前,用于泄水構筑物面層的抗磨蝕材料很多,一般說來,抗空蝕性能好的材料抗磨蝕能力也較強。材料的硬度對抗磨蝕性能至關重要,而一定的材料韌性,可以吸收一部分沖擊能量,并相應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:包括高標號混凝土、鋼纖維混凝土、微纖維多元復合混凝土、聚合物混凝土、硅粉混凝土、HF混凝土等;(2)護面板材類: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、環氧砂漿等;(4)抗沖蝕涂層:包括聚氨酯改性雙組分環氧樹脂材料、聚脲彈性體材料、雙組分聚氨基甲酸乙脂合成橡膠等。鑒于高速水流對建筑物沖蝕破壞作用的復雜性,在選擇抗沖蝕材料時,應考慮水流的具體特征,對不同材料方案進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構壁面空蝕破壞的主要原因,利用人工摻氣改變來流狀態從而防止空蝕的技術已經在國內外一些工程中得到應用,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

前已述及,保持泄流結構壁面一定的平整度,對減少空蝕有益;同時,不同的抗沖磨材料,對施工技術都有相應嚴格的要求,否則,很難達到預期的效果,而在施工工藝方面,目前人們的關心程度還不夠,致使新建工程往往留下許多質量隱患。

3 水工泄水結構的抗磨蝕設計

3.1 方案的確定

3.1.1 根據水流具體情況選擇抗磨蝕方案

水工泄水結構的抗沖磨防空蝕是涉及到多個學科的復雜問題,影響的因素很多,而且對一些因素的研究還不夠深入,因此,必須對具體工程、具體條件進行具體分析,確定出適宜本工程的方案。規范是設計指南,但不是絕對的、剛性的。設計中既要遵循規范中的某些禁止和強制性條款,同時要擺脫規范的約束,做到靈活運用,否則,往往造成事與愿違的結果。

水流流速、含沙量及組成的影響。研究表明,不同的水流流速、含沙水流中懸移質與推移質的質量比例、推移質顆粒大小等對泄水構筑物的磨蝕影響不同。黃河上一些水利樞紐經若干年運行后檢查發現,在流速降到15m/s以下時,含沙水流對混凝土的沖磨作用較小。國內幾個遭受空蝕破壞的泄洪洞典型實例表明,泄洪洞發生空蝕破壞具有如下特點:(1)水頭高:在94～155m之間;(2)流速大:在38～49m/s之間;(3)水流空化數很低,均小于0.15。高速水流的動水壓力和脈動壓力可能造成結構和混凝土破壞,其表現有時與磨蝕破壞相似,不容易被發現和重視,需要通過優化工程結構來控制。

工程運行方式的影響。含沙水流磨蝕泄流構筑物表面的抗磨蝕能力與沖磨的時間、檢修周期和抗磨材料的強度等有關。泄流構筑物的運行方式不同,需要選擇不同的抗沖磨設計方案和設計標準。對于間歇性運行的工程,結構壁面抗磨蝕材料厚度可以減小,同時,因為有足夠的檢修時間,設計標準可以適當降低,以減少工程費用。

3.1.2 合理選擇泄水構筑物體形

在水流流速和泥沙含量相對較低的情況下,合理的泄水構筑物體形對抵抗水流沖蝕破壞的效果很明顯,有時,甚至可以不考慮專門的磨蝕材料設計。對于矩形門槽、消能工等局部流態復雜的部位,合理的體型對減緩空蝕、沖磨破壞至關重要。

3.1.3 摻氣減蝕抗磨技術

實踐表明,流速超過35～40m/s的高水頭泄水構筑物,僅靠改進過流邊界體型、提高施工水平以及提高材料強度等來減蝕抗磨是很困難的,同時,費用上也是不合理的,而水流邊界摻氣的措施是有效和積極的措施。關于摻氣濃度以及減蝕保護長度,目前只能依賴原型觀測積累的經驗確定。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的混凝土空蝕問題。

3.1.4 杜絕以材料定方案

當前,一種不好的情形是根據材料選擇抗磨蝕方案,即借鑒其他項目的經驗,不論本工程的具體條件是否一致,照搬套用。對于具體的工程,表現為材料選擇的隨意性較大,導致不能選擇出經濟而有效的抗沖耐磨材料,同時,預期效果也往往難以達到。

3.2 設計指標的確定

3.2.1 混凝土抗沖磨強度與厚度

抗沖磨混凝土的厚度可按下式估算:

式中 R——抗沖磨強度,即單位面積上磨蝕1cm深所需的小時數;

T——1年內沖磨天數,對于徑流電站來說沖磨天數為大于河流造床流量的泄洪天數;

n——檢修年限;

K——安全系數2;

δ——抗磨層厚度,以cm計;

R0——混凝土抗壓強度,MPa;

p——水中挾沙量,以%計;

V——水流流速,m/s。

但考慮工程正常運行的需要,在沖磨達到一定深度時,工程的安全將存在很大隱患,或效益損失很大,必須進行維修,所以,按上式計算得到的混凝土厚度需要根據工程的實際情況進行調整,或者明顯不合理時,重新選擇設計方案。

3.2.2 混凝土抗壓強度與抗沖磨防空蝕性能

如式(2),混凝土的抗壓強度對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。一般認為,C25強度以上的混凝土才具有一定的抗空蝕性能,抗壓強度達到C40以上時,普通混凝土在流速30m/s情況下,已難免空蝕;因此,不必過分地依靠提高混凝土的強度指標來改善其抗沖蝕性能。

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、凍融等效應同時對混凝土的抗磨蝕能力產生影響;因此,在進行泄流結構的抗磨蝕設計時,不能僅僅考慮其強度指標,而忽略了其他與耐久性相關的設計參數。

3.3 柔性抗沖磨噴涂技術

DL/T5207—2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術規范》中規定,抗沖磨混凝土側墻厚度不宜小于20cm,底板厚度不宜小于30cm;過流表面的不平整度處理標準根據水流空化數確定,當水流空化數在0.1～0.6之間時,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,側向坡度為1/4～1/2。為確保工程安全,許多項目在實際選用時,往往都對上述指標進行了提高,如新安江水電站對溢流壩面不平整度限制在3mm以下,平行水流坡度不大于1%(當流速大于25m/s時),垂直水流坡度不大于2%(當流速大于25m/s時);圍灘電站大壩泄水底孔側墻與底板厚度均為100cm。事實上,對大多數部位,在磨蝕破壞范圍很小時,對工程的正常運行已產生影響,或在破壞繼續擴展后,維修費用將會大幅度增加。而過高的平整度要求,使施工技術難度加大,實施困難,造價也非常昂貴。當前,國內外抗沖磨護面噴涂技術已有很大發展,如中國水利水電科學研究院研制的雙組分無氣高壓噴涂技術,噴涂速度10m2/min,能適應40m/s的高流速沖磨。噴涂聚脲彈性體技術是國內近年來開發的一種新型無溶劑、無污染的綠色施工技術。抗沖磨強度達到C60硅粉混凝土的10倍以上,適用于混凝土表面抗磨損、防滲和防腐等領域。柔性抗沖磨噴涂技術為減小抗沖磨混凝土厚度、加快施工進度、降低工程費用等提供了條件。

4 結 語

(1)DL/T5207—2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術規范》中的一些規定不盡合理,使用中應注意靈活運用,切忌生搬硬套。

(2)造成水工泄水結構的磨蝕破壞因素很多,應對水流流速、含沙量、泥沙粒徑及組成、水流脈動壓力、構筑物運行制度等進行深入分析,弄清可能造成結構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通過模型試驗確定。

(3)摻氣抗磨防蝕技術與柔性抗沖磨噴涂技術在實際應用中效果較好,費用較省,根據具體情況,可以單獨或配合使用。

(4)提高混凝土的強度可以相應增強構筑物表面的抗磨防蝕性能,但不是惟一影響因素,在混凝土配比設計中,應同時考慮骨料強度、水灰比等對磨蝕強度的影響;此外,混凝土的磨蝕與混凝土的碳化、滲透、凍融等效應同時作用,單一抗磨蝕指標很難反映混凝土的真實抗磨蝕能力,因此,在選擇混凝土的抗磨蝕指標時,應同時提出混凝土的碳化、抗滲、抗凍、裂縫控制系數、沖擊韌度等耐久性綜合指標。

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