压延微晶面板在水利水电工程抗冲磨领域的应用及研究

庞明亮， 刘 杰， 胡云明， 吴 娱

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072； 2.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院， 重庆 408006；3.四川美姑河水电开发有限公司， 四川 成都 610094)

1 概 况

冲刷磨损和空蚀破坏是水工泄洪消能建筑物常见的病害之一，也是水利水电工程建设与运行过程中有待解决的重大问题。我国大坝泄水建筑物70%以上由于受高速含沙水流的冲刷磨损和空蚀作用，存在不同程度的冲磨破坏问题[1]。尤其是在含沙量较高的山区河流或流速较快的泄洪消能建筑物，一般在经历一段时间的运行后，都会遭受严重破坏。

目前，在水利水电工程建设及运行过程中主要采取两类方法来抵御冲刷磨损和空蚀对泄水建筑物混凝土表面的破坏。

(1)第一类方法是在混凝土中添加抗冲磨成分或研制特种混凝土来提高混凝土材料本身的抗冲磨能力，比如采用硅粉混凝土、HF混凝土[2]、钢纤维混凝土等抗冲磨性能优越的混凝土浇筑泄水建筑物表层。大量水电站的运行实践表明该类方法及目前已有的抗冲磨混凝土仍然难以满足含沙量较高的山区河流下泄高速水流时的抗冲磨需求。

(2)第二类方法是在过流面的常规混凝土表面铺设一层抗冲磨性能优越的护面材料，如衬砌钢板[3]、高分子护面材料等，利用护面材料来抵御含沙高速水流的冲磨及空蚀破坏。目前最常见的方案就是在过流面铺设一层钢板，但是该方案施工工艺非常复杂，涉及到插筋、焊接、接触灌浆等诸多工序，施工工期较长，且施工质量往往难以保证。

2017年初，中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司设计人员在为四川省美姑河坪头水电站泄洪闸下游消力池斜坡段修复工程选择抗冲磨材料的过程中，接触到了一种新型的、尚未在水利水电工程中运用过的抗冲磨产品——压延微晶面板，随后结合该工程开展运用可行性研究。

2 压延微晶面板的材料性能指标

压延工业微晶板材是以金属尾矿为原料，以氮化硅、碳化硅、石英粉为主要成分，以特殊成分材料为结合剂，经熔化、压延成型、核化、晶化、退火使结构微晶化而形成的一种高强度、高耐磨、耐腐蚀的新型高科技工业防护材料和建筑材料，相对于常见的耐磨耐腐蚀材料，具有优异的材料性能，详见表1。

(1)耐磨损。采用压延工艺生产的微晶板材具有优异的耐磨性能，其耐磨程度达0.055 g/cm2，是普通铸石的2～3倍(0.09 g/cm2)，是锰钢的7～8倍，是铸铁的15～20倍。

(2)耐腐蚀。压延微晶板材的耐腐蚀性能优于不锈钢、大理石、花岗岩、普通铸石。它既耐酸又耐碱，特别是酸碱交替的环境下也可使用。

(3)耐冲击。压延微晶板材的耐冲击性能可达3.08 kJ/M2,是普通铸石的2倍，可以满足绝大部分物料输送部位的抗冲击需要。

(4)摩擦系数低。 采用压延工艺生产的微晶板材表面摩擦系数仅为0.05，且越磨表面越光滑。

(5)薄而轻。工业用的压延微晶板材厚度从6～20 mm不等，多数情况下只需使用14 mm左右厚度即可满足实际需要，其实际比重只有2.72 g/cm3，仅为钢铁的1/3。

(6)可现场切割。压延微晶板材可以现场使用手提切割锯方便地切割，便于施工安装。

(7)绿色环保。无放射污染等不利环境影响因素。

表1 微晶板材性能指标

3 压延微晶面板在传统领域的应用情况

作为一种新型的工业产品，压延微晶面板其耐磨性能比锰钢高7～8倍，比重却只有钢铁的1/3左右，抗冲击性能优越，可大量替代锰钢、不锈钢等。经过十余年的市场选择，已广泛应用在国内的钢铁、火电、煤炭、化工、造纸、建材等行业。例如，用于钢铁行业的高炉混料仓、烧结料仓、给料机、制球机等部位的耐磨材料；用于煤炭行业的矸石仓、介质桶、刮板机、斗提机、溜槽、筛下漏斗等内的耐磨衬板；用于火电站的卸煤沟、煤斗、储煤仓、干煤栅、翻车机、捞渣机等部位。目前建材行业的行业标准《工业用微晶板材》[4]也已经颁布实行。然而受行业习惯及认知壁垒等因素的影响，水利水电行业尚无开展将微晶面板用于水工建筑物抗冲磨防护的相关研究，更没有相关的工程实例。

4 压延微晶面板在水工建筑物应用的思路

鉴于压延微晶面板具有抗冲磨能力优越、加工方便、成本价格较低等特点，初步判断其具备在水利及水电行业的过流面防护领域应用的可能性。经与国内主流的压延微晶面板材料生产厂家的多次技术交流与研究，初步确定压延微晶面板用于水工建筑物过流面防护的途径与可行方案主要有以下两种。

4.1 将微晶面板用做过流面的衬护材料

目前市面上主流的压延微晶面板的厚度在6～20 mm之间，宽度受生产线尺寸限制一般为800 mm，长度可根据需要随意定制。如果将微晶面板用作水工建筑物过流面的衬护材料，根据工程条件及抗冲磨防护的需要，可以选择合适厚度(14～20 mm)的工业用微晶面板，将微晶面板切割成尺寸相同的矩形微晶小板。然后在加工车间对切割完毕的微晶小板进行二次加工，在每块微晶小板上加工出2～5个螺栓锚固孔洞。螺栓固定到微晶小板后，螺帽顶面与微晶小板顶面在一个平面上，螺杆及螺帽与微晶小板紧密结合，多余的孔隙用环氧胶泥刮入填充密实。然后对过流面的混凝土基层进行清洁、干燥处理，处理完毕后，在过流面表层涂刷一层厚度约2～5 cm的环氧胶泥，在环氧胶泥初凝前，将带有螺栓的微晶小板平铺在环氧胶泥层上，并施加压力使其与环氧胶泥层紧密连接，层间无空腔。微晶小板间保留5 mm以内的拼接缝，缝间用环氧胶泥涂刮填充平整。拼接后的微晶小板在垂直水流方向应上下游对齐，在顺水流方向上宜错开。微晶小板拼接后形成的过流面表面平整度偏差控制在±15 mm以内。

与常见的钢板防护方案相比，本结构及方法无须在面板与混凝土之间附加槽钢等结构，无须进行现场焊接，无须进行钢板与混凝土表面之间的接触灌浆。此外，工业用微晶面板材料生产成本比钢板低，抗冲磨及抗冲击能力比钢板强，因而具有抗冲磨效果好、结构简单、施工方便、投资较低、容易维护等优点。

4.2 将微晶面板粉碎后用作混凝土的抗冲磨掺合料

为适应体形复杂的过流面的抗冲磨防护需要，很多时候只能采用现浇抗冲磨能力较高的特种混凝土的方式来形成抗冲磨层。由于压延微晶板材具有优异的耐磨性能，因此可以采用机械粉碎法将工业成品微晶面板粉碎后，得到具有一定粒径的粉料，将此粉料作为细骨料添加到混凝土中，依靠该细骨料的抗冲磨性能提升混凝土的抗冲磨能力。

由于利用微晶粉作为抗冲磨掺合料，对微晶面板的尺寸规格、外观、颜色等基本没有要求，因此可以充分利用工业生产微晶面板时产生的残次品、废品或边角料以进一步节约成本。由于微晶面板是以氮化硅(1%～10%)、碳化硅(6%～30%)、石英粉(30%～65%)为主要成分，通过高温氧化反应，使结构微晶化而形成的一种高强、高硬的新材料，因此其与混凝土中的骨料、胶凝材料等天然具有较好的和易性，利于微晶粉均匀、稳定地分散到混凝土内。初步研究表明，将微晶面板粉碎成微晶粉后，用作混凝土的抗冲磨掺合料(外加剂)，以提升混凝土表面的抗冲磨能力是可行的、经济的。后续还需要开展大量的试验研究，进一步确定微晶粉最佳粒径、用于微晶混凝土的掺量、配套的辅助外加剂的种类、微晶混凝土的抗冲磨指标等详细的技术参数。

5 行业内首次成功应用的工程实例

5.1 坪头水电站消力池运行中遇到的问题

坪头水电站工程位于四川省凉山州美姑、昭觉、雷波三县交界处，为美姑河流域规划“一库五级”的最后一级电站，为低闸引水式电站，装机容量为180 MW。电站采用混凝土重力闸坝作为挡水建筑物，最大坝高38.5 m。电站采用“侧向取水、正向泄洪冲沙”的枢纽布置格局，通过一孔冲沙闸、三孔泄洪闸实施泄洪。冲沙闸及泄洪闸下游设置有消力池进行底流消能[5]。考虑到美姑河为山区型多泥沙河流，汛期河水含砂量较高，泄洪时水流流速较大，因此，工程建设时在闸室底板和边墙(1.2 m高度以下)均采用高强锰钢钢板进行抗冲磨防护，下游消力池表面则采用了40 cm厚的HF抗冲磨混凝土进行防护处理[6]。

由于天然河床陡峭、汛期洪水流量较大，洪水通过裹挟大量泥沙，消力池斜坡段水流流态复杂，对闸底板及消力池底板的磨损破坏与空蚀破坏影响都非常大。不仅如此，受闸址上游泥石流沟的影响，电站运行的实际工况比设计时预估的情况更为恶劣，经常有不同粒径的块石在水流裹挟作用下通过消力池下泄，容易对消力池底板造成冲击破坏。因此，磨损、空蚀与冲击破坏是威胁坪头水电站泄洪闸下游消力池结构安全的三个主要因素。

坪头水电站主体工程于2006年初开工建设，3号泄洪闸于2007年汛期即开始过流。由于3号泄洪闸位于侧向取水的进水口远端，因此电站运行过程中开启频次最高，所受的磨损、空蚀与冲击破坏的影响也最大。经过三个汛期运行，3号泄洪闸于2009年11月检查时发现，闸室末端有一块复合钢板被高速水流掀起，消力池底板HF混凝土抗冲磨层被完全破坏，下部结构层钢筋裸露(见图1)。随后电站运行单位对该部位进行了等强同材质修补，一个汛期后修补层再次全部被冲毁。

此后，为寻求可靠材料对上述部位进行修复，电站运行单位在2014～2015年枯水期，连续两年对3号泄洪闸下游消力池底板采用不同科研单位研发的特种抗冲磨混凝土材料，并对损毁部位进行了修复，结果均在当年汛期洪水破坏作用下被整体剥离，修复试验多次失败。截至2017年底，3号泄洪闸消力池底板最大冲蚀深度达96 cm，结构破坏严重，对上游闸室结构安全也造成了一定的威胁。

图1 坪头电站3号泄洪闸及护坦斜坡段底板破坏情况

5.2 实施方案及施工过程

2018年初，中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司设计人员向电站运行单位推荐采用压延微晶面板进行3号泄洪闸消力池底板的抗冲磨层修复，并提供了修复设计方案。电站运行单位技术人员经对压延微晶面板的主流生产厂家实际考察后，决定选用晶牛微晶集团有限公司生产的压延微晶面板，对损坏最严重的3号泄洪闸消力池斜坡表层做修复处理实验。2018年3月1日至28日，晶牛微晶集团派专业队伍至电站现场，亲自实施了修复处理施工。修复处理方案为将微晶面板粘贴在修复后的混凝土基面上用做过流面的衬护材料。

具体施工过程中，施工承包商首先对3号泄洪闸闸室及下游护坦被冲磨出的深槽采用C45混凝土进行基面修补，并预留出压延微晶面板及黏接剂厚度，在混凝土龄期达到7 d后，再进行压延微晶面板抗冲防护层的施工。

在混凝土基层修复7 d后，首先用环氧乳液砂浆对基层找平至接近设计高程，然后铺设压延微晶面板。环氧乳液是以环氧树脂为基料的聚合物乳液A组分和B组分组成，施工时将A组分和B组分按比例均匀搅拌成胶液，再配以水泥、集填料(砂子)和外加剂搅拌均均而成。每块微晶面板按设计方案布置有两根锚拉筋与环氧乳液砂浆及混凝土基层形成强力牵制。微晶板之间均匀预留缝隙，再用耐磨强力胶填塞缝隙。为保证过流面平顺，在护坦斜坡的上游起始点——微晶面板与钢板结合处，采用预埋钢条做压缝处理；在消力池斜坡段下游收口处，同样采用高强钢条设立足趾，以确保压延微晶面板在高速水流的紊流作用下不致脱落。整个防护面层保持5℃以上的温度养护28 d后即可过流泄洪。

5.3 实施效果

2018年3月26日，为检验微晶面板的抗冲击性能，在微晶面板防护层施工即将完工前开展了现场冲击试验。试验人员将重量为19 kg的块石从距离消力池底板30 m高的坝顶抛下，块石砸落在消力池底板上粉碎，而其表层的微晶面板防护层安然无恙(见图2)。

图2 坪头电站3号泄洪闸微晶面板防护层过流后完好无损

2018年4月，3号泄洪闸消力池在压延微晶面板施工结束后不久开始泄流，2018年6月开始经历洪水考验，期间经历最大泄洪量为826 m3/s。截至2018年10月30日，3号泄洪闸下游消力池已经累计经历了1 360 h泄洪，经现场检查确认，压延微晶面板防护层整体完好，甚至无肉眼可见的磨损，试验结果超出预期。后续坪头水电站运行单位将在1号泄洪闸、2号泄洪闸下游消力池底板上继续推进该项生产性试验，以期通过试验进一步检验微晶面板的防护效果，并完善具体的施工工艺。

6 结论与建议

美姑河是典型的山区性多泥沙河流，坪头水电站枢纽建筑物布置型式也是引水式电站最常用的布置格局，其消力池结构所遇到的抗冲磨问题在水利水电工程领域极具代表性。消力池底板抗冲磨层曾先后采用多种特种混凝土材料，历经多次试验性修复处理均未获成功。此次压延微晶面板在该工程的成功使用表明，该材料及应用方案在大流量、多泥沙河流泄水建筑物表面抗冲磨防护领域的优异表现已经超越了水利水电行业常用的经典抗冲磨材料。建议电站建设运行及相关科研单位在后续运用过程中，进一步优化微晶面板用作过流面衬护材料的施工工艺；同时通过试验研究确定合理的粒径、掺量等详细的技术参数，实现将粉碎后的微晶面板作为混凝土抗冲磨掺合料(外加剂)的技术方案。相信这种新型工业产品在帮助破解泄水建筑物抗冲磨防护“顽疾”的同时，定能为水利水电工程修补与加固事业翻开新的一页。