提高水工建筑物抗沖磨蝕性能對策探究

【摘要】隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源資源緊缺問題愈加突出，對水電站的建設(shè)以及水工建筑物抗沖磨性提出了更高的要求。而混凝土作為水工建筑物的重要材料，其抗沖磨性能對混凝土耐久性具有直接的影響，要想保證水工建筑的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須要高度重視混凝土的耐久性，適當(dāng)提高抗沖磨蝕性能，保證水工建筑物的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文就對水工建筑物沖磨蝕破壞的特點(diǎn)及因素進(jìn)行分析，并提出幾點(diǎn)有效對策，以便相關(guān)人士借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】水工建筑物；抗沖磨蝕性能；對策

一、水工建筑物沖磨破壞的特點(diǎn)與因素分析

（一）特點(diǎn)

水工建筑物沖磨破壞涉及空蝕與磨蝕，其中磨蝕是指含沙高速水流對混凝土表面產(chǎn)生的切削、摩擦與沖擊等作用，而水工建筑物發(fā)生沖磨破壞的部位包括隧洞的泄水段、深孔閘門、進(jìn)口以及建筑物的泄洪底孔、水閘底板、泄洪等。當(dāng)然水工建筑物發(fā)生磨蝕破壞條件需要滿足兩個(gè)方面：一是挾帶固體顆粒的水流流速應(yīng)能啟動(dòng)水流挾帶沙石的速度；二是水流中挾帶有一定的固體顆粒。一般情況下，水工建筑物的沖磨破壞特點(diǎn)主要表現(xiàn)為如下幾點(diǎn)：①空蝕與沖磨破壞的發(fā)展可能會(huì)出現(xiàn)大面積的水力沖涮破壞；②沖磨剝蝕會(huì)導(dǎo)致空蝕破壞的產(chǎn)生；③空蝕或沖磨后的混凝土依然堅(jiān)硬；④過流混凝土表面產(chǎn)生剝蝕坑，且剝蝕坑的深度至少達(dá)幾厘米，這樣會(huì)使建筑物出現(xiàn)空蝕破壞；⑤沖磨剝蝕的面積相對較大，會(huì)均勻磨損混凝土，致使其形成沖坑。

（二）因素

1、推移質(zhì)的影響

懸移質(zhì)主要是借助摩擦的作用來磨破壞水工建筑物，而推移質(zhì)不僅具有磨損的作用，也具有砸撞沖擊的作用，能夠通過滾動(dòng)與跳躍等方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，繼而沖擊破壞壁面，尤其是對角度的沖擊。如果角度沖擊相對較大，砂粒垂直動(dòng)能分量會(huì)有所變大，磨損混凝土壁面；沙粒沖擊混凝土的表面后，在反復(fù)的作用下會(huì)使壁面受到多次沖擊與切削。如果材料強(qiáng)度達(dá)到疲勞極限值后，則會(huì)出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象，如表面剝落且朝縱深方向的發(fā)展。這種形式的破壞機(jī)理相對復(fù)雜，深受沖擊、滾動(dòng)、滑動(dòng)等形式的影響，也與過流時(shí)間、數(shù)量、質(zhì)量與沙粒形狀等相關(guān)。

2、懸移質(zhì)的影響

高速水流挾帶的泥沙顆粒會(huì)切削與摩擦混凝土表面的水泥漿層，淘刷粗骨料中的砂漿，使粗骨料裸露出來。由于粗骨料具有較大的硬度，能夠形成耐磨層，可以承受長久的磨損，將其作為混凝土的制作材料，能保證混合土的硬度與耐磨性能。通常水流流速相對較小時(shí)，混凝土壁面承受的懸移質(zhì)泥沙的沖量相對較小，只要流速不超過界限值，則泥沙不會(huì)對混凝土造成明顯的磨損。除此之外，沙粒的粒徑不同時(shí)，即便沖角與沙速相同，同一種材料導(dǎo)致的磨損率也有所不同，如尖角形、棱角形和圓球形等的泥沙，其產(chǎn)生的磨損能力比例為3：2：1，若材料硬度高于顆粒硬度，往往不會(huì)產(chǎn)生過大的磨損，否則會(huì)使材料表面出現(xiàn)坑洞。

二、提高水工建筑物抗沖磨蝕性能對策

（一）科學(xué)設(shè)計(jì)抗磨蝕方案

對于水工建筑物而言，其運(yùn)行方式不同使得抗沖磨設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)方案的選擇也有所不同。例如：對于費(fèi)用占用比例大、結(jié)構(gòu)作用重要、流速高的水工建筑物，相關(guān)人員可以選用彈性模型試驗(yàn)，對水流脈動(dòng)壁壓作用進(jìn)行分析，并按照規(guī)定的要求科學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體形，以便控制結(jié)構(gòu)共振，有效解決流激振動(dòng)破壞問題。對于間歇性的工程而言，可以適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)壁面抗磨蝕材料的厚度，適當(dāng)降低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而節(jié)省工程費(fèi)用。當(dāng)然要想提高水工建筑物的抗沖磨蝕性能，必須要對邊界輪廓形態(tài)加以適當(dāng)改進(jìn)，其初生空化數(shù)應(yīng)地域泄水運(yùn)行時(shí)的水流空化數(shù)，高度關(guān)注沿程動(dòng)水壓強(qiáng)的分布，以免測壓管水頭存在負(fù)壓的問題，有效限制過小的水流空化數(shù)。

（二）合理選擇材料

水工混凝土中的摻合料涉及磨細(xì)礦渣粉、硅粉和粉煤灰等，如果水泥用量保持一致，摻入硅粉后會(huì)提高混凝土1.3～3.5倍的抗沖磨強(qiáng)度以及1.3～2.3倍的抗壓強(qiáng)度。以往水工建筑中產(chǎn)生的抗沖磨材料多是選用硅粉混凝土，但是將硅粉加入到混凝土中，會(huì)影響施工效果，不能很好地進(jìn)行收光抹面工作，極易出現(xiàn)干縮裂縫。隨著科技的發(fā)展，HF混凝土作為一種全新的水工抗沖磨性材料，可以利用HF外加劑來激發(fā)粉煤灰的活性，保證膠凝材料的堅(jiān)硬性與膠結(jié)力，提高混凝土的抗磨強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。

（三）改進(jìn)施工工藝

第一，真空處理混凝土。對混凝土進(jìn)行真空處理，主要是在混凝土表面用氣墊薄膜真空吸水裝置或真空模板形成真空，吸走表面附近的水與氣泡，并結(jié)合組大氣壓來加以處理混凝土，促進(jìn)混凝土早期強(qiáng)度的提升。相較于普通混凝土而言，3d可提高1倍的抗壓強(qiáng)度，而28d抗壓強(qiáng)度和抗凍性能可分別提高20%與2.0倍，抗沖磨能力則能提高30%～50%，收縮性則降低15%。第二，二次振搗處理混凝土。水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2凝膠是水泥石中最不耐磨的部分，經(jīng)過一段時(shí)間的水化，可以通過振搗破壞混凝土收尾的膜層，這樣可以讓未水化的內(nèi)核接觸溶液，加快反應(yīng)的速度，繼而提高混凝土的強(qiáng)度，減少收縮裂縫。第三，科學(xué)采用性抗沖磨噴涂技術(shù)。抗沖磨混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度直接影響著水工建筑物的抗沖磨性，因此在實(shí)際工作中需要使其底板和側(cè)墻的厚度分別超過30cm與20cm，利用水流空化數(shù)來保證工程的安全。如果空化數(shù)保持在0.1～0.6之間，突體高度應(yīng)保持在6mm～12mm的范圍內(nèi)，突體的下游坡度應(yīng)為1/8～1/5，而上游坡度應(yīng)為1/10，側(cè)向?yàn)?/4～1/2。

結(jié)束語

總之，混凝土構(gòu)成材料的抗沖耐磨性能直接決定著水工建筑物抗沖磨蝕的強(qiáng)度。因此在實(shí)際施工中必須要從實(shí)際情況出發(fā)，合理選擇材料，科學(xué)設(shè)計(jì)抗磨蝕方案，改進(jìn)施工工藝，采用先進(jìn)的施工技術(shù)，繼而有效控制施工質(zhì)量，提高骨料與水泥石的黏結(jié)力和耐磨性，增強(qiáng)水工建筑物的抗沖磨蝕性能，保證水工建筑的正常運(yùn)行。

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