水工泄水結構的抗磨防蝕設計分析

何平波

摘 要：含沙高速水流對水工泄水結構的沖磨、空蝕破壞已引起人們的高度重視，對水工泄水結構抗沖磨與防空蝕設計的指導性不足。文章根據當前高速水流對泄水結構沖磨與空蝕的研究成果，提出了進行水工泄水結構抗磨防蝕設計的一些建議。

關鍵詞：水工泄水結構；抗磨防蝕；結構體形；設計分析

引言

目前，已經建成使用的泄水建筑物，經過一定時間的使用，都會受到不同程度的磨損和空蝕，因此，水工泄水結構抗磨防蝕的設計研究，具有非常重要的現實意義。

1 沖蝕機理

含沙高速水流對于水工泄水結構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生空泡，里面充滿一定的氣體，并發育成長。當液體流過局部低氣壓區的時候，也會因為氣壓低于一定的臨界值而發生空化。經過空化的液體，再流經氣壓較高的區域，空化的氣泡會發生爆破，產生極大的壓力，對附近的結構表面產生極大的沖擊，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，混凝土結構對于骨料的黏著力更應該重視。

1.2 沖擊

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

1.3 磨損

關于磨損破壞，是含沙高速水流中的固體成分在結構的表面產生滾動、跳動和滑動等作用而產生結果摩擦損壞的。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生的能力，部分或全部傳遞給壁面材料，在材料的表面轉換成變形能，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，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，產生強烈的振動，在結構表面產生振動壓強，從而產生激振力，有可能導致邊界的結構振動，如果混凝土結構的抗拉強度過小，通過長期的振動，有可能造成疲勞破壞。水工泄水結構的流激振動與其自身的結構、壁壓振動以及相互作用有關。為減少其自身的結構振動，需要減少脈動壁壓，并且增強結構的抗振能力。主要方法是，對其結構本身進行優化設計，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

對于水工泄水結構的抗磨防蝕設計，抗沖蝕材料的性能也是其中的一項重要指標。其中材料的硬度對于其抗磨防蝕性能至關重要，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生斷裂破壞。常見的抗磨防蝕材料有混凝土類、砂漿類、護面板材類和抗沖蝕涂層等。混凝土類包括鋼纖維混凝土、高標號混凝土以及微纖維多元復合混凝土等，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構破壞作用的復雜性，并結合相應水流的具體情況，進行全方面的分析和設計，選用最合理的材料。

2.2 結構外形

一個合理的結構外形對于水工泄水結構的抗磨防蝕性能有著至關重要的作用，并且鑒于結構的一次性，結構一旦成形，對于其抗磨防蝕性能很難在技術上再加以改善，并且費用也會進一步提高，因此應該在結構建設之前就對結構外形進行縝密的設計。分水導墻等薄壁結構，對于結構的作用性以及水流流速的防御要求很高而且費用會占很大比例，要通過水彈性模型試驗來研究水流的脈動壁壓作用，進行合理的結構外形設計，確保在動態的影響情況下，對結構的共振進行合理的控制，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構的破壞，要對結構的邊界輪廓形狀進行改進，從而使泄水運行過程中各個部位的水流空化數大于其初生的空化數。另外，在泄水結構選擇和水力設計過程中，應該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，從而間接地控制水流空化數。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行有效控制。

2.3 摻氣減蝕抗磨

水流的空化是造成結構表面產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，這一技術在國內外的一系列工程中已經合理運用，并且取得了一定的效果。

2.4 施工技術

如前所述，保持水工泄水結構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產生相應的要求，否則建筑結構很難達到預期效果，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量的隱患。因此，對于施工技術應該在施工過程中進行重點的控制。

3 水工泄水結構的抗磨防蝕設計分析

3.1 方案的確定

對于結構方案的確定要根據不同的預期情況進行選擇確定。首先是根據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，因此要根據具體的工程情況，進行具體分析，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量比等情況對泄水結構的磨蝕情況影響不同，大多數的磨損空蝕情況，都是由于水頭過高、流速過大或者水流空化數過低等情況而產生的，必須著重重視，通過優化工程結構來進行控制。

還要合理地選擇泄水結構的外形，在水流流速和泥沙含量較低的時候，主要通過泄水結構的外形進行抵抗控制，有的時候抗磨蝕材料的作用都達不到控制作用。特別是對于一些局部流態復雜的地方，合理的外形對抗磨防蝕有著至關重要的影響。還要注重對于摻氣抗磨減蝕技術的應用，對于流速較高并且水頭也很高的結構部位，對于水流邊界進行摻氣處理是費用和技術上的主要控制措施。對于整體結構外形的確定，堅決杜絕墨守成規的搬用規范，杜絕以材料獨自制定方案，要結合本工程的具體情況和經濟效益等綜合情況，進行預期效果的實施建設。

3.2 設計指標的確定

根據相應的規范公式進行抗沖磨混凝土厚度的估算，但要考慮工程正常運行的需要，充分分析其存在的隱患和效益損失，進行及時的維修，并且在具體的工程實踐中進行相應的調整，如果有明顯的不合理情況要及時重新選擇設計方案。設計指標的控制，主要是對于混凝土抗壓強度和抗沖磨防空蝕性能的研究，這兩項指標的影響因素很多，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構指標，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，既要注意對于結構的強度指標的控制，也要注意其耐久性相關指標的觀測控制。

4 結束語

造成水工泄水結構的磨蝕破壞的因素很多，應該根據含沙水流的流速、含沙量以及其他相關因素的影響進行相應的控制，大型的結構設計可以通過一定的模型試驗來確定，來提高結構的強度和抗磨蝕破壞情況，保證結構的正常使用。

參考文獻

[1]王世夏.水工設計的理論和方法[M].北京：中國水利水電出版社，2000.

[2]DL/T5207-2005.水上建筑物抗磨蝕防空蝕混凝土技術規范[S].北京：中國電力出版社，2005.