水工建筑物抗冲磨蚀性能提升对策分析

水工建筑物抗冲磨蚀性能提升对策分析

黄久豹

中交天津航道局有限公司    江苏省苏州市   215100

摘要：近年来，水工建筑的建设步伐不断加快，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。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。

关键词：含沙水流;冲磨蚀;提升对策;水工建筑物

引言

混凝土是我国建筑物的主要类型之一，占200m以上建筑物的56%以上。建筑物受到水流冲刷不可避免，其下泄流速已达50m/s，水中沙石会对混凝土建筑物造成冲刷磨蚀作用，缩短水工混凝土结构使用寿命。沙石在水流带动下撞击、磨损混凝土表面，造成细骨料脱落，粗骨料外露，进而出现钢筋外露、锈蚀等现象，影响结构的耐久性。高速挟沙水流对混凝土的冲磨和空蚀作用机理不同。根据水流中的介质大小，冲磨会对混凝土表面均匀磨损和撞击混凝土表面，留下形状不规则的坑洞;空蚀主要是在水流急剧变化区域形成气压差，产生的空化气泡破裂冲击混凝土过流面，造成破坏。冲磨和空蚀二者作用机制不同，但一般是同时发生，并且相互之间有一定促进和增强作用，发生条件受水中介质、水流流速、地质条件等因素影响。普通混凝强度低，易产生裂缝，常年受水流冲刷，影响水工建筑物结构后期性能。此时，环氧砂浆、聚脲弹性体、纤维混凝土等常被用作水工建筑物的修补材料。基于此，本文将对一些水工混凝土冲蚀破坏机理以及现阶段常用的冲磨防护措施进行综述，并分析各种防护措施的优缺点。

1冲磨破坏机理分析

从水工领域中混凝土的磨损现状来看，其冲磨破坏主要是由于处于较高速度的水流挟裹了大量泥沙、碎石等杂质，在具备一定动能的条件下流过混凝土表面。在对混凝土表面的冲刷过程中，水流与碎石、泥沙产生的动能传递给混凝土材料，进而造成冲刷处的混凝土材料剥落。因此，水工领域的混凝土冲磨破坏，主要是表现在挟带泥沙的、高速流动的水流对其持续冲击、磨损、侵蚀等综合作用，且根据水流冲刷形式的不同大致可以分为悬移质颗粒冲磨破坏、推移质颗粒冲磨破坏以及高速含沙水流的空蚀破坏等，冲磨破坏问题的存在严重影响了水工领域建筑项目的安全性、使用性能与寿命。另外，当前水工领域的混凝土冲磨与破坏主要发生在承受高速水流冲刷的水工建筑物的表面，较为常见的如导流洞、闸底板以及冲沙闸等，严重影响了水利水电工程及其他水工建筑中混凝土的耐久性。

2水工建筑物抗冲磨蚀性能提升对策分析

2.1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。

2.2对抗磨蚀方案进行合理设计

对于运行方式不同的水工建筑来说，需要的抗冲磨设计方案以及设计标准是不同的。如果是间歇性进行运行的工程，其结构壁面可以利用厚度比较小的抗磨蚀材料，这是由于检修时间是充足的，可以将设计标准调低，从而降低工程费用。如果是流速比较高，结构作用比较重要或者是费用占据比例比较大的建筑，要利用水弹性模型这种试验，对水流脉动壁压作用进行分析和研究，对结构体形进行合理设计，在动态环境之下，保证对水工建筑结构共振进行控制。对水工建筑来说，避免边壁冲磨的最为重要的措施就是对边界轮廓形态进行改进，确保各个位置水流空化数要比初生空化数大。在对水工建筑选项以及水力进行设计的时候，要对沿程动水压强具体分布进行注意，对测压管水头的负压范围以及绝对值进行限制，从而对水流空化数进行间接限制。

2.3环氧砂浆

环氧砂浆又称环氧树脂砂浆，是由环氧树脂、固化剂等有机组分，石英砂、水泥等无机材料充当填料按一定比例混合的多相复合材料。该种砂浆具有粘结强度高、抗冲击和耐磨性好、施工范围广等特点，能有效增强混凝土构件的抗冲磨、抗碳化、抗化学侵蚀等性能，因而其广泛适用于混凝土裂缝修补和表面防护。有研究人员经过室内对比试验，发现环氧砂浆的抗气蚀性能最强，是C40混凝土的6～8倍，C30混凝土的20倍。然而，环氧砂浆使用非常不便，在低温下热塑性差，必须要升高温度才能将固化的树脂从容器中倒出，其粘结性也会因温度的上升而降低，使用效果差。为了弥补环氧树脂的局限性，可以在环氧树脂中加入其他化学物质，更好地发挥其性能。基于新型固化剂研发了可用于水下修补的新型环氧砂浆，对三板溪水电站溢洪道边墙及底板进行修补，经过多次冲刷，修复部位完好无损。

2.4有机材料在抗冲磨混凝土中的应用

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。

结语

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。

参考文献

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