提高水工建筑物抗沖磨蝕性能對策探究

【摘要】隨著社會經濟的發展，能源資源緊缺問題愈加突出，對水電站的建設以及水工建筑物抗沖磨性提出了更高的要求。而混凝土作為水工建筑物的重要材料，其抗沖磨性能對混凝土耐久性具有直接的影響，要想保證水工建筑的安全穩定運行，必須要高度重視混凝土的耐久性，適當提高抗沖磨蝕性能，保證水工建筑物的正常運轉。本文就對水工建筑物沖磨蝕破壞的特點及因素進行分析，并提出幾點有效對策，以便相關人士借鑒和參考。

【關鍵詞】水工建筑物；抗沖磨蝕性能；對策

一、水工建筑物沖磨破壞的特點與因素分析

（一）特點

水工建筑物沖磨破壞涉及空蝕與磨蝕，其中磨蝕是指含沙高速水流對混凝土表面產生的切削、摩擦與沖擊等作用，而水工建筑物發生沖磨破壞的部位包括隧洞的泄水段、深孔閘門、進口以及建筑物的泄洪底孔、水閘底板、泄洪等。當然水工建筑物發生磨蝕破壞條件需要滿足兩個方面：一是挾帶固體顆粒的水流流速應能啟動水流挾帶沙石的速度；二是水流中挾帶有一定的固體顆粒。一般情況下，水工建筑物的沖磨破壞特點主要表現為如下幾點：①空蝕與沖磨破壞的發展可能會出現大面積的水力沖涮破壞；②沖磨剝蝕會導致空蝕破壞的產生；③空蝕或沖磨后的混凝土依然堅硬；④過流混凝土表面產生剝蝕坑，且剝蝕坑的深度至少達幾厘米，這樣會使建筑物出現空蝕破壞；⑤沖磨剝蝕的面積相對較大，會均勻磨損混凝土，致使其形成沖坑。

（二）因素

1、推移質的影響

懸移質主要是借助摩擦的作用來磨破壞水工建筑物，而推移質不僅具有磨損的作用，也具有砸撞沖擊的作用，能夠通過滾動與跳躍等方式進行運動，繼而沖擊破壞壁面，尤其是對角度的沖擊。如果角度沖擊相對較大，砂粒垂直動能分量會有所變大，磨損混凝土壁面；沙粒沖擊混凝土的表面后，在反復的作用下會使壁面受到多次沖擊與切削。如果材料強度達到疲勞極限值后，則會出現破壞的現象，如表面剝落且朝縱深方向的發展。這種形式的破壞機理相對復雜，深受沖擊、滾動、滑動等形式的影響，也與過流時間、數量、質量與沙粒形狀等相關。

2、懸移質的影響

高速水流挾帶的泥沙顆粒會切削與摩擦混凝土表面的水泥漿層，淘刷粗骨料中的砂漿，使粗骨料裸露出來。由于粗骨料具有較大的硬度，能夠形成耐磨層，可以承受長久的磨損，將其作為混凝土的制作材料，能保證混合土的硬度與耐磨性能。通常水流流速相對較小時，混凝土壁面承受的懸移質泥沙的沖量相對較小，只要流速不超過界限值，則泥沙不會對混凝土造成明顯的磨損。除此之外，沙粒的粒徑不同時，即便沖角與沙速相同，同一種材料導致的磨損率也有所不同，如尖角形、棱角形和圓球形等的泥沙，其產生的磨損能力比例為3：2：1，若材料硬度高于顆粒硬度，往往不會產生過大的磨損，否則會使材料表面出現坑洞。

二、提高水工建筑物抗沖磨蝕性能對策

（一）科學設計抗磨蝕方案

對于水工建筑物而言，其運行方式不同使得抗沖磨設計標準與設計方案的選擇也有所不同。例如：對于費用占用比例大、結構作用重要、流速高的水工建筑物，相關人員可以選用彈性模型試驗，對水流脈動壁壓作用進行分析，并按照規定的要求科學設計結構體形，以便控制結構共振，有效解決流激振動破壞問題。對于間歇性的工程而言，可以適當減小結構壁面抗磨蝕材料的厚度，適當降低設計標準，從而節省工程費用。當然要想提高水工建筑物的抗沖磨蝕性能，必須要對邊界輪廓形態加以適當改進，其初生空化數應地域泄水運行時的水流空化數，高度關注沿程動水壓強的分布，以免測壓管水頭存在負壓的問題，有效限制過小的水流空化數。

（二）合理選擇材料

水工混凝土中的摻合料涉及磨細礦渣粉、硅粉和粉煤灰等，如果水泥用量保持一致，摻入硅粉后會提高混凝土1.3～3.5倍的抗沖磨強度以及1.3～2.3倍的抗壓強度。以往水工建筑中產生的抗沖磨材料多是選用硅粉混凝土，但是將硅粉加入到混凝土中，會影響施工效果，不能很好地進行收光抹面工作，極易出現干縮裂縫。隨著科技的發展，HF混凝土作為一種全新的水工抗沖磨性材料，可以利用HF外加劑來激發粉煤灰的活性，保證膠凝材料的堅硬性與膠結力，提高混凝土的抗磨強度與抗壓強度。

（三）改進施工工藝

第一，真空處理混凝土。對混凝土進行真空處理，主要是在混凝土表面用氣墊薄膜真空吸水裝置或真空模板形成真空，吸走表面附近的水與氣泡，并結合組大氣壓來加以處理混凝土，促進混凝土早期強度的提升。相較于普通混凝土而言，3d可提高1倍的抗壓強度，而28d抗壓強度和抗凍性能可分別提高20%與2.0倍，抗沖磨能力則能提高30%～50%，收縮性則降低15%。第二，二次振搗處理混凝土。水泥水化產生的Ca（OH）2凝膠是水泥石中最不耐磨的部分，經過一段時間的水化，可以通過振搗破壞混凝土收尾的膜層，這樣可以讓未水化的內核接觸溶液，加快反應的速度，繼而提高混凝土的強度，減少收縮裂縫。第三，科學采用性抗沖磨噴涂技術。抗沖磨混凝土的黏結強度直接影響著水工建筑物的抗沖磨性，因此在實際工作中需要使其底板和側墻的厚度分別超過30cm與20cm，利用水流空化數來保證工程的安全。如果空化數保持在0.1～0.6之間，突體高度應保持在6mm～12mm的范圍內，突體的下游坡度應為1/8～1/5，而上游坡度應為1/10，側向為1/4～1/2。

結束語

總之，混凝土構成材料的抗沖耐磨性能直接決定著水工建筑物抗沖磨蝕的強度。因此在實際施工中必須要從實際情況出發，合理選擇材料，科學設計抗磨蝕方案，改進施工工藝，采用先進的施工技術，繼而有效控制施工質量，提高骨料與水泥石的黏結力和耐磨性，增強水工建筑物的抗沖磨蝕性能，保證水工建筑的正常運行。

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