泄水建筑的高速大粒徑推移質(zhì)抗沖擊設(shè)計(jì)

李 偉

(新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830000)

0 前 言

磨損和氣蝕破壞是水電工程泄、放水建筑物常遇問(wèn)題之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已建大、中型水電工程中約有70%左右的工程存在不同程度的磨蝕破壞，這些問(wèn)題的存在嚴(yán)重地影響了水工混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用和工程運(yùn)行安全，不僅會(huì)造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失，有的還會(huì)對(duì)水利工程安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。因此，對(duì)沖磨蝕破壞的水工建筑物修復(fù)工作成為水利水電工程水工建筑物加固工程中較為重要的環(huán)節(jié)[1]。在水工結(jié)構(gòu)中，較懸移質(zhì)而言，推移質(zhì)對(duì)水工泄水建筑物的破壞作用更加嚴(yán)重。

然而，隨著水電工程規(guī)模的不斷增大，對(duì)泄水建筑物的抗沖蝕性能也提出了較高的要求，尤其是當(dāng)水流流速較高，水流中挾帶砂石等推移質(zhì)時(shí)，這種破壞現(xiàn)象更為嚴(yán)重。美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)Tony C．Liu采用水下鋼球法模擬推移質(zhì)破壞[2]。調(diào)查表明，水工泄水建筑物如大壩的溢洪道、消力池、泄洪洞以及通航建筑物的閘室底板、輸水廊道、電站底部的排沙底孔等部位的表面經(jīng)常遭受高速含沙水流或攜帶推移質(zhì)水流的沖刷，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損及氣蝕破壞[3]。因此，對(duì)抗沖磨材料的研究顯得尤為關(guān)鍵，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，研究人員嘗試了多種抗沖磨材料[4-5]，主要包括以下幾種：① 高性能混凝土類，如高標(biāo)號(hào)混凝土、硅粉混凝土、聚合物混凝土等；② 護(hù)面板材類，如鑄石板、鋼板、陶瓷板等；③ 砂漿類，如聚合物砂漿、環(huán)氧類砂漿等；④ 橡膠類，工程橡膠、聚脲彈性體材料等。采用硅粉、粉煤灰、礦渣等，以配制高強(qiáng)度高性能混凝土為出發(fā)點(diǎn)，提高混凝土的整體抗沖磨強(qiáng)度。采用防護(hù)面板或涂層，是直接利用高強(qiáng)材料的優(yōu)異力學(xué)性能抵抗沖磨破壞。然而，以上技術(shù)對(duì)于大粒徑推移質(zhì)的沖蝕破壞收效甚微，如何進(jìn)行泄水建筑過(guò)流面的抗沖擊設(shè)計(jì)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

1 高速大粒徑推移質(zhì)的沖擊破壞

高速挾沙水流作用下的泄水建筑物表面會(huì)存在不同程度的沖蝕破壞問(wèn)題，一般認(rèn)為，破壞主要分為磨損、沖擊、氣蝕或振動(dòng)4種類型[6]：① 磨損，水工混凝土的磨損與水流速度、歷時(shí)、含沙量、泥沙硬度、粒徑等因素有關(guān)，發(fā)生磨損破壞后，膠凝物被淘刷、粗骨料外露、表面出現(xiàn)魚(yú)鱗狀的突起和凹槽；② 空蝕，混凝土表面的毛糙和不平整會(huì)在過(guò)流表面形成各種漩渦流，隨著漩渦流強(qiáng)度的增大，低壓區(qū)空化的氣泡在混凝土附近潰滅，對(duì)混凝土表面產(chǎn)生空蝕破壞，輕者如蜂窩狀麻面，重者將骨料拔出，形成深洞；③ 沖擊，水流中的泥沙無(wú)論顆粒大小都主要以沖擊方式作用于材料表面，大粒徑推移質(zhì)石塊，主要以沖擊、滾動(dòng)、滑動(dòng)等方式作用于材料表面，不斷沖擊混凝土材料表面，使其產(chǎn)生凹坑和裂紋；④ 振動(dòng)，混凝土的抗拉強(qiáng)度較小，高速水流紊動(dòng)形成的脈動(dòng)壓強(qiáng)，會(huì)引起水工結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。大量推移質(zhì)石塊(直徑超過(guò)20 cm)在高速水流的作用下，對(duì)混凝土表面造成破損，同時(shí)也會(huì)破壞下層混凝土。局部表面破損又會(huì)加劇水流紊亂，該部位會(huì)加劇空蝕、磨損和振動(dòng)等其他形式破壞，進(jìn)而破壞深層混凝土，最終形成局部沖蝕深坑或其他極為嚴(yán)重破損，這是高速大粒徑推移質(zhì)沖蝕破壞的特點(diǎn)。

除水流速度外，近期研究表明大粒徑石塊和尖銳外形也是推移質(zhì)破壞的重要的影響因素，該試驗(yàn)將沖磨介質(zhì)鋼球改為帶有棱線的球形六面體，且增加大直徑鋼球的占比，采用水下鋼球法測(cè)試混凝土抗沖磨性能，試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范的水下鋼球法試驗(yàn)相比：混凝土試塊磨損率提高一倍，抗沖磨強(qiáng)度降低一半，沖痕深度增大5倍以上，研究結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行的泄水建筑物破壞規(guī)律相符。以新疆地區(qū)為例，許多水庫(kù)由于兩岸植被很少，兩岸及河床的沙石在汛期被高速水流挾帶，特別是高速推移質(zhì)中含有大量較大石塊時(shí)破壞極為嚴(yán)重，如圖1所示，泄水建筑表面局部20 cm厚混凝土護(hù)層被磨掉、鋼筋裸露甚至磨斷等破壞現(xiàn)象非常普遍，沖坑深度和破損程度明顯更為嚴(yán)重。

2 抗沖擊設(shè)計(jì)

目前常用的防護(hù)材料結(jié)構(gòu)上都是在混凝土表層形成一定厚度的防護(hù)層，對(duì)于懸移質(zhì)磨蝕，這種防護(hù)結(jié)構(gòu)是有效的，如圖1所示。

圖1 常規(guī)防護(hù)涂層示意圖

但是對(duì)于大石塊推移質(zhì)的沖擊破壞，此類涂層防護(hù)效果并不明顯，可以利用沖擊理論對(duì)此分析。石塊推移質(zhì)沖擊可以簡(jiǎn)化為水平?jīng)_擊系統(tǒng)[7-8]，當(dāng)重量為Q的石塊以速度v沖向混凝土，沖擊變形Δd和沖擊應(yīng)力σd分別如公式(1)和公式(2)所示：

(1)

(2)

式中:Δst為靜變形，N/mm2；σst為靜應(yīng)力，N/mm2。

如圖1所示，如果防護(hù)材料是硬質(zhì)材料，則靜變形很小，根據(jù)公式(1)和公式(2)，相應(yīng)的沖擊載荷和沖擊應(yīng)力很大；如果防護(hù)材料較為柔軟，靜變形增加，可以降低沖擊載荷，但是較大的靜變形導(dǎo)致靜應(yīng)力增大，結(jié)果沖擊應(yīng)力也可能會(huì)增大。沖擊應(yīng)力越大越容易產(chǎn)生破壞，因此，目前單一的防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)對(duì)于高速石塊沖擊，未能表現(xiàn)出好的防護(hù)效果。

對(duì)此，提出了“耐磨型鋼+澆注抗撕裂改性聚氨酯彈性體”的設(shè)計(jì)思路，在結(jié)構(gòu)和材料上采用抗沖擊設(shè)計(jì)，如圖2所示。

工字梁表面經(jīng)過(guò)抗磨處理，之間充填聚氨酯材料。充填的聚氨酯材料也能夠使得局部靜變形增大，由于工字鋼良好的抗彎性能，可以避免整體變形過(guò)大使得靜應(yīng)力過(guò)于增大，根據(jù)公式(2)可知，沖擊應(yīng)力會(huì)相應(yīng)減小，因此這種結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)在理論上優(yōu)于上述單一的防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)。

由于單個(gè)石塊重量有限，即使考慮到?jīng)_擊，破壞強(qiáng)度并不大，產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力是在可承受范圍之內(nèi)的。表面護(hù)層之所以產(chǎn)生破壞，是數(shù)量眾多石塊對(duì)護(hù)面反復(fù)沖擊，一些部位材料達(dá)到疲勞極限時(shí)，首先發(fā)生破壞，然后在各種破壞因素的共同作用下破壞面積和深度逐漸增大。因此，抗沖擊設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是，從結(jié)構(gòu)和材料兩方面優(yōu)化設(shè)計(jì)表面護(hù)層，使其抗沖擊性能得到提高，進(jìn)而使其抗疲勞破壞的性能得到有效提高。澆注抗撕裂改性聚氨酯涂層施工主要使用材料如下：

圖2 耐磨型鋼+澆注抗撕裂改性聚氨酯彈性體防護(hù)圖

抗撕裂聚氨酯：由異氰酸酯(單體)與羥基化合物聚合而成，主鏈含-NHCOO-重復(fù)結(jié)構(gòu)單元。由于含強(qiáng)極性的氨基甲酸酯，不溶于非極性基團(tuán)，其主鏈結(jié)構(gòu)中的硬段含量相對(duì)較高，因此該材料具有良好的抗撕裂性，同時(shí)也具有優(yōu)良的耐磨性、耐老化性和韌性。

聚氨酯固化劑：采用二元胺類固化劑，該工藝簡(jiǎn)單安全，固化后聚氨酯物理性能優(yōu)異，具有較高硬度和抗撕裂性能。

聚氨酯彈性體粘接底膠：該材料耐水、鹽霧、多種溶劑以及其它苛刻環(huán)境。操作方便，單涂使用，工藝簡(jiǎn)化，能適用各種加工工藝，具有優(yōu)異的粘接性能。

鋼板網(wǎng)：鋼板網(wǎng)材質(zhì)為Q235，厚度8 mm，網(wǎng)孔直徑10 mm，焊接于型鋼之間，底部與支撐螺紋鋼焊接，起到連接型鋼、提高整體性、增加結(jié)合力及支撐的作用。

耐水劑：該助劑可提高涂層的耐水性、柔韌性和附著力。

抗老化劑：自制，該助劑加入可以提高涂層的耐候性、抗光老化性能。

3 應(yīng)用實(shí)例

新疆某水電站工程位于玉龍喀什河下游河段的峽谷山區(qū)內(nèi)，總裝機(jī)容量為75 MW(生態(tài)電站5 MW)，水庫(kù)總庫(kù)容1 130萬(wàn)m3，屬Ⅲ等中型工程。電站主要建筑物包括大壩、泄水建筑物、發(fā)電引水建筑物、水電站廠房及尾水渠。導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞布置在右岸，溢洪道右側(cè)。由引渠段、進(jìn)口閘井段、有壓洞身段、工作閘井段、無(wú)壓洞身段、出口消能段組成。設(shè)計(jì)泄量623 m3/s，校核泄量748.26 m3/s。出口工作閘井為豎井型式。底高程1 731.38 m，頂高程1 765.00 m，寬10.6 m，長(zhǎng)22.5 m，內(nèi)設(shè)一道弧形工作門，孔口尺寸為6.0 m×6.8 m(寬×高)，采用C25F200W6鋼筋混凝土襯砌，閘門門槽底板加鋼板襯護(hù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖3。

圖3 某電站工作閘井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖單位：高程，m;尺寸，mm

工程于2014年建成，導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞經(jīng)過(guò)一個(gè)汛期運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)工作閘井混凝土工作閘井邊墻混凝土距底板2～4 m范圍存在明顯磨蝕現(xiàn)象，距底板1 m范圍內(nèi)磨損嚴(yán)重，混凝土骨料裸露，部分部位磨蝕較深?；￠T底板鋼襯及下部二期混凝土已嚴(yán)重破壞。底板鋼襯下游3～5 m范圍一期、二期底板混凝土磨損嚴(yán)重，左側(cè)靠近邊墻部位沖磨蝕深度約30 cm左右。在底板鋼襯下游約0.5～2 m范圍發(fā)現(xiàn)有垂直水流方向鋼筋已沖蝕磨斷，如圖4所示。

圖4 某電站工作閘井混凝土磨蝕情況圖

經(jīng)分析，主要原因是由于河流含沙量高，存在大量30 cm以下的推移質(zhì)，當(dāng)工作閘門長(zhǎng)期局開(kāi)運(yùn)行時(shí)，工作閘井處水流流速高、沖擊磨蝕嚴(yán)重，造成閘井出現(xiàn)不同程度的破壞。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)研究，于2017年采用了圖2中“耐磨型鋼+澆注抗撕裂改性聚氨酯彈性體”的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)2個(gè)汛期，底板未出現(xiàn)磨損破壞情況，過(guò)流面平整，效果如圖5所示。

圖5 兩個(gè)汛期后涂層的防護(hù)效果圖

通過(guò)圖5不難看出，沖蝕最嚴(yán)重的工作閘門底板基本完好，說(shuō)明經(jīng)受住了高速大粒徑推移質(zhì)的沖蝕考驗(yàn)。運(yùn)行兩個(gè)汛期表明“耐磨型鋼+澆注抗撕裂改性聚氨酯彈性體”的設(shè)計(jì)滿足抗沖磨要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

為解決高速大粒徑推移質(zhì)對(duì)水工泄、放水建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)沖擊造成沖蝕破壞，提出了“耐磨型鋼+澆注抗撕裂改性聚氨酯彈性體”的復(fù)合式修復(fù)設(shè)計(jì)思路，并成功應(yīng)用于新疆某水電站工程導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞出口工作閘井修復(fù)工程中。本方案施工簡(jiǎn)便、防推移質(zhì)沖磨效果好，解決了泄水建筑物抗推移質(zhì)沖磨破壞修補(bǔ)領(lǐng)域的難題，值得推廣應(yīng)用。