水工泄水建筑物抗冲磨机理及新型抗冲磨材料的研究与应用.pdf

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1、中国水利技术信息中心《泄水建筑物安全及新材料、新技术应用论丈集》水工泄水建筑物抗冲磨机理及新型抗冲磨材料的研究与应用张涛、黄俊玮、丁清杰中国水利水电第十一工程局有限公司【摘要】本文综述了高速含沙水流对水工泄水建筑物的冲磨蚀破坏机理，沙石流速、介质的粒径及硬度等是影响磨损率的主要因素；简要介绍了常用抗冲磨材料的种类和使用情况，对近几年新研究出的新型抗冲磨材料及其在一些工程上的应用与效果进行了介绍。【关键词】泄水建筑物冲磨蚀推移质悬移质环氧砂浆1概述中国多泥沙河流众多，沙石问题比较严重。据统计，全国水土流失面积356万平方公里，占国土面积37．1％；年平均输沙量在i000万吨以

2、上的河流有四十多条。随着西部大开发和西电东送战略的实施，我国兴建了一批大型高水头电站，因此，对水工泄水建筑物过流面的抗冲磨蚀能力也提出了更高要求。磨损和气蚀破坏是水工泄水建筑物常见的病害之一。尤其是，当水流速度较高，水流中挟带沙石等磨损介质时，这种破坏现象更为严重。调查表明，表1部分水电站冲磨蚀破坏情况大型水电工程中，存在冲磨蚀问题的近70％，这些问题的存在严重地影响了工程的安全运行和正常效益的发挥。水工建筑物中，对冲磨蚀破坏的修复是建筑物加固工程中涉及面最广、修复频率最高的一项。多年来，通过对冲磨破坏修复经验的不断总结，修复技术及新型抗冲耐磨材料的研究得到很大进展。工程中

3、常用的抗冲耐磨材料主要有高强抗冲磨混凝土、钢材类金属材料、聚合物类材料、铸石板以及环氧砂浆等护面与修补材料。科研工作者和工程技术人员在这方面做了大量的试验研究工作，对多种材料的抗冲磨性能也进行了研究和实践。f]：程名称坝高(In)多年平均含沙量(kg／m3)主要冲磨破坏情况三门峡电站10638．Or8号排沙孔磨蚀严重映秀湾电站悬移质年输量830万吨，泄洪闸底板和l'甲J墩受推移质冲磨蚀破坏严重椎稳后年蝓沙蟹116，i吨风滩电站112．50．36溢流坝-面冲蚀严重，底孔鼻坎左侧有空蚀破坏新安江电站105．00．41电厂尾墩和溢流面冲露石比较严重1．1冲沙底孔冲胁破坏严卓：溢流

4、坝鼻坎及消力池龚咀电站85．5(多推移质)两边导墙冲刷淘蚀严重多年平均输沙量5．3亿t，平均含泄洪洞边墙普遍冲磨蚀3、5mm深，底板混凝土二滩电站240沙量12kg／m3冲蚀破坏严重。紫坪铺枢纽15615．8泄洪洞边墙普遍冲磨蚀深5、lOm，底板C50硅粉砼冲蚀更加严重2高速含沙水流冲磨蚀破坏机理及影响因素通常水流中的介质分为悬移质和推移质。但水18中国水利技术信息中心《泄水建筑物安全及新材料、新技术应用论文集》流中颗粒属于悬移质还是推移质取决于颗粒大小、形状和密度，并与水流流速和紊动有关。一般情况下，粒径较小的颗粒在水中呈悬浮状态。但在高流速、紊动大的情况下，大卵石实际上

5、成悬浮状态间歇地被水流携带运移。相反在缓坡、流速低的渠道中，粉沙颗粒可能呈推移质是交替而又相互促进的，破坏作用也很大。．．2．1水流中沙石颗粒对建筑物的冲磨机理研究成果表明，清水流过混凝土面对混凝土基本上没有破坏作用(除消能不良和空蚀破坏外)。大粒径的推移质沙石既有摩擦作用对表面产生微切肄角口《’>轴，削，又有冲击作用；细粒径的悬移质泥沙在水流中以较小的角度(5。’15。)冲击流道表面，造成表面的磨损。总之，悬移质和推移质的磨损都可以概括为以不同冲角作用于材料表面的流体力学磨粒磨损。研究表明，冲角对不同性能材料的磨损有很大影响。悬移质泥沙颗粒与过流面成5。’15。的微小角度

6、发生冲磨作用。此时，如果过流表面以钢板、铝板等柔性材料衬砌，由图1(a)可知，衬砌材料处于被磨损高峰，过流表面很快就会被磨损。因此，为抵抗这类磨损，应选用硬度较大的材料，如铸石板、环氧砂浆、特种混凝土等材料。狰锈囊(。》tb)图1磨损与冲角的关系曲线(a)柔性材料三门峡工程的多年原型观测资料证明，钢铁材料抵抗悬移质泥沙冲磨能力较低。当水流断面平均流速超过10m／s时，钢板等镶护材料即开始发生磨损。如泄流排砂钢管出口段，其最大平均流速达25．9m／s，经过106天的排沙运行后，普遍产生严重磨损最大磨损深度达20ram左右，钢板发生穿孔。对于岩石、混凝土等脆性材料，磨损与冲角关

7、系曲线是单调上升的，当a=90。时磨损失重率最大(如图lb)。因此，为抵抗这类冲蚀破坏，应选用柔性较大的材料，如钢材、环氧砂浆等。2．2含沙石水流冲磨破坏的影响因素2．2．1沙速对磨损率的影响原水电部十一局科研所根据黄河三门峡工程719(b)脆性材料号至12号深孔沿程磨损观测资料分析得出，沿程各测点最大磨损量5．。。(toni)与相应统计参数((EriVt3Tt)／g)成线性关系(见图2)。根据黄河三门峡工程原型观测资料，并参照已有的试验研究成果，悬移质泥沙对混凝土磨损量与作用速度V呈2．7’3．0次方关系。因此，