小浪底工程排沙洞高速水流区抗冲磨试验研究

王 磊，张婧雯，巴 涛，贲旭鹏

（黄河水利水电开发总公司，459017，济源）

小浪底工程排沙洞是我国第一例采用无粘结预应力混凝土衬砌的水工隧洞，隧洞采用C70高标号硅粉混凝土，自投入运行以来，担负着排泄高含沙水流、减少过机含沙量和调节径流及保持进水口泥沙淤积漏斗的重要任务，每年承载着黄河调水调沙的任务，过流频繁，在枢纽泄洪设施中使用概率最高。通过选用高性能抗冲磨试验材料，可提高小浪底工程排沙洞正常安全稳定运行的使用保证率，从而保证黄河下游防汛工作的顺利开展，保证黄河调水调沙、下游河床不抬高任务的顺利进行，意义重大。

一、试验区域分块布置

试验部位选取小浪底工程2号排沙洞工作门后出口明流段，此部位流速快、冲刷力大，最高流速达40 m/s以上，是冲蚀破坏最明显的区域。试验区域面积共计234 m2，其中左、右侧墙各78 m2，底板78 m2。试验区域共分为9块，其中试验块1～6每块27 m2，编号分别为 1～6，每个试验块包含18 m2（3 m×6 m）的侧墙和 9 m2（3 m×3 m）的底板。其余3块所用材料相同，穿插布置在1～6试验块中，编号为7。试验块1～7分别采用不同的材料，施工过程中处理好相邻两种不同材料试验块之间的连接问题，待一个汛期过后检验各试验块效果。排沙洞试验块布置示意图见图1。

二、施工工艺方法

试验过程中采用了不同的施工材料与方法：①涂抹环氧砂浆，②涂抹环氧胶泥，③涂抹环氧砂浆+环氧胶泥，④涂抹环氧砂浆+抗冲层。施工工艺流程见图2。

1.试验块1施工材料

采用YZ-改性环氧修补砂浆，该材料已在安康水电站消力池、泄洪中孔挑流鼻坎、蜀河水电站排沙底孔等泄洪受力重要部位成功运用，本次根据小浪底的工程特性加以改进，主要材料包括环氧树脂、稀释剂、增韧剂、固化剂、偶联剂、促进剂、石棉纤维、石英粉、氧化铝等多种成分，在配方上要求突出粘结强度、抗冲耐磨性能。

2.试验块2施工材料

采用XLD-11环氧砂浆，主要以环氧树脂、固化剂及填料为基料按比例配制。材料具有优良的力学性能，抗冲磨强度高，粘结力强，施工方法简捷，在常温条件下，各化工原材料、混凝土基面及其施工器具均不需要加热，抗老化性能较传统环氧砂浆也有很大提高。

3.试验块3施工材料

采用环氧—抗冲磨砂浆组合式的抗蚀层，对指定实验区27 m2均分3个部分，其中侧墙上下2个部分、地面1个部分，采用3种方法配制抗冲磨环氧砂浆分别对这3个部分进行加固处置，界面粘结剂底涂由改性环氧树脂和水下环氧固化剂按比例配制，抗冲磨环氧胶泥（1 型）、（2 型）由改性环氧树脂、水下环氧固化剂（C 型）、铸石粉、娟云母、玻纤、助剂按不同比例配制而成，抗冲磨环氧胶泥（3型）由改性环氧树脂、水下环氧固化剂（C型）、铸石粉、铸石砂、助剂按比例配制而成，侧墙上、下部分分别采用1型、2型，地面采用3型，3种环氧砂浆配制方法和施工方法均有差别，性能特点也有差别，以检验修复加固后3种环氧砂浆（胶泥）的抗冲磨效果。

4.试验块4施工材料

采用HK-UW-3环氧砂浆，主要用环氧树脂作为胶结材料，以石子、砂、粉料（如粉煤灰、水泥、石粉等）为集料按比例配制而成。材料具有抗冲刷能力好、常温下固化快、可在潮湿条件下施工、施工工艺简便等特点，短时间内即可投入使用。该材料曾在向家坝水电站、云南景洪电站的混凝土表面防护抗冲磨处理上大面积运用，效果良好。

5.试验块5施工材料

采用丙烯酸酯共聚乳液，具有成本低、耐老化、抗裂、抗收缩等特性，可用于混凝土界面粘结剂、水工泄洪建筑物抗冲耐磨材料、混凝土表面防腐涂层材料等。界面粘结剂由树脂乳液、水泥按比例分两道工序分别配制较稀、较稠的净浆，先涂刷较稀的，两道工序时间间隔均要求约15分钟后进行下一道工序；树脂砂浆由水泥、砂子、丙乳、水按比例配制，涂抹厚度为2～3 cm，每次涂抹厚度不超过1 cm，分 2～3次涂抹，涂抹时间间隔为上一层初凝以后。

表1 各试验块所用材料性能指标

6.试验块6施工材料

采用环氧砂浆、环氧胶泥、手刮聚脲弹性体材料，由0164环氧树脂、T31型固化剂、微硅粉、石英砂按比例配制而成。抗冲耐磨层采用以下3种方案进行对比：

方案一：涂刷聚脲弹性体抗冲耐磨层。环氧砂浆硬化后，底板选取6 m2，侧墙选取2 m2，在环氧砂浆表面刮刷聚脲。聚脲分3层刮刷，每层厚度为1 mm。

方案二：涂刷环氧胶泥抗冲耐磨层。环氧砂浆硬化后，在环氧砂浆部分表面涂刷环氧胶泥一遍，增加环氧砂浆抗冲磨程度。

方案三：不涂刷抗冲耐磨层。环氧砂浆硬化后对砂浆表面不进行防护，以考察环氧砂浆自身在该工况下的抗冲耐磨能力。

图1 小浪底工程2号排沙洞抗冲耐磨试验块布置示意图

图2 小浪底工程2号排沙洞抗冲耐磨试验施工工艺流程图

图3 实验块6抗冲磨材料分布示意图

涂刷抗冲层材料的部位分布示意图，如图3所示。

7.试验块7施工材料

所用材料为NE-Ⅱ环氧砂浆，环氧砂浆由A、B组分按一定比例拌和而成，其中A组分为NE－Ⅱ固化剂(白色黏稠液体)，B组分为环氧砂浆专用砂，材料性能稳定，适应性较好，操作简便。本材料已在多家水电站过流泄洪系统运用，效果良好。

各试验块所用材料性能指标对比见表1。

三、过流后各试验块抗冲磨情况

2014年5月底，小浪底工程2号排沙洞汛前消缺及各试验块缺陷修补完成。2014年6月底，小浪底工程开始进行泄水排沙，2号排沙洞泄水共历时184小时。2014年8月14日，对2号排沙洞修补试验块的抗冲磨情况进行了检查，各试验块过流后效果如下：

1.试验块1抗冲磨情况

从过流后效果看，环氧砂浆试验块没有被冲起的现象，说明环氧砂浆与混凝土的粘接强度基本能够满足泄洪排沙要求。但从过流后环氧砂浆的表面看，平整度较差，且发现几处鼓包现象。初步分析，可能是因为其环氧砂浆界面剂中掺加了稀释剂导致。界面剂中掺加稀释剂会降低环氧砂浆与混凝土的粘接强度。

2.试验块2抗冲磨情况

从过流后效果看，环氧砂浆试验块没有被冲起的现象，说明其环氧砂浆与混凝土的粘接强度基本能够满足小浪底工程排沙要求。表面没有发现明显的磨损痕迹，但表面平整度较差，施工不均匀。

3.试验块3抗冲磨情况

从过流后效果看，3种类型环氧胶泥没有被冲起的现象，粘接效果良好。但施工不均匀，表面平整度较差，经细致观察能发现墙面有较小的磨损痕迹，底板尚未发现磨损情况。

4.试验块4抗冲磨情况

从过流后效果看，环氧砂浆试验块没有被冲起的现象，说明其环氧砂浆与混凝土的粘接强度能够满足小浪底工程排沙要求。但从过流后环氧砂浆的表面看，墙面有明显的顺水流方向的磨损痕迹，底板也有少量磨损。说明其环氧砂浆的硬度和抗冲磨强度较低，若过流时间延长，其磨损程度可能会继续加重。

5.试验块5抗冲磨情况

从过流后效果看，环氧砂浆侧墙1.6～2.0m高度范围内几乎全部被冲毁，底板也有相当部分被冲毁。由此看来，其环氧砂浆粘接强度较低，不能满足小浪底工程泄洪排沙的抗冲磨要求。

6.试验块6抗冲磨情况

从过流后效果看，环氧砂浆和聚脲整体良好，没有发现鼓包和明显的磨损痕迹。与试验块5相搭接的10 cm×20 cm的面积，受上游试验块5的影响被冲坏。主要原因是由于上游试验块5环氧砂浆被冲起，试验块6修补施工时，为保证与上游试验块5的接触面平整过渡，环氧砂浆是覆盖在其边界斜面上的，故受其影响。从整体看，试验块6所用环氧胶泥磨损量较大，不具备小浪底工程泄洪排沙的抗冲磨要求；环氧砂浆能满足抗冲磨要求，但施工表面平整度较差。单组分聚脲的粘接强度、抗冲磨强度均能满足小浪底工程排沙的抗冲磨要求，表面平整光滑。

7.试验块7抗冲磨情况

从过流后效果看，环氧砂浆整体良好，表面平整，无明显磨损痕迹。其环氧砂浆的粘接强度、抗冲磨强度等性能均能满足小浪底工程排沙的抗冲磨要求。但从其环氧砂浆中砂料的外观看，其使用的砂有普通河砂（过流后在环氧砂浆表面可看到普通河砂特有的云母亮点特征），耐磨性与石英砂相比较差。

四、结 论

（1）水工泄水建筑物对其表面的平整度和抗冲磨强度有很高的要求。平整度较差可能会对水流形态产生影响，从而对建筑物表面造成不同程度的冲蚀或气蚀破坏，进而增加建筑物表面的不平整度，将会产生更加严重的气蚀破坏。这是一个恶性循环，一旦发生便会愈演愈烈。而如果抗冲磨强度较低，又会加重加速这种破坏。因此，泄水建筑物的表面平整度和抗冲磨强度是其两项比较重要的指标要求。

（2）从以上的试验效果来看，试验块7的环氧砂浆施工可以同时满足表面平整度和抗冲磨强度的要求，效果最好，但材料内的砂料若能改为石英砂可能会提高材料的耐磨性。试验块2、试验块6的环氧砂浆均能满足抗冲磨强度要求，但施工表面平整度有待提高，试验块6的聚脲平整度良好。试验块1的侧墙表面发现几处鼓包现象，可能是因为其环氧砂浆界面剂中掺加了稀释剂导致。试验块3的施工平整度与以上4个试验块相比略显不足，抗冲耐磨性能也尚需进一步进行检验。试验块4所用材料抗冲耐磨强度不够，不能满足小浪底工程高含沙、高流速水流的冲刷要求。试验块5所用材料与混凝土之间的粘接力不够，不能应用于小浪底工程泄洪排沙系统。

（3）环氧砂浆的施工既要满足抗冲磨的性能，又要防止出现薄弱面的情况，一旦出现薄弱面，可能会引起周边正常运用的砂浆破坏，从而逐步导致破坏面进一步扩大。

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