水工泄水结构的抗磨防蚀设计分析

何平波

摘 要：含沙高速水流对水工泄水结构的冲磨、空蚀破坏已引起人们的高度重视，对水工泄水结构抗冲磨与防空蚀设计的指导性不足。文章根据当前高速水流对泄水结构冲磨与空蚀的研究成果，提出了进行水工泄水结构抗磨防蚀设计的一些建议。

关键词：水工泄水结构；抗磨防蚀；结构体形；设计分析

引言

目前，已经建成使用的泄水建筑物，经过一定时间的使用，都会受到不同程度的磨损和空蚀，因此，水工泄水结构抗磨防蚀的设计研究，具有非常重要的现实意义。

1 冲蚀机理

含沙高速水流对于水工泄水结构的冲蚀破坏一般分为空蚀、冲击、磨损和流激振动破坏四种。

1.1 空蚀

空化是指液体在恒温的影响下，采用静、动力减压到一定程度产生空泡，里面充满一定的气体，并发育成长。当液体流过局部低气压区的时候，也会因为气压低于一定的临界值而发生空化。经过空化的液体，再流经气压较高的区域，空化的气泡会发生爆破，产生极大的压力，对附近的结构表面产生极大的冲击，甚至造成破坏，这便是空蚀。对于混凝土的空蚀破坏，是由于气泡破坏产生的冲击力将骨料在混凝土中脱离，特别是抗拔能力较差的大骨料，因此，混凝土结构对于骨料的黏着力更应该重视。

1.2 冲击

关于冲击的作用，是指含沙高速水流中颗粒的跳动和滚动对于结构表面的破坏作用，冲击力的大小与水中颗粒的运动形式、颗粒含量多少以及水流的速度等有关。

1.3 磨损

关于磨损破坏，是含沙高速水流中的固体成分在结构的表面产生滚动、跳动和滑动等作用而产生结果摩擦损坏的。对于磨损而言，属于水沙二相流的问题，水中颗粒摩擦和冲击产生的能力，部分或全部传递给壁面材料，在材料的表面转换成变形能，从而造成材料的磨损。磨损的程度与固体的颗粒含量、大小、硬度、形状和作用时间等因素有关，特别是水流冲角的大小，冲角小时，主要是微切削破坏；冲角大时，主要是大粒径跳滚磨损破坏形式。

1.4 流激振动破坏

由于水流的高速流动，产生强烈的振动，在结构表面产生振动压强，从而产生激振力，有可能导致边界的结构振动，如果混凝土结构的抗拉强度过小，通过长期的振动，有可能造成疲劳破坏。水工泄水结构的流激振动与其自身的结构、壁压振动以及相互作用有关。为减少其自身的结构振动，需要减少脉动壁压，并且增强结构的抗振能力。主要方法是，对其结构本身进行优化设计，改善其自振频率，有效地避开其振动能谱曲线上的主频率，或者将其控制在允许的范围之中，从而解决流激振动的影响。

2 影响抗磨防蚀能力的因素

2.1 抗冲蚀材料

对于水工泄水结构的抗磨防蚀设计，抗冲蚀材料的性能也是其中的一项重要指标。其中材料的硬度对于其抗磨防蚀性能至关重要，若材料的韧性良好则可以吸收一定的冲击能量，从而减少其因疲劳破坏而产生断裂破坏。常见的抗磨防蚀材料有混凝土类、砂浆类、护面板材类和抗冲蚀涂层等。混凝土类包括钢纤维混凝土、高标号混凝土以及微纤维多元复合混凝土等，砂浆类包括钢纤维砂浆、硅粉砂浆和聚合物砂浆等，护面板材类包括钢板、高铝陶瓷和铸石板等，抗冲蚀涂层包括聚脲弹性体材料、双组分合成橡胶等。而对于抗冲蚀材料的使用，要针对含沙水流对于结构破坏作用的复杂性，并结合相应水流的具体情况，进行全方面的分析和设计，选用最合理的材料。

2.2 结构外形

一个合理的结构外形对于水工泄水结构的抗磨防蚀性能有着至关重要的作用，并且鉴于结构的一次性，结构一旦成形，对于其抗磨防蚀性能很难在技术上再加以改善，并且费用也会进一步提高，因此应该在结构建设之前就对结构外形进行缜密的设计。分水导墙等薄壁结构，对于结构的作用性以及水流流速的防御要求很高而且费用会占很大比例，要通过水弹性模型试验来研究水流的脉动壁压作用，进行合理的结构外形设计，确保在动态的影响情况下，对结构的共振进行合理的控制，从而来解决流激振动破坏的影响。而为了防止空蚀对泄水结构的破坏，要对结构的边界轮廓形状进行改进，从而使泄水运行过程中各个部位的水流空化数大于其初生的空化数。另外，在泄水结构选择和水力设计过程中，应该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，从而间接地控制水流空化数。从而控制合理的过流边壁体形，对含沙高速水流的冲磨和空蚀形成进行有效控制。

2.3 掺气减蚀抗磨

水流的空化是造成结构表面产生空蚀破坏的主要原因，研究表面，人工掺气能够帮助边壁材料有效抵抗含沙高速水流的磨蚀，这一技术在国内外的一系列工程中已经合理运用，并且取得了一定的效果。

2.4 施工技术

如前所述，保持水工泄水结构的壁面平整可以减少空蚀的影响，不同性能的抗冲磨材料也会对施工技术产生相应的要求，否则建筑结构很难达到预期效果，而对于施工工艺，在施工过程中重视度不够，会使建筑工程留有一些质量的隐患。因此，对于施工技术应该在施工过程中进行重点的控制。

3 水工泄水结构的抗磨防蚀设计分析

3.1 方案的确定

对于结构方案的确定要根据不同的预期情况进行选择确定。首先是根据水流的具体情况选择抗磨防蚀方案，抗磨防蚀方案涉及的方面较广，影响因素也很多，因此要根据具体的工程情况，进行具体分析，从而确定出最适合本工程的方案。研究表明，不同的含沙水流的含沙量、水流流速以及颗粒的质量比等情况对泄水结构的磨蚀情况影响不同，大多数的磨损空蚀情况，都是由于水头过高、流速过大或者水流空化数过低等情况而产生的，必须着重重视，通过优化工程结构来进行控制。

还要合理地选择泄水结构的外形，在水流流速和泥沙含量较低的时候，主要通过泄水结构的外形进行抵抗控制，有的时候抗磨蚀材料的作用都达不到控制作用。特别是对于一些局部流态复杂的地方，合理的外形对抗磨防蚀有着至关重要的影响。还要注重对于掺气抗磨减蚀技术的应用，对于流速较高并且水头也很高的结构部位，对于水流边界进行掺气处理是费用和技术上的主要控制措施。对于整体结构外形的确定，坚决杜绝墨守成规的搬用规范，杜絕以材料独自制定方案，要结合本工程的具体情况和经济效益等综合情况，进行预期效果的实施建设。

3.2 设计指标的确定

根据相应的规范公式进行抗冲磨混凝土厚度的估算，但要考虑工程正常运行的需要，充分分析其存在的隐患和效益损失，进行及时的维修，并且在具体的工程实践中进行相应的调整，如果有明显的不合理情况要及时重新选择设计方案。设计指标的控制，主要是对于混凝土抗压强度和抗冲磨防空蚀性能的研究，这两项指标的影响因素很多，主要包括水灰比、骨料种类和骨料配合比等，还有混凝土的抗冲磨性能和耐久性的结构指标，往往会伴随着其他的破坏形式，如碳化、渗透以及冻融等。因此，既要注意对于结构的强度指标的控制，也要注意其耐久性相关指标的观测控制。

4 结束语

造成水工泄水结构的磨蚀破坏的因素很多，应该根据含沙水流的流速、含沙量以及其他相关因素的影响进行相应的控制，大型的结构设计可以通过一定的模型试验来确定，来提高结构的强度和抗磨蚀破坏情况，保证结构的正常使用。

参考文献

[1]王世夏.水工设计的理论和方法[M].北京：中国水利水电出版社，2000.

[2]DL/T5207-2005.水上建筑物抗磨蚀防空蚀混凝土技术规范[S].北京：中国电力出版社，2005.