水工建筑物冲磨和空蚀破坏机理及其防治对策

'维普资讯http://www.cqvip.com第2，4卷云南水力发电第2期YI7NNANWARPOWER89水工建筑物冲磨和空蚀破坏机理及其防治对策王红强，张光碧(I~IJIl大学水电学院，I~1]l【成都610065)摘要：通过对水工混凝土冲磨、空蚀破坏机理的简要分析，从水工设计、材料、施工、维护与修补、质量控制与验收五大方面对水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土关键技术进行了概括总结，为抗冲磨防空蚀混凝土的研究与运用提供参考。关键词：水工混凝土；冲磨及空蚀；破坏机理；防治措施中图分类号：Tv42；TV523；TV653；TV698．25文献标识码：B文章编号：1006—395l(20o8)02—0089—04冲刷磨损与空蚀破坏，是水工泄水建筑物如溢质不完全相同。在高速水流作用下，推移质以滑动、流坝、泄洪洞、泄水闸等常见的病害之一。尤其是当滚动及跳动等方式在过流面上运动，除了摩擦及切流速较高，水流中又挟带悬移质或推移质等磨损介削作用还有冲击作用。如过流面A点处受到质量质时，这种破坏现象就更为严重。据调查，我国运行为rn、速度为的砂石的冲击(见图1)。垂直向冲的大坝泄水建筑物有70％存在不同程度的冲磨和击力按动能原理分析应为(忽略水阻力)：空蚀破坏问题，其中比较典型的有丰满、三门峡、刘2mV1cos~=——家峡、龚嘴等工程，都屡经修补而问题依然严重。石子在水流的作用下，以速度冲击建筑物壁面，1冲磨和空蚀破坏机理假定它又以同样的速度反弹起来，由于冲击壁冲磨和空蚀均发生在水工建筑物泄流部位的混面的时间很短，则值很大。石子在反作用力凝土表面，而且冲磨破坏往往诱发空蚀，但冲磨破坏作用下弹跳起来后，又会再次下落冲击壁面。这样与空蚀破坏的机理却完全不同。反复作用的结果，会使A点遭受反复多次的摩擦、1．1冲磨破坏机理切削与冲击。当材料强度到达极限值或疲劳极限值携带泥、沙、石的高速水流，对混凝土表面冲磨时，则发生破坏，表现为表层剥落，并可能继续向纵破坏是一种单纯的机械作用破坏。悬移质泥沙颗粒深扩展。推移质冲磨破坏作用的大小，决定于水流较小，在高速水流的紊动作用下能充分与水混合，形速度、流态、推移质的质量、粒径及其运动方式。对成近似均匀的固液两相流。高速水流携带的悬移质建筑物整体来说，破坏程度还和材料的抗冲耐磨性在移动过程中触及建筑物过流面时的作用，表现为能、过流时间等因素有关。磨损、切削和冲撞。悬移质对混凝土的冲磨破坏开始表现为从表面开始的均匀磨损剥离。而后由于剥离程度的加深及混凝土本身的非均质性，过流表面m会出现凹凸不平的磨损坑。此时水流就会受到扰动而产生漩涡流，随着漩涡流的形成、扩大和消失，水流中的泥沙颗粒以较小的角度(5。15。)冲击流道～／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／一表面，对边壁施以切削和冲击作用，从而造成建筑物表面的磨损。原型观测结果表明，含悬移质的高速1『Fv水流对泄水建筑物表面冲磨破坏作用的大小，与水图1沙石冲击示意图流速度、水流形态、悬移质含量、颗粒粒径、形状和硬度以及混凝土的抗冲磨强度等因素有关。I．2空蚀破坏机理推移质对泄水建筑物过流面的破坏机理与悬移高速水流泄水建筑物的空蚀现象比较复杂，由*收稿日期：2OO7—12—17作者简介：王红强(1983一)，男，陕西宝鸡人，硕士研究生，研究方向：水工结构工程及基础工程。 维普资讯http://www.cqvip.com云南水力发电2008年第2期于过水边界的突变、突体、陡坎，使水流发生涡流和量大于20l(g，In3(主汛期平均)且水流速度大于20分离时，流速加大，压力降低。当压力降到相应水温m／s时，应根据工程条件进行混凝土抗冲磨试验，比的汽化压力时，流体中形成空腔(穴)或气泡，这称为选抗冲磨材料。“空化”。空穴气泡不断随水流运动而突然溃灭，在3．1．2防空蚀设计很短的瞬间以极大的压力冲击微小的混凝土表面，泄水建筑物设计，应选择合理体型，提高水流空造成破坏，即为“空蚀”。从以上的分析，造成水流空化数，降嘛生空化数使大于或等于。放空化和建筑物表面空蚀的原因，主要是过流面水的流洞、临时泄水建筑物(除导流洞和导流底孔的门槽速过高和压强过低。试验表明，空蚀强度与水流流外)，易检修的部位可采仃大于或等于0．85。对重速的57次方成正比。泄水建筑物表面的不平整要建筑物关键部位或水流速度大于35m／s或小也是形成空化与空蚀的重要条件。于0．3时，应进行减压模型试验。同时，应根据水流空化数的大小确定过流表面的不平整度处理标准。2冲磨空蚀破坏的主要形态特征水流空化数小于0．30或流速大于30m／s时，1)冲磨剥蚀一般面积较大，并且有一定的连续宜按以下原则设置掺气减蚀设施：选用合理的掺气性。悬移质冲磨破坏表现为混凝土的均匀磨损，而型式，组合式掺气应进行大比尺模型试验论证，确保推移质冲磨破坏则会在其强烈输移带处形成冲沟或形成稳定的空腔；近壁层掺气浓度应大于3％，要求冲坑。特别高的部位应不低于5％；掺气保护长度根据泄2)空蚀破坏一般表现为在混凝土表面局部位置水曲线型式和掺气结构型式确定，对长泄水道应考出现空蚀剥蚀坑，但其他部位完好，剥蚀坑深度有几虑设置多级掺气减蚀设施。cm至几十cm、甚至几m不等。3．2材料3)由冲磨引起的破坏，往往会与空蚀联合作用，3．2．1无机材料相互交替和促进。不同冲磨情况对泄水建筑物的作用力不同，对4)冲磨和空蚀破坏发展到一定程度，可能会增材料的要求也不同。选择材料时，先应分清破坏类大沙石对过流面的冲角，从而诱发大面积的水力冲型。以悬移质破坏为主的高速含沙水流泄水建筑物刷破坏。表面，应选择抗磨损硬度较好的材料；受推移质破坏为主的泄水建筑物表面，应选择抗冲击韧性较好的3冲磨和空蚀破坏的处理对策材料。提高高速含沙水流泄水表面混凝土抗冲磨、3．1水工设计抗空蚀性能的主要措施：泄水建筑物泄槽段宜采用直线。如必须设置弯1)骨料混凝土的抗冲磨强度，主要取决于组成道段，应设在流速较小、水流平稳、缓坡的部位。平材料的抗冲磨强度及其在混凝土中所占的比例。细面布置弯道应采用大半径和小转角，弯道前后应设骨料应选用质地坚硬、含石英颗粒多、清洁、级配良直线段。纵剖面曲线应连续、平顺。当流速大于25好的中粗砂。粗骨料应选用质地坚硬的天然卵石或m／s时，应通过水工模型试验，使体型简单合理，水人工碎石，天然骨料最大粒径不宜超过4oH瑚，人工流平稳，时均压力大，避免发生空蚀。骨料最大粒径可为80toni，当掺用钢纤维时混凝土3．1．1抗冲磨设计骨料最大粒径不宜大于20H瑚。1)在设计泄水建筑物，在多泥沙河流应全面收2)在混凝土中，骨料的抗冲磨性能比水泥石高集水流中的含沙量、泥沙颗粒形状、粒径、硬度、矿物得多。提高水泥石的抗冲磨性能并减少其含量，可成分、异重流运动规律等，分析其对混凝土表面的磨以减少骨料与水泥石抗冲磨性能的差距，从而提高损影响。混凝土冲磨后的平整度及水泥石对骨料的粘结作2)在多泥沙河流的泄水建筑物进口附近宜设置用。规范规定宜选用大于或等于42．5强度等级的排沙、沉沙设施。泄水建筑物的边坡和出口岸坡应中热硅酸盐水泥、硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。进行防护，防止掉石、滚石进入槽内。3)外掺高效减水剂已成为混凝土的重要组成部3)含推移质和多泥沙河流的闸坝泄水建筑物底分，掺用高效减水剂可显著减少用水量，改善和易板应采用一种坡度与护坦相接的急流泄槽型式。性，能有效提高各类混凝土的抗磨蚀能力。对于各4)含推移质水流速度大于10rrds或悬移质含种活性掺合料，由于硅粉可明显提高抗磨蚀性，应优 维普资讯http://www.cqvip.com王红强，张光碧水工建筑物冲磨和空蚀破坏机理及其防治对策先选用硅粉。各类抗磨蚀树脂砂浆及混凝土应选用耐磨填料4)混凝土中掺人适量的钢纤维，能提高混凝土及骨料，例如石英砂、粉，铸石砂、粉，金刚砂、粉等，的抗冲击性及韧性，对提高混凝土的抗空蚀破坏性其配合比应通过试验确定。能是有利的。3。3施工3．2．2有机材料1)施工中定线误差，横向接缝不平(错台)或未抗磨蚀护面的有机材料，可采用环氧树脂砂浆清除残留突起物，过流表面不平整会引起局部边界及混凝土、聚合物纤维砂浆及混凝土、不饱和聚酯树分离，因而形成漩涡，产生冲磨空蚀破坏。若查明确脂砂浆及混凝土、丙烯酸环氧树脂砂浆及混凝土、聚实是不平整度引起的磨蚀破坏，应根据水流空化数氨酯砂浆及混凝土等。的大小确定过流表面的不平整度处理标准。见表1。表1表面不平整度处理标准表[3]2)粗骨料是混凝土中抗冲磨性能最优良的组成特征；判断结构物与基岩连接部位的破坏状况。部分。因此，抗磨蚀混凝土配合比设计中，应尽量采3)当泄水建筑物经短期运行即发生较严重磨蚀用较小的混凝土塌落度，尽可能多地加入坚实的粗破坏，或长期运行发生周期性、重复破坏时，应重新骨料，尽可能减少较弱的水泥浆用量。审查与评估结构布置与体型设计的合理性，必要时3)拌制抗磨蚀混凝土投料顺序可参照CECS104可通过模型试验再行论证。《高强混凝土结构技术规范》，如图2所示。3。4．2修补修补材料的选择除应按规范规定执行外，还应粗符合与基底材料的线膨胀系数相近的要求。在修补施工前，必须彻底清除基面上已损坏、松动和胶结不出料良的表层混凝土、油污及杂质。当采用无机材料修补时，干燥基面修补前应浸水或保持湿润状态约24h，修补前1—2h清除积水。细骨料水泥磨蚀破坏修补宜采用低流动度的砂浆或混凝土，铺筑过程中应充分振捣并及时抹面。抹面时应图2投料顺序示忌图反复压抹、拍打，且不应在抹面时加水。磨蚀破坏修4)混凝土浇筑过程中由于自身的流动性和振捣引起的压力，以及其他各种荷载的作用，在安装、浇筑、拆补应严格控制修补区的高程、平整度及与未修补区除模板的过程中都有不同程度的损坏和变形，其结的平顺连接。在抹面后，对修补砂浆或混凝土表面构设计需要随时修正，混凝土浇筑速度也需及时调应立即喷洒养护剂或喷雾养护。整，才能保证泄水建筑物满足设计要求。3。5质量控制与验收3．4维护与修补水工抗磨蚀混凝土比坝体、板梁柱混凝土的质3．4．1维护(检查)量要求要严格得多，其中主要是体型和表面平整度1)泄水建筑物运行时，应按设计要求进行水力的控制。从混凝土受磨蚀破坏的实例分析其破坏原学观测，并经常观测水流流态等，发现异常情况应及因，施工质量控制不良是主要因素。时纪录并报告。水工抗磨蚀混凝土验收标准：泄水建筑物的布2)易遭受冲磨与空蚀破坏的部位应重点检查。置、过水断面体型及结构尺寸应符合设计要求；混凝主要内容包括：查明遭受磨蚀破坏的状况，分析破坏土表面突体高度和处理坡度应符合设计要求；泄水类型与原因；判断消能工内残积物数量、分布范围及建筑物区域内及其附近的残积物已清除干净；原材 维普资讯http://www.cqvip.com云南水力发电2008年第2期料符合国家和行业的有关规定；过水表面混凝土抗计、材料、施工、维护与修补、质量控制与验收五大方压强度应满足相关要求。对抗磨蚀混凝土施工质量面对抗冲磨防空蚀混凝土关键技术进行了概括总评定标准，应该用混凝土的抗磨蚀强度。结，为抗冲磨防空蚀混凝土的研究与运用提供参考。参考文献：4结语[1]黄国兴，陈改新．水工混凝土建筑物修补技术及应用[M]．北京：中国水利水电出版社，1998．已建工程运行实践表明，即使设计精确，施工工[2]蒋元，韩素芳．混凝土工程病害与修补加固[M]．北京：海洋艺严格，混凝土材料的抗磨蚀性能也较高的工程，经出版社，1996．长期运行后，由于某些不可预见的因素，泄水建筑物[3]DL／T5207-2005水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范混凝土表面总有不同程度的磨损或空蚀。本文通过[s]．北京：中国电力出版社，2005．对混凝土冲磨、空蚀破坏机理的简要分析，从水工设(上接第8O页)查设备故障原因，才能现场复归信号；否则软启动器不会实现再次启动。这给实现远方控制的鲁厂带来了一些不便，但是从保护设备来说，现场复归信号是必要的。鲁厂在2005年参加了缅甸邦朗电站的运行维护工作，在邦朗电站就有8台软启动器烧坏，其原因是由于缅甸的电压极不稳定造成的。把软启动器的t-停止t：T／S控制电压由原来的380V改为220V，并更改接线和软启动器参数后，软启动器就没有出现烧坏现象。图3软启动器停止电压图4结语3．2软启动器其他功能软启动器还提供以下保护功能：电机过载保护，软启动器在鲁厂运行两年多，可靠性高，性能完转子堵转保护，电机欠载保护，三相失衡保护，大电善，能满足生产要求。主要体现在以下几点：①使用流保护，逆相保护，电机温度保护。软启动器后，启动电流明显降低，减少配电容量与增3．3软启动器在运行中出现的问题及解决方法容投资。②软启动器实现平稳启动，对水泵及管道2006年2月，鲁厂2号泵房2号低压水泵软启无冲击，提高供电可靠性和排水可靠性。③采用软动器报“欠载保护动作”信号。经过检查发现，是由停车方式减少对机械的冲击，防止水锤效应，延长水于水泵进水管的过滤器堵塞，使得水泵上水量减小，泵及其相关设备的使用寿命。④多种启动模式及保流过软启动器中的电流小于0．4Ie，在到达一定时护功能融于一体，防止事故的产生。⑤起动时间稍限时，软启动器电机欠载保护及时将电机切除，控制长。参考文献：系统起动备用水泵。这样既保护了电机，又能及时[1]黄俊．半导体变流技术[M]．北京：机械工业出版社．排水。[2]顾绳谷．电机及拖动基础[M]．北京：机械工业出版社．由于软启动器保护功能动作时，必需到现场检[3]刘宗富．电机学[M]．北京：冶金丑出版社．水电十四局又一科技成果获国家科技进步二等奖由中国水电十四局与天津大学等联袂开发的“水利水电工程地环境中实现地层任意剖切、量算、揭层显示和开挖填筑设计，以及地质建模与分析关键技术及工程应用”，近日荣获国家科技进步二等质状况查询与应变分析。该工程地质三维建模技术，可根据现场勘奖。测数据，科学地构造出水电施工中对于边坡稳定性和地下洞室变形该项技术有机融人各种地质信息，包括地表地形、地下水位、地破坏等起关键作用的岩层和结构面，并显示其范围、走向和相互交切层界面、断面、节理、风化带分布、侵入体及开挖填筑体的物理力学参关系，帮助工程技术人员对地质变因作出正确解释。该项成果不仅数或数据等值面(线)等，并输入各种实际勘测数据，构成三维空间中减少了工程地质现场勘探、观测、试验、研究的成本，而且为提高施工的曲面拟合函数，利用计算机来构建三维体元的地质环境模型。这效率、降低成本、确保工程安全提供了科学决策的技术支持。一模型的建立，可真实描绘出地质信息的空间分布规律，并在可视的(摘自《云南省水力发电工程学会简报}2oo8年第3期)'