水工建筑物冲磨和空蚀破坏机理及其防治对策.docx

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( 四川大学水电学院 ,四川 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 ; tv69812 + 5文章编号 :1006 - 3951 (2008) 02 - 0089 - 04文献标识码 : b冲刷磨损与空蚀破坏 ,是水工泄水建筑物如溢流坝 、泄洪洞 、泄水闸等常见的病害之一 。尤其是当 流速较高 ,水流中又挟带悬移质或推移质等磨损介 质时 ,这种破坏现象就更为严重 。据调查 ,我国运行 的大坝泄水建筑物有 70 %存在不同程度的冲磨和空蚀破坏问题 ,其中比较典型的有丰满 、三门峡 、刘家峡 、龚嘴等工程 ,都屡经修补而问题依然严重 。质不完全相同 。在高速水流作用下 ,推移质以滑动 、滚动及跳动等方式在过流面上运动 ,除了摩擦及切 削作用还有冲击作用 。如过流面 a 点处受到质量为 m 、速度为 v1 的砂石的冲击 ( 见图 1) 。垂直向冲击力按动能原理分析应为 (忽略水阻力) :2 mv 1 cosfy =t石子在水流的作用下 ,以速度 v1 冲击建筑物壁面 ,假定它又以同样的速度 v1 反弹起来 , 由 于 冲 击 壁 面的时间 t 很短 ,则 fy 值很大 。石子在反作用力 作用下弹跳起来后 ,又会再次下落冲击壁面 。这样 反复作用的结果 , 会使 a 点遭受反复多次的摩擦 、 切削与冲击 。当材料强度到达极限值或疲劳极限值 时 ,则发生破坏 ,表现为表层剥落 ,并可能继续向纵 深扩展 。推移质冲磨破坏作用的大小 ,决定于水流 速度 、流态 、推移质的质量 、粒径及其运动方式 。对 建筑物整体来说 ,破坏程度还和材料的抗冲耐磨性 能 、过流时间等因素有关 。1 冲磨和空蚀破坏机理冲磨和空蚀均发生在水工建筑物泄流部位的混 凝土表面 ,而且冲磨破坏往往诱发空蚀 ,但冲磨破坏 与空蚀破坏的机理却完全不同 。1. 1 冲磨破坏机理携带泥 、沙 、石的高速水流 ,对混凝土表面冲磨 破坏是一种单纯的机械作用破坏 。悬移质泥沙颗粒较小 ,在高速水流的紊动作用下能充分与水混合 ,形 成近似均匀的固液两相流 。高速水流携带的悬移质在移动过程中触及建筑物过流面时的作用 ,表现为磨损 、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 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 ( 515) 冲击流道表面 ,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 水流对泄水建筑物表面冲磨破坏作用的大小 ,与水 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 。推移质对泄水建筑物过流面的破坏机理与悬移图 1 沙石冲击示意图1. 2空蚀破坏机理高速水流泄水建筑物的空蚀现象比较复杂 ,由 收稿日期 : 2007 - 12 - 17作者简介 : 王红强 (1983 - ) ,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 。云南水力发电2008 年第 2 期90量大于 20 kgm3 ( 主 汛 期 平 均) 且 水 流 速 度 大 于 20ms 时 ,应根据工程条件进行混凝土抗冲磨试验 ,比 选抗冲磨材料 。3 . 1 . 2 防空蚀设计泄水建筑物设计 ,应选择合理体型 ,提高水流空 化数 ,降低初生空化数i ,使大于或等于i 。放空洞 、临时泄水建筑物 ( 除导流洞 和 导 流 底 孔 的 门 槽 外) ,易检修的部位可采 大于或等于 0. 85 i 。对重 要建筑物关键部位或水流速度大于 35 ms 或 小 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 。 水流空化数小于 0 . 30 或流速大于 30 ms 时 , 宜按以下原则设置掺气减蚀设施 : 选用合理的掺气 型式 ,组合式掺气应进行大比尺模型试验论证 ,确保 形成稳定的空腔 ;近壁层掺气浓度应大于 3 % ,要求 特别高的部位应不低于 5 % ; 掺气保护长度根据泄 水曲线型式和掺气结构型式确定 ,对长泄水道应考虑设置多级掺气减蚀设施 。3. 2 材 料3. 2 . 1无机材料 不同冲磨情况对泄水建筑物的作用力不同 ,对材料的要求也不同 。选择材料时 ,先应分清破坏类型 。以悬移质破坏为主的高速含沙水流泄水建筑物 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 材料 。提高高速含沙水流泄水表面混凝土抗冲磨 、抗空蚀性能的主要措施 :1) 骨料混凝土的抗冲磨强度 ,主要取决于组成 材料的抗冲磨强度及其在混凝土中所占的比例 。细 骨料应选用质地坚硬 、含石英颗粒多 、清洁 、级配良 好的中粗砂 。粗骨料应选用质地坚硬的天然卵石或人工碎石 ,天然骨料最大粒径不宜超过 40 mm ,人工骨料最大粒径可为 80 mm ,当掺用钢纤维时混凝土 骨料最大粒径不宜大于 20 mm 。2) 在混凝土中 ,骨料的抗冲磨性能比水泥石高 得多 。提高水泥石的抗冲磨性能并减少其含量 ,可以减少骨料与水泥石抗冲磨性能的差距 ,从而提高 混凝土冲磨后的平整度及水泥 石 对 骨 料 的 粘 结 作 用 。规范规定宜选用大于或等于 42 . 5 强度等级的 中热硅酸盐水泥 、硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥 。3) 外掺高效减水剂已成为混凝土的重要组成部分 ,掺用高效减水 剂 可 显 著 减 少 用 水 量 , 改 善 和 易 性 ,能有效提高各类混凝土的抗磨蚀能力 。对于各种活性掺合料 ,由于硅粉可明显提高抗磨蚀性 ,应优于过水边界的突变 、突体 、陡坎 ,使水流发生涡流和分离时 ,流速加大 ,压力降低 。当压力降到相应水温 的汽化压力时 ,流体中形成空腔 (穴) 或气泡 ,这称为“空化”。空穴气泡不断随水流运动而突然溃灭 ,在很短的瞬间以极大的压力冲击微小的混凝土表面 ,造成破坏 ,即为“空蚀”。从以上的分析 ,造成水流空 化和建筑物表面空蚀的原因 ,主要是过流面水的流 速过高和压强过低 。试验表明 ,空蚀强度与水流流速的 57 次方成正比 。泄水建筑物表面的不平整 也是形成空化与空蚀的重要条件 。2 冲磨空蚀破坏的主要形态特征1) 冲磨剥蚀一般面积较大 ,并且有一定的连续 性 。悬移质冲磨破坏表现为混凝土的均匀磨损 ,而 推移质冲磨破坏则会在其强烈输移带处形成冲沟或 冲坑 。2) 空蚀破坏一般表现为在混凝土表面局部位置 出现空蚀剥蚀坑 ,但其他部位完好 ,剥蚀坑深度有几cm 至几十 cm 、甚至几 m 不等 。3) 由冲磨引起的破坏 ,往往会与空蚀联合作用 ,相互交替和促进 。4) 冲磨和空蚀破坏发展到一定程度 ,可能会增 大沙石对过流面的冲角 ,从而诱发大面积的水力冲刷破坏 。3冲磨和空蚀破坏的处理对策3. 1水工设计泄水建筑物泄槽段宜采用直线 。如必须设置弯 道段 ,应设在流速较小 、水流平稳 、缓坡的部位 。平面布置弯道应采用大半径和小转角 ,弯道前后应设直线段 。纵剖面曲线应连续 、平顺 。当流速大于 25 ms 时 , 应通过水工模型试验 , 使体型简单合理 , 水流平稳 ,时均压力大 ,避免发生空蚀 。3 . 1 . 1抗冲磨设计1) 在设计泄水建筑物 ,在多泥沙河流应全面收 集水流中的含沙量 、泥沙颗粒形状 、粒径 、硬度 、矿物 成分 、异重流运动规律等 ,分析其对混凝土表面的磨损影响 。2) 在多泥沙河流的泄水建筑物进口附近宜设置 排沙 、沉沙设施 。泄水建筑物的边坡和出口岸坡应 进行防护 ,防止掉石 、滚石进入槽内 。3) 含推移质和多泥沙河流的闸坝泄水建筑物底 板应采用一种坡度与护坦相接的急流泄槽型式 。4) 含推移质水流速度大于 10 ms 或 悬 移 质 含 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 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91先选用硅粉 。4) 混凝土中掺入适量的钢纤维 ,能提高混凝土 的抗冲击性及韧性 ,对提高混凝土的抗空蚀破坏性能是有利的 。3 . 2 . 2有机材料抗磨蚀护面的有机材料 ,可采用环氧树脂砂浆 及混凝土 、聚合物纤维砂浆及混凝土 、不饱和聚酯树脂砂浆及混凝土 、丙烯酸环氧树脂砂浆及混凝土 、聚 氨酯砂浆及混凝土等 。各类抗磨蚀树脂砂浆及混凝土应选用耐磨填料及骨料 ,例如石英砂 、粉 ,铸石砂 、粉 ,金刚砂 、粉等 ,其配合比应通过试验确定 。3. 3施 工1) 施工中定线误差 ,横向接缝不平 ( 错台) 或未 清除残留突起物 ,过流表面不平整会引起局部边界 分离 ,因而形成漩涡 ,产生冲磨空蚀破坏 。若查明确实是不平整度引起的磨蚀破坏 ,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 。见表 1 。表 1 表面不平整度处理标准表3水流空化数 0 . 600. 600 . 35 0 . 350 . 30 0 . 300 . 20 0 . 200 . 15 0 . 150 . 10 0 . 10掺气设施突体高度控制 mm25121101512813011013不设 614011015设 15181413不设 3150120110设 101101513不设修改 设 计设 61101814修改 设 计处 理 坡 度上游坡下游坡 侧向坡2) 粗骨料是混凝土中抗冲磨性能最优良的组成部分 。因此 ,抗磨蚀混凝土配合比设计中 ,应尽量采 用较小的混凝土塌落度 ,尽可能多地加入坚实的粗 骨料 ,尽可能减少较弱的水泥浆用量 。3) 拌制抗磨蚀混凝土投料顺序可参照 cecs104高强混凝土结构技术规范,如图 2 所示 。特征 ;判断结构物与基岩连接部位的破坏状况 。3) 当泄水建筑物经短期运行即发生较严重磨蚀 破坏 ,或长期运行发生周期性 、重复破坏时 ,应重新 审查与评估结构布置与体型设计的合理性 ,必要时 可通过模型试验再行论证 。3 . 4 . 2修 补 修补材料的选择除应按规范规定执行外 ,还应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 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 24 h ,修补前 12 h 清除积水 。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 反复压抹 、拍打 ,且不应在抹面时加水 。磨蚀破坏修 补应严格控制修补区的高程 、平整度及与未修补区的平顺连接 。在抹面后 ,对修补砂浆或混凝土表面 应立即喷洒养护剂或喷雾养护 。3. 5 质量控制与验收水工抗磨蚀混凝土比坝体 、板梁柱混凝土的质 量要求要严格得多 ,其中主要是体型和表面平整度 的控制 。从混凝土受磨蚀破坏的实例分析其破坏原 因 ,施工质量控制不良是主要因素 。水工抗磨蚀混凝土验收标准 : 泄水建筑物的布置 、过水断面体型及结构尺寸应符合设计要求 ;混凝 土表面突体高度和处理坡度应符合设计要求 ; 泄水建筑物区域内及其附近的残积物已清除干净 ; 原材图 2 投料顺序示意图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 除模板的过程中都有不同程度的损坏和变形 ,其结 构设计需要随时修正 ,混凝土浇筑速度也需及时调 整 ,才能保证泄水建筑物满足设计要求 。3. 4 维护与修补3. 4 . 1 维护 (检查)1) 泄水建筑物运行时 ,应按设计要求进行水力 学观测 ,并经常观测水流流态等 ,发现异常情况应及时纪录并报告 。2) 易遭受冲磨与空蚀破坏的部位应重点检查 。 主要内容包括 :查明遭受磨蚀破坏的状况 ,分析破坏类型与原因 ;判断消能工内残积物数量 、分布范围及 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 云南水力发电2008 年第 2 期92料符合国家和行业的有关规定 ; 过水表面混凝土抗压强度应满足相关要求 。对抗磨蚀混凝土施工质量 评定标准 ,应该用混凝土的抗磨蚀强度 。计 、材料 、施工 、维护与修补 、质量控制与验收五大方面对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 。参考文献 :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 .2 蒋 元 ,韩素芳. 混凝土工程病害与修补加固m. 北京 : 海洋 出版社 ,1996 .3 dlt 5207 2005 水 工 建 筑 物 抗 冲 磨 防 空 蚀 混 凝 土 技 术 规 范s. 北京 :中国电力出版社 ,2005 .4 结 语已建工程运行实践表明 ,即使设计精确 ,施工工 艺严格 ,混凝土材料的抗磨蚀性能也较高的工程 ,经 长期运行后 ,由于某些不可预见的因素 ,泄水建筑物 混凝土表面总有不同程度的磨损或空蚀 。本文通过 对混凝土冲磨 、空蚀破坏机理的简要分析 ,从水工设(上接第 80 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 控制电压由原来的 380 v 改为 220 v ,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 语软启动器在鲁厂运行两年多 ,可靠性高 ,性能完 善 ,能满足生产要求 。主要体现在以下几点 : 使用 软启动器后 ,启动电流明显降低 ,减少配电容量与增 容投资 。 软启动器实现平稳启动 ,对水泵及管道 无冲击 ,提高供电可靠性和排水可靠性 。 采用软 停车方式减少对机械的冲击 ,防止水锤效应 ,延长水 泵及其相关设备的使用寿命 。 多种启动模式及保 护功能融于一体 ,防止事故的产生 。 起动时间稍 长 。参考文献 :1 黄 俊 1 半导体变流技术m1 北京 :机械工业出版社 12 顾绳谷 1 电机及拖动基础m1 北京 :机械工业出版社 13 刘宗富 1 电机学m1 北京 :冶金工业出版社 1312 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 ,转子堵转保护 ,电机欠载保护 ,三相失衡保护 ,大电 流保护 ,逆相保护 ,电机温度保护 。313 软启动器在运行中出现的问题及解决方法2006 年 2 月 ,鲁厂 2 号泵房 2 号低压水泵软启 动器报“欠载保护动作”信号 。经过检查发现 ,是由于水泵进水管的过滤器堵塞 ,使得水泵上