水工建筑物抗冲磨蚀性能提升对策分析

刘忠桥

(庄河市水务事务服务中心，辽宁 庄河 116422)

0 引 言

近年来，中国水电站建设步伐不断加快，在一定程度上有效缓解了能源资源短缺的问题。然而，由于中国河流的多沙性特点和环境破坏引起的水土流失，对其抗冲磨性能的要求也越来越高。目前，国内运行的>70%的水电站大坝泄水混凝土都存在一定程度的冲磨破坏，对水电站的使用功能和耐久性造成了严重影响[1]。因此，提高水工建筑物抗冲磨破坏性能逐渐成为人们科学研究和广泛关注的课题。水工建筑物的主要材料为混凝土，混凝土耐久性在很大程度上取决于抗冲磨性能。为保证泄洪洞、溢流坝等构筑物的长效稳定运行，从20世纪50年代水利水电部门就强调突出混凝土耐久性，并在试验规程、施工规范和设计规范中列出混凝土耐久性的要求及条款，但由于运行管理不善、施工质量不良、设计方案欠妥等致使水工建筑物运行20-30a甚至更短的时间就发现明显的病害，在较的短服役期内使水工建筑物耐久性显著下降[2]。诸多学者对这方面也开展了大量的研究[3-7]，但由于问题的复杂性尚未形成统一的认识，如工程设计缺少一套针对性强、科学严谨的规范性指导文件，有的水工建筑物抗冲磨抗设计方案在含沙高速水流环境下难以达到预期效果，而有的设计标准过高导致巨大的资金浪费。因此，研究水工建筑物抗磨蚀性能提升对策具有重要的意义。

1 水工建筑物冲磨破坏的特点

一般地，水工建筑物有空蚀和磨蚀两种典型的冲磨破坏类型。其中，混凝土表面受含沙高速水流切削、摩擦和冲击而引起的破坏称为磨蚀。水工建筑物发生磨蚀破坏必须具备水流速度达到可以启动水流挟带沙石的速度、挟带一定固体颗粒两个条件，其发生冲磨破坏的部位主要有挟带推移质和悬疑质河流上修建的水工建筑物深孔闸门及其后的泄水段、隧洞的进口或泄洪底孔、水闸底板、排沙洞、泄洪洞等。

水工建筑物磨蚀破坏的特点主要包括：①冲磨剥蚀具有一定的连续性且面积一般较大，悬疑质、推移质主要表现出均匀磨损和表面形成冲坑两种破坏形式；②空蚀破坏主要表现为其它部位完好而混凝土过流表面局部产生剥蚀坑，其深度可以达到几厘米乃至几米；③混凝土受空蚀或冲磨剥蚀后剩余部分依然较为坚硬；④空蚀破坏会伴随着冲磨剥蚀而出现；⑤空蚀和冲磨破坏继续发展还会带来更大范围的水力冲刷破坏。

目前，《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》为现行主要设计指导文件，而执行该规范开展水工建筑物设计时还存在一些不足，如仅局限于强度指标的混凝土质量标准，难以获得预期的效果；未全面考虑混凝土抗磨防空蚀的关键影响因素，未充分重视其它因素的影响等。

2 水工建筑物冲破磨坏的机理

在挟沙石高速水流不断剥蚀、磨损、切削、冲击等综合作用下水工混凝土发生冲磨破坏，故水工建筑物的关键影响因素是挟沙水流的速度。水流挟带推移质或悬疑质泥沙运动时具有一定的动能，硬质砂粒反复切削与冲击水工建筑物过流壁面所造成的磨损。混凝土受粒径≤5mm的泥沙悬疑质的冲磨破坏，主要是由于混凝土表面受挟带泥沙颗粒的高速水流切削、摩擦、冲击等作用所引起的。综上分析，影响水工混凝土磨蚀性能的参量主要有冲出的持续时间、水流中含沙量、壁面与泥沙冲击角度、泥沙运动速度、材料特性等。

2.1 悬疑质的冲磨破坏机理

混凝土受悬疑质的冲磨破坏主要是混凝土表面受挟带泥沙的高速水流切削、摩擦、冲击作用所致，在平滑的水流边壁具有固液两相和紊动结构流发生横向和纵向的涡旋流体。结构表面水泥浆层被磨掉后会淘刷粗骨料间的砂浆，逐渐裸露出粗骨料。由于具有较大的硬度，突出的骨料则形成一个能够经历较长时间磨损的耐磨层，该层被磨损后将严重淘刷粗骨料间的砂浆，在高速水流冲击作用下骨料发生脱落，进一步加速冲磨破坏。混凝土表面的磨损率与冲磨历时、砂粒硬度、粒径、形状和流速等相关，含砂率与磨损率间的关系，见图1。

图1 含砂率与磨损率间的关系

2.1.1 磨损失重与沙速的关系

技术规范规定，平均水流速度的2.7-4.0次方与混凝土过流面含沙水流磨损强度呈正比。尹延国等[8]研究人为：悬疑质泥沙流速较缓的情况下对混凝土壁面的冲量较低，界限流速下即使具有较高的含沙量也不会对混凝土壁面产生明显的磨损，其界限流速处于10-12m/s之间。高流速条件下(流速为16-20m/s)，平均水流流速与混凝土过流壁面磨损程度一般呈2.0-3.0次方的关系，而含沙量与过流壁面磨损程度呈线性关系。结合三门峡工程原型观测资料原水电部十一局设计院研究认为，作用流速与混凝土的悬疑质泥沙磨损量呈2.7-3.0次方关系；通过室内试验研究不同混凝土强度材料与不同流速之间的关系，程度勘测设计院认为混凝土强度为26-72MPa条件下，流速的1.5-2.5次方与混凝土磨损率呈正比，磨损失重受冲击速度的影响，见图2。

图2 磨损失重受冲击速度的影响

2.1.2 磨损率与泥沙粒径的关系

即使冲角、沙速等冲磨作用相同，不同沙粒粒径条件下所造成的同一种材料磨损率也不同。喷沙试验表明，随沙粒粒径的增大混凝土的抗冲磨性能不断下降；不同粒径试验表明，混凝土过流壁面磨损率随沙粒粒径的增大而明显增大，平均粒径dcp为2.5-3.0mm时磨损率急剧增大，泥砂粒径与单位磨损率的关系，见图3。

图3 泥砂粒径与单位磨损率的关系

2.1.3 磨损率与泥沙硬度及颗粒形状的关系

棱角尖利的泥沙颗粒其磨损作用较强，一般人为尖角形、棱角形和圆球形的泥沙磨损作用之比为3∶2∶1，混凝土受人工破碎石英沙垂直冲击磨损、水平微切削磨为天然河沙的1.25倍和2.0-4.0倍。在材料硬度小于或接近悬疑泥沙颗粒硬度时不会出现明显的磨损，而悬疑泥沙颗粒硬度高一级材料硬度时则表面会被磨成擦痕，磨损率整体不高，而高两级时则表面会被磨成坑洞。

2.2 推移质的冲磨破坏机理

推移质与悬疑质的冲磨破坏机理不同，悬疑质主要是利用摩擦作用对泄水壁面造成磨损破坏，而推移质对壁面的破坏既有磨损作用又有冲击砸撞作用。推移质主要有滚动、滑动和跳跃三种运动方式，推移质对泄水壁面以大角度的冲击破坏为主。冲角越大垂直方向上沙粒的动能方量越大，由此产生的壁面磨损作用也就越强。混凝土表面沙粒冲击后跃起、再冲击，如此反复作用使得壁面受到多次冲击、切削和摩擦作用。材料强度达到疲劳极限或强度极限值就会出现破坏，以表面剥落继续向纵深扩展的方式为主。

推移质的冲磨破坏激励不仅与其冲击、混动、滑动形式有关，还与沙粒自身的过流时间、速度、数量、质量、形状等有关，总体比较复杂。此外，过流时间越长、流速越快、粒径越大则水工建筑物的破坏程度越高。

3 水工建筑物抗冲磨性能提升对策

3.1 合理设计抗磨蚀方案

水工建筑物的运行方式不同，其选择的抗冲磨设计标准和方案也就不同。一般地，可以减少间歇性运行工程的结构壁面抗磨蚀材料厚度，这是由于足够的检修时间可适当降低设计标准，从而节约投资成本。

针对费用占比较高、结构相对重要、流速较大的水工建筑物，采用水弹性模型试验研究水流脉动壁压作用，对结构形态进行合理设计，由此实现动态环境下水工结构共振的有效控制，从根本上解决流激振动所引起的破坏问题。

改进边界的轮廓形态为防止过流边壁发生冲磨最为有效的措施，确保各部位初生空化数在泄水运行时不超过其水流空化数。鉴于测压管水头的影响作用，在水力计算和选择建筑物形式时要考虑动水压强沿程分布情况，通过限制测压管水头绝对值和负压范围实现水流空化数过小的间接控制。

3.2 科学选用原材料及外加剂

一般来讲，矿物掺合料是指硅粉、磨细矿粉、粉煤灰等，保持水泥用量不变的条件下掺入硅粉能够提高1.3-2.3倍的抗压强度和1.3-3.5倍的抗水冲磨强度，提高1.6倍的抗空蚀强度[9]。目前，中国水电工程广泛使用硅粉混凝土作为抗冲耐磨材料，硅粉混凝土被先后应用于小浪底、龙羊峡、刘家峡、葛洲坝、李家峡和龙羊峡等水利工程。然而，混凝土中加入硅粉会增大其干缩率，收光抹面施工难度加大，极易产生干缩裂缝，一些工程采用了加聚丙烯纤维、外加膨胀剂等解决混凝土外掺硅粉易出现裂缝的问题，实践表明仍无法有效解决裂缝问题。

针对应用硅粉混凝土施工难度大以及易出现裂缝等问题，20世纪90年代初研发了一种新型的水工抗冲耐磨护面HF混凝土，其基本原理为：粉煤灰活动在HF外加剂作用下被激活，从而增强胶凝材料水化产物的坚硬度、致密性、胶结力及其自身强度，达到提高混凝土抗磨及抗压强度的目的。在黄河大峡水电站、康扬水电站泄洪闸等工程HF混凝土均有应用，实践表明HF混凝土的抗冲耐磨性能良好[10]。施工过程中，粉煤灰或水泥应以干粉状HF外加剂同时加入拌和筒内，投料顺序为精细骨料→水泥→HF外加剂(粉煤灰)，干拌均匀后加水搅拌，总拌和时间≥180s。硅粉混凝土与HF粉煤灰混凝土的抗冲磨、抗压性能，见表1；HF粉煤灰混凝土推荐用配合比，见表2。

表1 硅粉混凝土与HF粉煤灰混凝土的抗冲磨、抗压性能

表2 HF粉煤灰混凝土推荐用配合比

3.3 改善施工方法及工艺

采用科学的方法和施工工艺能够提高混凝土均匀密实性，对提高混凝土抗空蚀、抗冲磨强度等具有积极作用。

3.3.1 真空处理技术

混凝土的真空处理就是在浇筑的混凝土表面立即用气垫薄膜吸水装置或真空模板形成真空，吸走混凝土表面附近的水和中交气泡，同时对混凝土利用大气加压处理的一种施工工艺。混凝土真空处理工艺能够提高结构早期强度，有利于压缩工期、提高模板的周转率和抹面、拆模时间。相对于普通混凝土，能够降低15%的收缩率，提高30%-50%的抗冲磨能力及2.0倍-2,5倍的抗冻性，提高100%、50%、20%的3d、7d和28d抗压强度。真空处理技术一般用于过六面、泄洪孔道等水电工程混凝土表面处理，实际应用效果良好。

3.3.2 二次振捣处理

水泥水化产生的Ca(OH)2凝胶属于水泥石中最不耐磨的部分，水化后振捣硅粉铸石拌和物可使水泥颗粒四周包围的膜层破裂，使尚未水化的内核与水泥颗粒保护作用较弱的溶液接触，加速反应使其更加充分，由此达到减少或消除收缩裂缝并提高强度的目的[11-12]。

3.3.3 柔性抗冲磨喷涂技术

水工建筑物的抗冲磨性能受基地与抗冲磨混凝土黏结强度高低的影响很大，技术规范规定底板≥30cm厚，侧墙≥20cm厚；按照水流空化数合理选择过流表面处理标准，水流空化数为0.1-0.6之间时控制突体高度为6.0-12.0mm之间，突体侧向、下游和上游坡度为1/4-1/2、1/8-1/5、1/10。为保证工程的安全稳定，实际选用时大部分项目都提高了上述指标。近年来，国内外抗冲磨护面喷涂技术得到了快速发展，如研制的双组分无气高压喷涂技术能够适应40m/s的高流速冲磨，其喷涂速度可以达到10m2/min；近期国内研发的一种新型的喷涂聚脲弹性体技术，因具有无污染、无溶剂等特点被广泛应用于结构防腐、表面抗磨、防渗等多个领域。柔性抗冲磨喷涂技术为节省投资成本、压缩工期、减少混凝土厚度等提供了有利条件[13-16]。

4 结 论

1)组成材料所占的比例及其抗冲耐磨性能决定了水工建筑物抗冲耐磨强度，因此提高抗冲耐磨性能的有效途径是提高骨料和水泥石的黏结力及其耐磨性，可采取抗冲耐磨试验合理确定最佳含砂率、水胶比和单位用水量。

2)水工建筑物受含沙高速水流的冲磨作用是一个不可能完全避免的问题，通过局部水流掺气管理运行、施工质量控制、现代技术应用、选用耐磨高强原材料、改善结构梯形设计等措施能够促使水工建筑物达到抗冲磨性能设计要求。