水工建筑物抗沖磨蝕性能提升對(duì)策分析

劉忠橋

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 莊河 116422)

0 引 言

近年來，中國水電站建設(shè)步伐不斷加快，在一定程度上有效緩解了能源資源短缺的問題。然而，由于中國河流的多沙性特點(diǎn)和環(huán)境破壞引起的水土流失，對(duì)其抗沖磨性能的要求也越來越高。目前，國內(nèi)運(yùn)行的>70%的水電站大壩泄水混凝土都存在一定程度的沖磨破壞，對(duì)水電站的使用功能和耐久性造成了嚴(yán)重影響[1]。因此，提高水工建筑物抗沖磨破壞性能逐漸成為人們科學(xué)研究和廣泛關(guān)注的課題。水工建筑物的主要材料為混凝土，混凝土耐久性在很大程度上取決于抗沖磨性能。為保證泄洪洞、溢流壩等構(gòu)筑物的長(zhǎng)效穩(wěn)定運(yùn)行，從20世紀(jì)50年代水利水電部門就強(qiáng)調(diào)突出混凝土耐久性，并在試驗(yàn)規(guī)程、施工規(guī)范和設(shè)計(jì)規(guī)范中列出混凝土耐久性的要求及條款，但由于運(yùn)行管理不善、施工質(zhì)量不良、設(shè)計(jì)方案欠妥等致使水工建筑物運(yùn)行20-30a甚至更短的時(shí)間就發(fā)現(xiàn)明顯的病害，在較的短服役期內(nèi)使水工建筑物耐久性顯著下降[2]。諸多學(xué)者對(duì)這方面也開展了大量的研究[3-7]，但由于問題的復(fù)雜性尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，如工程設(shè)計(jì)缺少一套針對(duì)性強(qiáng)、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)范性指導(dǎo)文件，有的水工建筑物抗沖磨抗設(shè)計(jì)方案在含沙高速水流環(huán)境下難以達(dá)到預(yù)期效果，而有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過高導(dǎo)致巨大的資金浪費(fèi)。因此，研究水工建筑物抗磨蝕性能提升對(duì)策具有重要的意義。

1 水工建筑物沖磨破壞的特點(diǎn)

一般地，水工建筑物有空蝕和磨蝕兩種典型的沖磨破壞類型。其中，混凝土表面受含沙高速水流切削、摩擦和沖擊而引起的破壞稱為磨蝕。水工建筑物發(fā)生磨蝕破壞必須具備水流速度達(dá)到可以啟動(dòng)水流挾帶沙石的速度、挾帶一定固體顆粒兩個(gè)條件，其發(fā)生沖磨破壞的部位主要有挾帶推移質(zhì)和懸疑質(zhì)河流上修建的水工建筑物深孔閘門及其后的泄水段、隧洞的進(jìn)口或泄洪底孔、水閘底板、排沙洞、泄洪洞等。

水工建筑物磨蝕破壞的特點(diǎn)主要包括：①?zèng)_磨剝蝕具有一定的連續(xù)性且面積一般較大，懸疑質(zhì)、推移質(zhì)主要表現(xiàn)出均勻磨損和表面形成沖坑兩種破壞形式；②空蝕破壞主要表現(xiàn)為其它部位完好而混凝土過流表面局部產(chǎn)生剝蝕坑，其深度可以達(dá)到幾厘米乃至幾米；③混凝土受空蝕或沖磨剝蝕后剩余部分依然較為堅(jiān)硬；④空蝕破壞會(huì)伴隨著沖磨剝蝕而出現(xiàn)；⑤空蝕和沖磨破壞繼續(xù)發(fā)展還會(huì)帶來更大范圍的水力沖刷破壞。

目前，《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》為現(xiàn)行主要設(shè)計(jì)指導(dǎo)文件，而執(zhí)行該規(guī)范開展水工建筑物設(shè)計(jì)時(shí)還存在一些不足，如僅局限于強(qiáng)度指標(biāo)的混凝土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，難以獲得預(yù)期的效果；未全面考慮混凝土抗磨防空蝕的關(guān)鍵影響因素，未充分重視其它因素的影響等。

2 水工建筑物沖破磨壞的機(jī)理

在挾沙石高速水流不斷剝蝕、磨損、切削、沖擊等綜合作用下水工混凝土發(fā)生沖磨破壞，故水工建筑物的關(guān)鍵影響因素是挾沙水流的速度。水流挾帶推移質(zhì)或懸疑質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)時(shí)具有一定的動(dòng)能，硬質(zhì)砂粒反復(fù)切削與沖擊水工建筑物過流壁面所造成的磨損?；炷潦芰健?mm的泥沙懸疑質(zhì)的沖磨破壞，主要是由于混凝土表面受挾帶泥沙顆粒的高速水流切削、摩擦、沖擊等作用所引起的。綜上分析，影響水工混凝土磨蝕性能的參量主要有沖出的持續(xù)時(shí)間、水流中含沙量、壁面與泥沙沖擊角度、泥沙運(yùn)動(dòng)速度、材料特性等。

2.1 懸疑質(zhì)的沖磨破壞機(jī)理

混凝土受懸疑質(zhì)的沖磨破壞主要是混凝土表面受挾帶泥沙的高速水流切削、摩擦、沖擊作用所致，在平滑的水流邊壁具有固液兩相和紊動(dòng)結(jié)構(gòu)流發(fā)生橫向和縱向的渦旋流體。結(jié)構(gòu)表面水泥漿層被磨掉后會(huì)淘刷粗骨料間的砂漿，逐漸裸露出粗骨料。由于具有較大的硬度，突出的骨料則形成一個(gè)能夠經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間磨損的耐磨層，該層被磨損后將嚴(yán)重淘刷粗骨料間的砂漿，在高速水流沖擊作用下骨料發(fā)生脫落，進(jìn)一步加速?zèng)_磨破壞。混凝土表面的磨損率與沖磨歷時(shí)、砂粒硬度、粒徑、形狀和流速等相關(guān)，含砂率與磨損率間的關(guān)系，見圖1。

圖1 含砂率與磨損率間的關(guān)系

2.1.1 磨損失重與沙速的關(guān)系

技術(shù)規(guī)范規(guī)定，平均水流速度的2.7-4.0次方與混凝土過流面含沙水流磨損強(qiáng)度呈正比。尹延國等[8]研究人為：懸疑質(zhì)泥沙流速較緩的情況下對(duì)混凝土壁面的沖量較低，界限流速下即使具有較高的含沙量也不會(huì)對(duì)混凝土壁面產(chǎn)生明顯的磨損，其界限流速處于10-12m/s之間。高流速條件下(流速為16-20m/s)，平均水流流速與混凝土過流壁面磨損程度一般呈2.0-3.0次方的關(guān)系，而含沙量與過流壁面磨損程度呈線性關(guān)系。結(jié)合三門峽工程原型觀測(cè)資料原水電部十一局設(shè)計(jì)院研究認(rèn)為，作用流速與混凝土的懸疑質(zhì)泥沙磨損量呈2.7-3.0次方關(guān)系；通過室內(nèi)試驗(yàn)研究不同混凝土強(qiáng)度材料與不同流速之間的關(guān)系，程度勘測(cè)設(shè)計(jì)院認(rèn)為混凝土強(qiáng)度為26-72MPa條件下，流速的1.5-2.5次方與混凝土磨損率呈正比，磨損失重受沖擊速度的影響，見圖2。

圖2 磨損失重受沖擊速度的影響

2.1.2 磨損率與泥沙粒徑的關(guān)系

即使沖角、沙速等沖磨作用相同，不同沙粒粒徑條件下所造成的同一種材料磨損率也不同。噴沙試驗(yàn)表明，隨沙粒粒徑的增大混凝土的抗沖磨性能不斷下降；不同粒徑試驗(yàn)表明，混凝土過流壁面磨損率隨沙粒粒徑的增大而明顯增大，平均粒徑dcp為2.5-3.0mm時(shí)磨損率急劇增大，泥砂粒徑與單位磨損率的關(guān)系，見圖3。

圖3 泥砂粒徑與單位磨損率的關(guān)系

2.1.3 磨損率與泥沙硬度及顆粒形狀的關(guān)系

棱角尖利的泥沙顆粒其磨損作用較強(qiáng)，一般人為尖角形、棱角形和圓球形的泥沙磨損作用之比為3∶2∶1，混凝土受人工破碎石英沙垂直沖擊磨損、水平微切削磨為天然河沙的1.25倍和2.0-4.0倍。在材料硬度小于或接近懸疑泥沙顆粒硬度時(shí)不會(huì)出現(xiàn)明顯的磨損，而懸疑泥沙顆粒硬度高一級(jí)材料硬度時(shí)則表面會(huì)被磨成擦痕，磨損率整體不高，而高兩級(jí)時(shí)則表面會(huì)被磨成坑洞。

2.2 推移質(zhì)的沖磨破壞機(jī)理

推移質(zhì)與懸疑質(zhì)的沖磨破壞機(jī)理不同，懸疑質(zhì)主要是利用摩擦作用對(duì)泄水壁面造成磨損破壞，而推移質(zhì)對(duì)壁面的破壞既有磨損作用又有沖擊砸撞作用。推移質(zhì)主要有滾動(dòng)、滑動(dòng)和跳躍三種運(yùn)動(dòng)方式，推移質(zhì)對(duì)泄水壁面以大角度的沖擊破壞為主。沖角越大垂直方向上沙粒的動(dòng)能方量越大，由此產(chǎn)生的壁面磨損作用也就越強(qiáng)?；炷帘砻嫔沉_擊后躍起、再?zèng)_擊，如此反復(fù)作用使得壁面受到多次沖擊、切削和摩擦作用。材料強(qiáng)度達(dá)到疲勞極限或強(qiáng)度極限值就會(huì)出現(xiàn)破壞，以表面剝落繼續(xù)向縱深擴(kuò)展的方式為主。

推移質(zhì)的沖磨破壞激勵(lì)不僅與其沖擊、混動(dòng)、滑動(dòng)形式有關(guān)，還與沙粒自身的過流時(shí)間、速度、數(shù)量、質(zhì)量、形狀等有關(guān)，總體比較復(fù)雜。此外，過流時(shí)間越長(zhǎng)、流速越快、粒徑越大則水工建筑物的破壞程度越高。

3 水工建筑物抗沖磨性能提升對(duì)策

3.1 合理設(shè)計(jì)抗磨蝕方案

水工建筑物的運(yùn)行方式不同，其選擇的抗沖磨設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方案也就不同。一般地，可以減少間歇性運(yùn)行工程的結(jié)構(gòu)壁面抗磨蝕材料厚度，這是由于足夠的檢修時(shí)間可適當(dāng)降低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而節(jié)約投資成本。

針對(duì)費(fèi)用占比較高、結(jié)構(gòu)相對(duì)重要、流速較大的水工建筑物，采用水彈性模型試驗(yàn)研究水流脈動(dòng)壁壓作用，對(duì)結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，由此實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境下水工結(jié)構(gòu)共振的有效控制，從根本上解決流激振動(dòng)所引起的破壞問題。

改進(jìn)邊界的輪廓形態(tài)為防止過流邊壁發(fā)生沖磨最為有效的措施，確保各部位初生空化數(shù)在泄水運(yùn)行時(shí)不超過其水流空化數(shù)。鑒于測(cè)壓管水頭的影響作用，在水力計(jì)算和選擇建筑物形式時(shí)要考慮動(dòng)水壓強(qiáng)沿程分布情況，通過限制測(cè)壓管水頭絕對(duì)值和負(fù)壓范圍實(shí)現(xiàn)水流空化數(shù)過小的間接控制。

3.2 科學(xué)選用原材料及外加劑

一般來講，礦物摻合料是指硅粉、磨細(xì)礦粉、粉煤灰等，保持水泥用量不變的條件下?lián)饺牍璺勰軌蛱岣?.3-2.3倍的抗壓強(qiáng)度和1.3-3.5倍的抗水沖磨強(qiáng)度，提高1.6倍的抗空蝕強(qiáng)度[9]。目前，中國水電工程廣泛使用硅粉混凝土作為抗沖耐磨材料，硅粉混凝土被先后應(yīng)用于小浪底、龍羊峽、劉家峽、葛洲壩、李家峽和龍羊峽等水利工程。然而，混凝土中加入硅粉會(huì)增大其干縮率，收光抹面施工難度加大，極易產(chǎn)生干縮裂縫，一些工程采用了加聚丙烯纖維、外加膨脹劑等解決混凝土外摻硅粉易出現(xiàn)裂縫的問題，實(shí)踐表明仍無法有效解決裂縫問題。

針對(duì)應(yīng)用硅粉混凝土施工難度大以及易出現(xiàn)裂縫等問題，20世紀(jì)90年代初研發(fā)了一種新型的水工抗沖耐磨護(hù)面HF混凝土，其基本原理為：粉煤灰活動(dòng)在HF外加劑作用下被激活，從而增強(qiáng)膠凝材料水化產(chǎn)物的堅(jiān)硬度、致密性、膠結(jié)力及其自身強(qiáng)度，達(dá)到提高混凝土抗磨及抗壓強(qiáng)度的目的。在黃河大峽水電站、康揚(yáng)水電站泄洪閘等工程HF混凝土均有應(yīng)用，實(shí)踐表明HF混凝土的抗沖耐磨性能良好[10]。施工過程中，粉煤灰或水泥應(yīng)以干粉狀HF外加劑同時(shí)加入拌和筒內(nèi)，投料順序?yàn)榫?xì)骨料→水泥→HF外加劑(粉煤灰)，干拌均勻后加水?dāng)嚢?，總拌和時(shí)間≥180s。硅粉混凝土與HF粉煤灰混凝土的抗沖磨、抗壓性能，見表1；HF粉煤灰混凝土推薦用配合比，見表2。

表1 硅粉混凝土與HF粉煤灰混凝土的抗沖磨、抗壓性能

表2 HF粉煤灰混凝土推薦用配合比

3.3 改善施工方法及工藝

采用科學(xué)的方法和施工工藝能夠提高混凝土均勻密實(shí)性，對(duì)提高混凝土抗空蝕、抗沖磨強(qiáng)度等具有積極作用。

3.3.1 真空處理技術(shù)

混凝土的真空處理就是在澆筑的混凝土表面立即用氣墊薄膜吸水裝置或真空模板形成真空，吸走混凝土表面附近的水和中交氣泡，同時(shí)對(duì)混凝土利用大氣加壓處理的一種施工工藝?；炷琳婵仗幚砉に嚹軌蛱岣呓Y(jié)構(gòu)早期強(qiáng)度，有利于壓縮工期、提高模板的周轉(zhuǎn)率和抹面、拆模時(shí)間。相對(duì)于普通混凝土，能夠降低15%的收縮率，提高30%-50%的抗沖磨能力及2.0倍-2,5倍的抗凍性，提高100%、50%、20%的3d、7d和28d抗壓強(qiáng)度。真空處理技術(shù)一般用于過六面、泄洪孔道等水電工程混凝土表面處理，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

3.3.2 二次振搗處理

水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2凝膠屬于水泥石中最不耐磨的部分，水化后振搗硅粉鑄石拌和物可使水泥顆粒四周包圍的膜層破裂，使尚未水化的內(nèi)核與水泥顆粒保護(hù)作用較弱的溶液接觸，加速反應(yīng)使其更加充分，由此達(dá)到減少或消除收縮裂縫并提高強(qiáng)度的目的[11-12]。

3.3.3 柔性抗沖磨噴涂技術(shù)

水工建筑物的抗沖磨性能受基地與抗沖磨混凝土黏結(jié)強(qiáng)度高低的影響很大，技術(shù)規(guī)范規(guī)定底板≥30cm厚，側(cè)墻≥20cm厚；按照水流空化數(shù)合理選擇過流表面處理標(biāo)準(zhǔn)，水流空化數(shù)為0.1-0.6之間時(shí)控制突體高度為6.0-12.0mm之間，突體側(cè)向、下游和上游坡度為1/4-1/2、1/8-1/5、1/10。為保證工程的安全穩(wěn)定，實(shí)際選用時(shí)大部分項(xiàng)目都提高了上述指標(biāo)。近年來，國內(nèi)外抗沖磨護(hù)面噴涂技術(shù)得到了快速發(fā)展，如研制的雙組分無氣高壓噴涂技術(shù)能夠適應(yīng)40m/s的高流速?zèng)_磨，其噴涂速度可以達(dá)到10m2/min；近期國內(nèi)研發(fā)的一種新型的噴涂聚脲彈性體技術(shù)，因具有無污染、無溶劑等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)防腐、表面抗磨、防滲等多個(gè)領(lǐng)域。柔性抗沖磨噴涂技術(shù)為節(jié)省投資成本、壓縮工期、減少混凝土厚度等提供了有利條件[13-16]。

4 結(jié) 論

1)組成材料所占的比例及其抗沖耐磨性能決定了水工建筑物抗沖耐磨強(qiáng)度，因此提高抗沖耐磨性能的有效途徑是提高骨料和水泥石的黏結(jié)力及其耐磨性，可采取抗沖耐磨試驗(yàn)合理確定最佳含砂率、水膠比和單位用水量。

2)水工建筑物受含沙高速水流的沖磨作用是一個(gè)不可能完全避免的問題，通過局部水流摻氣管理運(yùn)行、施工質(zhì)量控制、現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用、選用耐磨高強(qiáng)原材料、改善結(jié)構(gòu)梯形設(shè)計(jì)等措施能夠促使水工建筑物達(dá)到抗沖磨性能設(shè)計(jì)要求。