水工建筑物防空蚀及抗冲磨材料的分析

水工建筑物防空蚀及抗冲磨材料的分析

杨光洪

楚雄欣源水利电力勘察设计有限责任公司

摘要：近年来，水工建筑的建设步伐不断加快，有效缓解了能源资源的短缺。但鉴于我国河流的沙质特点以及环境破坏造成的水土流失问题，对水工建筑物的抗泄流性能要求越来越高。目前，我国70%以上的水电站泄水建筑物混凝土都存在一定程度的磨损，严重影响了水电站的功能和耐久性。因此，提升水利工程结构抵抗侵蚀和破坏的能力逐渐已然成为人们研究和关注的焦点。水利工程构筑物主要采用混凝土作为基础材料，而混凝土的耐久性很大程度上取决于其抗冲蚀性能。本文旨在探讨提升水利工程构筑物的抗冲蚀性能的对策。

关键词：水工建筑;冲磨蚀;提升对策;水工建筑物

引言

水利工程结构在运行20年至30年甚至更短时间内就出现明显病害，从而致使耐久性显著下降。尽管许多学者对此问题进行了广泛的研究，但鉴于问题的复杂性，学术界尚未达成一致共识。因此，应高度重视这一问题，结合实践经验，加大抗磨蚀、抗空蚀水工混凝土关键技术的研究，全方位提升水工建筑物的质量和使用寿命。

1水流空蚀破坏的工程相关研究

一些泄水设施因具有高水头、大流量和较高的水流速度等特点，如果不采取适当的措施，可能会引发过流面的空蚀破坏。在世界范围内，许多水利工程泄水建筑物都曾经发生过空蚀破坏。例如：巴拿马的Madden坝泄水道进水口、美国的Hoover坝泄洪洞反弧段、伊朗的Karun I溢洪道底板和侧墙、苏联的Bratsk水电站溢流坝面，以及我国的二滩水电站泄洪洞反弧末端下游，都发生过严重的空蚀破坏。因此，在设计高速水流过程中的建筑物时，必须充分考虑采取措施来减轻高速水流造成的空蚀破坏。减少水流空蚀破坏的常用工程措施主要有以下几种：合理设计过流建筑物的结构体型，控制过流面的平整度，选择具有抗空蚀能力强的建筑材料，将水体通气到可能出现空蚀的上游位置，也就是采用掺气减蚀的方法。国内外的试验研究和工程实践通过[1]表明，与其他几种措施相比，掺气减蚀措施具有操作性好和明显的效果，是一种有效的减少高速水流过流面空蚀破坏的技术。为了减轻或消除水流对过流面的空蚀破坏，目前超高坝工程中通过在高速水流流道底部或侧壁设置掺气设施，引入空气掺入水流，改变来流的运动特性。这样可以形成水、气混合两相流，具有一定的压缩性。目前修建的高水头、高流速的水利工程较多，对于掺气减蚀仍然是当前的一个重要研究课题。

在20世纪40年代，国外就开始研究和实践掺气减蚀。相比之下，我国在20世纪70年代才开始这方面的工作。目前，国内外已有数百个水利工程的泄水建筑物采用了掺气设施。掺气减蚀技术在高水头和大泄量泄水建筑物中得到快速推广和应用，也极大地推动了高速水流问题的理论研究和泄水建筑物减蚀工程技术的发展，从而保证了泄水建筑物的高效和安全运行。本文在综述掺气减蚀技术时，基于已有研究，从掺气减蚀机理、掺气水流运动特性以及掺气设施体型与布置三个方面进行了讨论。同时，指出了当前研究中存在的不足，并对未来深入研究的内容提出了展望。

2 掺气减蚀机理

大家普遍认可，在水流中注入适量的空气可以抑制高速水流的空蚀破坏。Hammitt[2]发现，空蚀破坏的程度与注入的气体量之间有着密切的关系。他提出了α/αs值（α代表注气量，αs代表空气在水中的溶解度）与空蚀破坏程度之间的定性关系。然而,因为掺气减蚀问题的复杂性和研究方法的限制,对于掺气减蚀的微观动力学机理尚未达成共识[3]，目前主要有三种关于掺气减蚀机理的解释存在：

2.1掺气提高水流绝对压强,增加当地水流空化数

黄建波和其他研究人员在实验中观察到了在水流中注入气体后，低压区域的水压增加的现象。在边界轮廓保持不变的情况下，掺气可以抑制水流的气化。研究表明，水流的初生空化数不是固定不变的，而是与水流的掺气量呈正相关关系。也就是说，水流的掺气会增加其初生空化数，使得水流具备了容易发生空化的特性。空化数是一种简单的量化方式，旨在对空化现象进行比较和简化。然而，空化数的应用受到一定的限制，并不能完全反映水流空化的真实状态。因此，从空化数的角度来解释掺气对空化空蚀的减免作用的理论仍然存在争议。

2.2掺入气体形成“气-汽”空化泡,减少空化泡破裂时释放的能量

掺入水流的气体可以部分进入空化泡内, 形成“气-汽”混合物。空化泡内气体的存在减小了空化泡溃灭初始半径与溃灭结束时半径的差值，延长了溃灭时间，进而降低了空化泡溃灭时释放的能量。此外，溃灭空化泡内残留的可压缩性空气还能吸收部分溃灭时的能量。结果显示，水流的掺气量与空化泡溃灭时的压强呈负相关。然而，另一些学者对此提出了质疑。张法星等认为，空气在水中的扩散系数较小，并且空化泡的发育和溃灭时间非常短，因此空气在这段时间内向空化泡内扩散的量是有限的，对于空化泡溃灭时释放能量的消减作用也非常有限。

2.3 掺气形成的“海绵层”削弱空化泡溃灭时释放能量的通量

研究了水流掺气后，发现空气泡和空化泡之间的相互作用增强，空化泡之间的相互作用也增强。这种相互作用形成了一个可压缩的“海绵层”，能减弱泡破灭时产生的微射流和辐射冲击波的能量，并减少了空化泡破坏边壁的腐蚀。

3水工泄水结构的耐磨设计方案

3.1根据水流具体情况，应根据不同情况选择相应的抗磨蚀方案

水工泄水结构的抗冲磨防空蚀是一个复杂的问题，涉及多个学科，且受多种因素影响。目前，对某些因素的研究还不够深入，因此必须通过具体分析来确定适用于本工程的方案。规范是设计指南，但并非绝对或刚性。在设计过程中，既要遵循规范中的某些禁止和强制性条款，同时也要超越规范的束缚，以灵活运用的方式进行设计，否则很可能达不到预期的效果。

研究表明，水流的速度、含沙量以及含沙水流中悬浮质与推移质的比例、推移质的颗粒尺寸等因素对泄水结构的侵蚀作用有所不同。经过对黄河上的一些水利枢纽进行若干年的运行检查发现，当流速降至15m/s以下时，含沙水流对混凝土的冲刷作用较小。国内几个曾遭空蚀破坏的泄洪洞典型示范例子显示，空蚀破坏的发生具备以下特征：(1)落差较大，高度在94至155米之间；(2)水流速度较快，介于38至49米每秒之间；(3)水流的空化程度较低，全部小于0.15。高速流体的动态水压力和脉动压力或导致结构和混凝土的破损，其表现有时与冲蚀破坏相近，常常不容易察觉和引起重视，因而需要借助优化工程结构进行控制。

工程运行方式对于含沙水流磨蚀泄流构筑物的影响在于其表面的抗磨蚀能力、冲磨时间、检修周期和抗磨材料强度等方面有所不同。根据泄流构筑物的运行方式的不同，需要选用不同的抗冲磨设计方案和设计标准。对于间歇性运行的工程，可以适量减小结构壁面抗磨蚀材料厚度，并且可以适度降低设计标准以降低工程费用。

3.2 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。

3.2.1 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。

3.2.2 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]。

3.2.3 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，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10m3/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]。

3.4喷涂技术抵抗冲击磨损的灵活性

有机材料在抗冲磨混凝土中的应用主要包括环氧树脂、聚脲弹性体材料等，其中应用范围较广的是环氧树脂，且在我国水工领域应用的时间较早，约从20世纪60年代开始，便广泛应用在大型水利工程枢纽的施工过程中。环氧树脂作为掺料加入混凝土中可提高混凝土、抗冲磨性、抗裂性方面表现良好，且方便快捷，便于施工。但在潮湿混凝土表面且对黏结强度要求较高的情况下，尚需进一步改善。因此，环氧树脂也多用在混凝土结构表面防护或者后期维护工作中的局部修补。聚脲弹性体材料由美国在20世纪90年代开发并投入使用。其有机挥发物为零，使用安全，且具有良好的防渗效果与力学性能，作为抗冲磨混凝土的掺料可减少混凝土结构渗漏问题的出现。此外，聚脲弹性体材料具有良好的附着力及耐腐蚀性，极大地提高了混凝土结构的稳定性和安全性，为抗冲磨混凝土在水工领域中的应用提供了良好的原料支持。根据DL/T5207—2005《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》，混凝土侧墙的厚度应不少于20cm，底板厚度应不少于30cm。过流表面的平整度处理标准根据水流空化数确定。水流空化数为0时，标准处理要求是0.6以下时，保持突体高度在6到12mm之间，并采用1/10的上游坡度和1/8到1/5的下游坡度，以及1/4到1/2的侧向坡度。为确保工程安全,许多项目在实际选用时,往往都对上述指标进行了提高。而过高的平整度标准使得施工技术难度增加，实施变得困难，造价也相应地提高。目前，国内外的抗磨损保护面喷涂技术已经取得了长足的进展，例如中国水利水电科学研究院开发的双组分无气高压喷涂技术，其喷涂速度可达到每分钟10平方米，能够应对高流速冲磨条件下的40米/秒。喷涂聚脲弹性体技术是一种无溶剂、无污染的新型绿色施工技术，近年来在国内得到了广泛应用和发展。它的抗冲磨强度超过了C60硅粉混凝土的十倍以上，适用于混凝土表面在抗磨损、防渗和防腐方面的各种需求。柔性抗冲磨喷涂技术为减小混凝土的厚度、加快施工进度以及降低工程费用提供了必要的条件。

结语

经过长时间受到高速水流的冲刷，水工建筑的保护层混凝土经常会出现空洞等状况，严重危及了水工建筑的运行安全，同时也对水工建筑的各项功能发挥带来了不良影响。因此，为了提高抗冲耐磨性能，可以采取一些有效的措施。此外，通过合理地进行抗冲耐磨试验，可以确定最佳的含砂率、水胶比和单位用水量。水工建筑物在受到含沙高速水流的冲刷时，无法完全避免受到影响。通过实施局部水流掺气管理、控制施工质量、应用现代技术、选择耐磨高强度原材料以及改善结构梯形设计等措施，可以提高水工建筑物的抗冲刷性能，满足设计要求。在高速水流的长期冲磨作用下，水工建筑的护面混凝土往往会出现空蚀等问题，严重威胁了水工建筑的运行安全，同时也对水工建筑各项使用功能的正常发挥产生了不利的影响。因此应加强对水工抗冲磨防空蚀混凝土关键技术的研究，并不断总结实践经验，通过设置掺气减蚀设施，科学选择抗冲磨混凝土龄期和抗磨蚀混凝土材料、准确掌握混凝土的浇捣、收面以及养护等关键技术，全面提高水工建筑的施工质量。

参考文献：

[1]刘瑞琳.水电工程中钢纤维混凝土抗冲磨性能研究[J].水利技术监督,2020(5):123-125+222.

[2]胡宏峡.黄河上游水电站抗冲磨混凝土试验研究[J].人民黄河,2020,42(10):142-147.

[3]赵毅.高水头泄水建筑物抗冲磨修补技术及应用[J].西北水电,2020(5):56-60.

[4]李光伟.纤维素纤维在水工抗冲磨高性能混凝土中的应用[J].水利水电技术,2011,42(10):124-127.

[5]马强,贾新聪.高强自密实混凝土研究及其在工程中的应用[J].住宅与房地产,2020(30):84-85.

［6］俞波涛，张翼，陈磊.HF高强耐磨粉煤灰在黄河康扬水电站泄闸工程中的应用［J］.青海大学学报，2005，23(04):16－19.