水工泄水结构的抗磨防蚀设计探讨

张 磊

我国是个河流多沙的国家,在众多河流中,有42条多年平均年输沙量在1000万t以上,年最大输沙量超过1000万t的河流有60多条,含沙水流对水工泄流建筑物的冲刷磨损破坏已引起人们的高度重视。同时,随着国家经济实力的提升以及新建水库自然条件的愈加恶化,我国在建和待建的高坝泄水建筑物所涉及的水流流速越来越大,高速含沙水流的冲刷磨损和空蚀破坏问题越来越突出,直接关系到枢纽工程的安全。虽然,这方面的研究工作已经很多,但由于问题的复杂性,人们往往对同一问题的看法出入很大,甚至完全相反。工程设计中,更是缺少一套科学、严谨、针对性很强的规范性文件作为支持,导致在含沙高速水流环境下,一些水工泄水结构的防冲抗磨抗蚀设计方案,往往很难达到预期的效果,有的甚至运行时间很短就发生磨蚀破坏,而有的则因为设计标准过高,带来很大的资金浪费。设计中的问题主要表现在以下几个方面。

(1)水利行业缺少专门的水工混凝土抗冲磨防空蚀技术规范。当前用于指导设计的主要是电力行业标准DL/T5207—2005《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》,而该规范在用于水利工程的抗冲磨防空蚀设计时,往往表现出很多不足,如对混凝土的质量标准仅仅局限于其强度指标,导致评判标准不全面、不科学,按此执行,很难达到满意的效果;还有对影响混凝土抗冲磨防空蚀的关键因素考虑不全,对部分关键因素没有给予足够的重视,过分强调个别性能而忽视其它性能,甚至忽视关键性能等。

(2)同样环境选择不同方案。鉴于对含沙高速水流冲磨空蚀的理解存在出入,即使同一河流的上下游工程,处理方式常常存在很大区别。如在丹河上修建的东焦河水电站,设计单位为晋城市水利设计院,其冲沙底孔四周只是采用C25混凝土衬砌,而在距其下游近5km的围滩水电站(冲沙底孔最大工作水头39.5m,最大水流流速22m/s,泥沙含量很少),晋城市水利设计院在初设时采用了与东焦河相同的处理办法。山西省水利水电勘测设计研究院在变更设计中,不仅考虑了结构抗冲磨防空蚀的要求,而且将边壁材料要求为HFC40W6F150,厚度为100cm。由此可见,认识不同,方案区别很大,资金投入也有很大出入。

(3)不同环境下方案选择的随意性强。主要表现在一些大型泄水工程,水流含沙量也很大,但经过分析,认为冲磨与空蚀的影响很小,选择的设计标准很低,甚至不考虑其影响,仅采用常态混凝土形成泄水构筑物;而一些流速和含沙量均较小的工程,却选择了很高的标准进行设计。另一方面表现在材料选择的任意性上,或是效果不好,或是不能满足设计使用年限的要求,或是过高地选择材料标准造成护面价格过高。

(4)破坏部位的修复处理方法多样,设计效果的验证资料少。当前关于抗磨防蚀处理的结果多具有独立性,共性、定性的结论很少,设计中可以直接借鉴的方案依据性不够。

本文针对影响水工建筑物抗磨防蚀的各种因素,提出了个人的一些见解,希望对解决此类工程的设计问题有所帮助。

1 冲蚀机理

通常认为,含沙高速水流对水工泄流建筑物的磨蚀破坏分为磨损、冲击、空蚀和流激振动破坏等4种类型。

1.1 磨损

磨损是由于水流所夹带的固体颗粒在结构表面滑动、滚动和跳动等直接产生摩擦的结果。含沙水流的磨损,属于水沙二相流问题,当沙粒冲磨固体壁面材料时,把一部分或全部能量传递给壁面材料,在材料表层转化为表面变形能,从而造成材料的磨损。水流冲角的大小对磨损的结果影响很大,在含沙高速水流中,冲角小,以微切削破坏为主;流速较小,表现为大粒径跳滚磨损形式,冲角大,以冲击变形磨损为主。磨损的程度与水流速度、固体颗粒的含量、形状、大小、硬度以及作用时间等因素有关。

1.2 冲击

冲击是由含沙高速水流中的推移质颗粒的滚动、跳动作用引起的结构表面的破坏形式。冲击力的大小与水流速度、运动形式、所夹带颗粒粒径等有关。

1.3 空蚀

液体在恒温下用静力或动力方法减压到一定程度就会有充满气体与蒸汽的空泡出现并发育生长,即空化。液体流经的局部区域,若压强低于某一临界值,液体也会发生空化。在低压区空化的水流夹带着大量的空泡,在流经下游压强较高的区域时,气泡发生溃灭,并伴生极大的压力,大致为700mPa。如气泡在结构边壁表面或其附近溃灭时,将对结构表面产生极大的冲击力,以致引起破坏,即为空蚀。

通常认为,混凝土的空蚀破坏,是由于空蚀的作用力将骨料从混凝土中拔出,尤其是大骨料的抗拔力更差,因此,混凝土对骨料的黏着力比其硬度更重要。

1.4 流激振动破坏

高速水流紊动强烈,形成作用于结构壁面上的紊流脉动压强,其合力构成了作用于结构上的激振力,有可能导致过流边界的结构振动。由于混凝土结构的抗拉强度较小,在长期的运行过程中,常引起疲劳破坏。

水工结构的流激振动与脉动壁压、结构自身及其相互作用有关。减小结构振动的途径主要从减小脉动壁压和增强结构的抗振能力两个方面入手。对结构进行优化设计,改变结构的自振频率,从而避开能谱曲线上主频率附近的高能区,或控制振动在允许的范围内,成为解决流激振动的有效措施。

2 影响水工结构抗磨防蚀能力的因素

2.1 结构体形

选择合理的结构与结构体形对提高水工泄流结构的抗磨蚀能力至关重要,而且,一旦建筑结构最终形成,希望提高或改善抗磨蚀能力在技术上往往很难,而且费用也会大幅度增加。

对于流速很高、结构作用重要或费用占用比例较大的泄流构筑物,如分水导墙等薄壁结构,可通过水弹性模型试验,研究水流的脉动壁压作用,通过设计合理的结构体形,确保在动态环境下,对结构的共振得到控制,从而解决流激振动破坏问题。

合理的过流边壁体形对控制含沙高速水流的冲磨和空蚀也是有利的。为防止泄水构筑物过流边壁发生空蚀,最根本的措施是改进边界的轮廓形态,使泄水运行时各部位的水流空化数大于其初生空化数。此外,考虑到组成水流空化数数值中过流断面边壁时均动水压力水头即测压管水头的影响,在泄水构筑物选项和水力设计时,应注意沿程动水压强的分布,限制测压管水头出现负压的范围和绝对值,以间接限制过小的水流空化数。

2.2 抗冲蚀材料

当前,用于泄水构筑物面层的抗磨蚀材料很多,一般说来,抗空蚀性能好的材料抗磨蚀能力也较强。材料的硬度对抗磨蚀性能至关重要,而一定的材料韧性,可以吸收一部分冲击能量,并相应减小因疲劳而引起的断裂破坏。常用抗磨蚀材料有:(1)混凝土类:包括高标号混凝土、钢纤维混凝土、微纤维多元复合混凝土、聚合物混凝土、硅粉混凝土、HF混凝土等;(2)护面板材类:包括辉绿岩铸石板、钢板、高铝陶瓷等;(3)砂浆类:包括钢纤维砂浆、聚合物砂浆、硅粉砂浆、环氧砂浆等;(4)抗冲蚀涂层:包括聚氨酯改性双组分环氧树脂材料、聚脲弹性体材料、双组分聚氨基甲酸乙脂合成橡胶等。鉴于高速水流对建筑物冲蚀破坏作用的复杂性,在选择抗冲蚀材料时,应考虑水流的具体特征,对不同材料方案进行多方面的分析和比较,且不可照搬硬套。

2.3 掺气减蚀抗磨

空化水流是造成泄水结构壁面空蚀破坏的主要原因,利用人工掺气改变来流状态从而防止空蚀的技术已经在国内外一些工程中得到应用,并取得了显著效果。有研究表明,人工掺气有助于提高边壁材料抵抗含沙高速水流磨蚀的能力。

2.4 施工技术

前已述及,保持泄流结构壁面一定的平整度,对减少空蚀有益;同时,不同的抗冲磨材料,对施工技术都有相应严格的要求,否则,很难达到预期的效果,而在施工工艺方面,目前人们的关心程度还不够,致使新建工程往往留下许多质量隐患。

3 水工泄水结构的抗磨蚀设计

3.1 方案的确定

3.1.1 根据水流具体情况选择抗磨蚀方案

水工泄水结构的抗冲磨防空蚀是涉及到多个学科的复杂问题,影响的因素很多,而且对一些因素的研究还不够深入,因此,必须对具体工程、具体条件进行具体分析,确定出适宜本工程的方案。规范是设计指南,但不是绝对的、刚性的。设计中既要遵循规范中的某些禁止和强制性条款,同时要摆脱规范的约束,做到灵活运用,否则,往往造成事与愿违的结果。

水流流速、含沙量及组成的影响。研究表明,不同的水流流速、含沙水流中悬移质与推移质的质量比例、推移质颗粒大小等对泄水构筑物的磨蚀影响不同。黄河上一些水利枢纽经若干年运行后检查发现,在流速降到15m/s以下时,含沙水流对混凝土的冲磨作用较小。国内几个遭受空蚀破坏的泄洪洞典型实例表明,泄洪洞发生空蚀破坏具有如下特点:(1)水头高:在94～155m之间;(2)流速大:在38～49m/s之间;(3)水流空化数很低,均小于0.15。高速水流的动水压力和脉动压力可能造成结构和混凝土破坏,其表现有时与磨蚀破坏相似,不容易被发现和重视,需要通过优化工程结构来控制。

工程运行方式的影响。含沙水流磨蚀泄流构筑物表面的抗磨蚀能力与冲磨的时间、检修周期和抗磨材料的强度等有关。泄流构筑物的运行方式不同,需要选择不同的抗冲磨设计方案和设计标准。对于间歇性运行的工程,结构壁面抗磨蚀材料厚度可以减小,同时,因为有足够的检修时间,设计标准可以适当降低,以减少工程费用。

3.1.2 合理选择泄水构筑物体形

在水流流速和泥沙含量相对较低的情况下,合理的泄水构筑物体形对抵抗水流冲蚀破坏的效果很明显,有时,甚至可以不考虑专门的磨蚀材料设计。对于矩形门槽、消能工等局部流态复杂的部位,合理的体型对减缓空蚀、冲磨破坏至关重要。

3.1.3 掺气减蚀抗磨技术

实践表明,流速超过35～40m/s的高水头泄水构筑物,仅靠改进过流边界体型、提高施工水平以及提高材料强度等来减蚀抗磨是很困难的,同时,费用上也是不合理的,而水流边界掺气的措施是有效和积极的措施。关于掺气浓度以及减蚀保护长度,目前只能依赖原型观测积累的经验确定。林炳南教授指出,只要有不到6%的掺气浓度,即可防止40m/s流速下,不平整度2cm的混凝土空蚀问题。

3.1.4 杜绝以材料定方案

当前,一种不好的情形是根据材料选择抗磨蚀方案,即借鉴其他项目的经验,不论本工程的具体条件是否一致,照搬套用。对于具体的工程,表现为材料选择的随意性较大,导致不能选择出经济而有效的抗冲耐磨材料,同时,预期效果也往往难以达到。

3.2 设计指标的确定

3.2.1 混凝土抗冲磨强度与厚度

抗冲磨混凝土的厚度可按下式估算:

式中 R——抗冲磨强度,即单位面积上磨蚀1cm深所需的小时数;

T——1年内冲磨天数,对于径流电站来说冲磨天数为大于河流造床流量的泄洪天数;

n——检修年限;

K——安全系数2;

δ——抗磨层厚度,以cm计;

R0——混凝土抗压强度,MPa;

p——水中挟沙量,以%计;

V——水流流速,m/s。

但考虑工程正常运行的需要,在冲磨达到一定深度时,工程的安全将存在很大隐患,或效益损失很大,必须进行维修,所以,按上式计算得到的混凝土厚度需要根据工程的实际情况进行调整,或者明显不合理时,重新选择设计方案。

3.2.2 混凝土抗压强度与抗冲磨防空蚀性能

如式(2),混凝土的抗压强度对混凝土抗冲磨和防空蚀性能的影响很大,但大量研究表明,影响因素还很多,如水灰比、骨料种类及配比、拌合稠度以及表面处理工艺等。一般认为,C25强度以上的混凝土才具有一定的抗空蚀性能,抗压强度达到C40以上时,普通混凝土在流速30m/s情况下,已难免空蚀;因此,不必过分地依靠提高混凝土的强度指标来改善其抗冲蚀性能。

3.2.3 混凝土的抗冲磨性能与耐久性

混凝土的磨蚀破坏往往伴随着其他的破坏形式,亦即混凝土的碳化、渗透、冻融等效应同时对混凝土的抗磨蚀能力产生影响;因此,在进行泄流结构的抗磨蚀设计时,不能仅仅考虑其强度指标,而忽略了其他与耐久性相关的设计参数。

3.3 柔性抗冲磨喷涂技术

DL/T5207—2005《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》中规定,抗冲磨混凝土侧墙厚度不宜小于20cm,底板厚度不宜小于30cm;过流表面的不平整度处理标准根据水流空化数确定,当水流空化数在0.1～0.6之间时,突体高度控制在6～12mm,突体上游坡度为1/10,下游坡度为1/8～1/5,侧向坡度为1/4～1/2。为确保工程安全,许多项目在实际选用时,往往都对上述指标进行了提高,如新安江水电站对溢流坝面不平整度限制在3mm以下,平行水流坡度不大于1%(当流速大于25m/s时),垂直水流坡度不大于2%(当流速大于25m/s时);围滩电站大坝泄水底孔侧墙与底板厚度均为100cm。事实上,对大多数部位,在磨蚀破坏范围很小时,对工程的正常运行已产生影响,或在破坏继续扩展后,维修费用将会大幅度增加。而过高的平整度要求,使施工技术难度加大,实施困难,造价也非常昂贵。当前,国内外抗冲磨护面喷涂技术已有很大发展,如中国水利水电科学研究院研制的双组分无气高压喷涂技术,喷涂速度10m2/min,能适应40m/s的高流速冲磨。喷涂聚脲弹性体技术是国内近年来开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术。抗冲磨强度达到C60硅粉混凝土的10倍以上,适用于混凝土表面抗磨损、防渗和防腐等领域。柔性抗冲磨喷涂技术为减小抗冲磨混凝土厚度、加快施工进度、降低工程费用等提供了条件。

4 结 语

(1)DL/T5207—2005《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》中的一些规定不尽合理,使用中应注意灵活运用,切忌生搬硬套。

(2)造成水工泄水结构的磨蚀破坏因素很多,应对水流流速、含沙量、泥沙粒径及组成、水流脉动压力、构筑物运行制度等进行深入分析,弄清可能造成结构磨蚀破坏的主要影响因素,由此提出合理的抗磨防蚀方案,大型或重要工程的方案应通过模型试验确定。

(3)掺气抗磨防蚀技术与柔性抗冲磨喷涂技术在实际应用中效果较好,费用较省,根据具体情况,可以单独或配合使用。

(4)提高混凝土的强度可以相应增强构筑物表面的抗磨防蚀性能,但不是惟一影响因素,在混凝土配比设计中,应同时考虑骨料强度、水灰比等对磨蚀强度的影响;此外,混凝土的磨蚀与混凝土的碳化、渗透、冻融等效应同时作用,单一抗磨蚀指标很难反映混凝土的真实抗磨蚀能力,因此,在选择混凝土的抗磨蚀指标时,应同时提出混凝土的碳化、抗渗、抗冻、裂缝控制系数、冲击韧度等耐久性综合指标。

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