泄水建筑的高速大粒徑推移質(zhì)抗沖擊設(shè)計

李 偉

(新疆水利水電勘察設(shè)計研究院,烏魯木齊 830000)

0 前 言

磨損和氣蝕破壞是水電工程泄、放水建筑物常遇問題之一。據(jù)統(tǒng)計，已建大、中型水電工程中約有70%左右的工程存在不同程度的磨蝕破壞，這些問題的存在嚴重地影響了水工混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用和工程運行安全，不僅會造成一定程度的經(jīng)濟損失，有的還會對水利工程安全運行產(chǎn)生威脅。因此，對沖磨蝕破壞的水工建筑物修復工作成為水利水電工程水工建筑物加固工程中較為重要的環(huán)節(jié)[1]。在水工結(jié)構(gòu)中，較懸移質(zhì)而言，推移質(zhì)對水工泄水建筑物的破壞作用更加嚴重。

然而，隨著水電工程規(guī)模的不斷增大，對泄水建筑物的抗沖蝕性能也提出了較高的要求，尤其是當水流流速較高，水流中挾帶砂石等推移質(zhì)時，這種破壞現(xiàn)象更為嚴重。美國陸軍工程兵團Tony C．Liu采用水下鋼球法模擬推移質(zhì)破壞[2]。調(diào)查表明，水工泄水建筑物如大壩的溢洪道、消力池、泄洪洞以及通航建筑物的閘室底板、輸水廊道、電站底部的排沙底孔等部位的表面經(jīng)常遭受高速含沙水流或攜帶推移質(zhì)水流的沖刷，經(jīng)過一段時間的運行，往往會出現(xiàn)不同程度的磨損及氣蝕破壞[3]。因此，對抗沖磨材料的研究顯得尤為關(guān)鍵，經(jīng)過長期的工程實踐，研究人員嘗試了多種抗沖磨材料[4-5]，主要包括以下幾種：① 高性能混凝土類，如高標號混凝土、硅粉混凝土、聚合物混凝土等；② 護面板材類，如鑄石板、鋼板、陶瓷板等；③ 砂漿類，如聚合物砂漿、環(huán)氧類砂漿等；④ 橡膠類，工程橡膠、聚脲彈性體材料等。采用硅粉、粉煤灰、礦渣等，以配制高強度高性能混凝土為出發(fā)點，提高混凝土的整體抗沖磨強度。采用防護面板或涂層，是直接利用高強材料的優(yōu)異力學性能抵抗沖磨破壞。然而，以上技術(shù)對于大粒徑推移質(zhì)的沖蝕破壞收效甚微，如何進行泄水建筑過流面的抗沖擊設(shè)計是一個亟待解決的問題。

1 高速大粒徑推移質(zhì)的沖擊破壞

高速挾沙水流作用下的泄水建筑物表面會存在不同程度的沖蝕破壞問題，一般認為，破壞主要分為磨損、沖擊、氣蝕或振動4種類型[6]：① 磨損，水工混凝土的磨損與水流速度、歷時、含沙量、泥沙硬度、粒徑等因素有關(guān)，發(fā)生磨損破壞后，膠凝物被淘刷、粗骨料外露、表面出現(xiàn)魚鱗狀的突起和凹槽；② 空蝕，混凝土表面的毛糙和不平整會在過流表面形成各種漩渦流，隨著漩渦流強度的增大，低壓區(qū)空化的氣泡在混凝土附近潰滅，對混凝土表面產(chǎn)生空蝕破壞，輕者如蜂窩狀麻面，重者將骨料拔出，形成深洞；③ 沖擊，水流中的泥沙無論顆粒大小都主要以沖擊方式作用于材料表面，大粒徑推移質(zhì)石塊，主要以沖擊、滾動、滑動等方式作用于材料表面，不斷沖擊混凝土材料表面，使其產(chǎn)生凹坑和裂紋；④ 振動，混凝土的抗拉強度較小，高速水流紊動形成的脈動壓強，會引起水工結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。大量推移質(zhì)石塊(直徑超過20 cm)在高速水流的作用下，對混凝土表面造成破損，同時也會破壞下層混凝土。局部表面破損又會加劇水流紊亂，該部位會加劇空蝕、磨損和振動等其他形式破壞，進而破壞深層混凝土，最終形成局部沖蝕深坑或其他極為嚴重破損，這是高速大粒徑推移質(zhì)沖蝕破壞的特點。

除水流速度外，近期研究表明大粒徑石塊和尖銳外形也是推移質(zhì)破壞的重要的影響因素，該試驗將沖磨介質(zhì)鋼球改為帶有棱線的球形六面體，且增加大直徑鋼球的占比，采用水下鋼球法測試混凝土抗沖磨性能，試驗結(jié)果與規(guī)范的水下鋼球法試驗相比：混凝土試塊磨損率提高一倍，抗沖磨強度降低一半，沖痕深度增大5倍以上，研究結(jié)果與實際運行的泄水建筑物破壞規(guī)律相符。以新疆地區(qū)為例，許多水庫由于兩岸植被很少，兩岸及河床的沙石在汛期被高速水流挾帶，特別是高速推移質(zhì)中含有大量較大石塊時破壞極為嚴重，如圖1所示，泄水建筑表面局部20 cm厚混凝土護層被磨掉、鋼筋裸露甚至磨斷等破壞現(xiàn)象非常普遍，沖坑深度和破損程度明顯更為嚴重。

2 抗沖擊設(shè)計

目前常用的防護材料結(jié)構(gòu)上都是在混凝土表層形成一定厚度的防護層，對于懸移質(zhì)磨蝕，這種防護結(jié)構(gòu)是有效的，如圖1所示。

圖1 常規(guī)防護涂層示意圖

但是對于大石塊推移質(zhì)的沖擊破壞，此類涂層防護效果并不明顯，可以利用沖擊理論對此分析。石塊推移質(zhì)沖擊可以簡化為水平?jīng)_擊系統(tǒng)[7-8]，當重量為Q的石塊以速度v沖向混凝土，沖擊變形Δd和沖擊應(yīng)力σd分別如公式(1)和公式(2)所示：

(1)

(2)

式中:Δst為靜變形，N/mm2；σst為靜應(yīng)力，N/mm2。

如圖1所示，如果防護材料是硬質(zhì)材料，則靜變形很小，根據(jù)公式(1)和公式(2)，相應(yīng)的沖擊載荷和沖擊應(yīng)力很大；如果防護材料較為柔軟，靜變形增加，可以降低沖擊載荷，但是較大的靜變形導致靜應(yīng)力增大，結(jié)果沖擊應(yīng)力也可能會增大。沖擊應(yīng)力越大越容易產(chǎn)生破壞，因此，目前單一的防護材料和結(jié)構(gòu)對于高速石塊沖擊，未能表現(xiàn)出好的防護效果。

對此，提出了“耐磨型鋼+澆注抗撕裂改性聚氨酯彈性體”的設(shè)計思路，在結(jié)構(gòu)和材料上采用抗沖擊設(shè)計，如圖2所示。

工字梁表面經(jīng)過抗磨處理，之間充填聚氨酯材料。充填的聚氨酯材料也能夠使得局部靜變形增大，由于工字鋼良好的抗彎性能，可以避免整體變形過大使得靜應(yīng)力過于增大，根據(jù)公式(2)可知，沖擊應(yīng)力會相應(yīng)減小，因此這種結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計在理論上優(yōu)于上述單一的防護材料和結(jié)構(gòu)。

由于單個石塊重量有限，即使考慮到?jīng)_擊，破壞強度并不大，產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力是在可承受范圍之內(nèi)的。表面護層之所以產(chǎn)生破壞，是數(shù)量眾多石塊對護面反復沖擊，一些部位材料達到疲勞極限時，首先發(fā)生破壞，然后在各種破壞因素的共同作用下破壞面積和深度逐漸增大。因此，抗沖擊設(shè)計的實質(zhì)是，從結(jié)構(gòu)和材料兩方面優(yōu)化設(shè)計表面護層，使其抗沖擊性能得到提高，進而使其抗疲勞破壞的性能得到有效提高。澆注抗撕裂改性聚氨酯涂層施工主要使用材料如下：

圖2 耐磨型鋼+澆注抗撕裂改性聚氨酯彈性體防護圖

抗撕裂聚氨酯：由異氰酸酯(單體)與羥基化合物聚合而成，主鏈含-NHCOO-重復結(jié)構(gòu)單元。由于含強極性的氨基甲酸酯，不溶于非極性基團，其主鏈結(jié)構(gòu)中的硬段含量相對較高，因此該材料具有良好的抗撕裂性，同時也具有優(yōu)良的耐磨性、耐老化性和韌性。

聚氨酯固化劑：采用二元胺類固化劑，該工藝簡單安全，固化后聚氨酯物理性能優(yōu)異，具有較高硬度和抗撕裂性能。

聚氨酯彈性體粘接底膠：該材料耐水、鹽霧、多種溶劑以及其它苛刻環(huán)境。操作方便，單涂使用，工藝簡化，能適用各種加工工藝，具有優(yōu)異的粘接性能。

鋼板網(wǎng)：鋼板網(wǎng)材質(zhì)為Q235，厚度8 mm，網(wǎng)孔直徑10 mm，焊接于型鋼之間，底部與支撐螺紋鋼焊接，起到連接型鋼、提高整體性、增加結(jié)合力及支撐的作用。

耐水劑：該助劑可提高涂層的耐水性、柔韌性和附著力。

抗老化劑：自制，該助劑加入可以提高涂層的耐候性、抗光老化性能。

3 應(yīng)用實例

新疆某水電站工程位于玉龍喀什河下游河段的峽谷山區(qū)內(nèi)，總裝機容量為75 MW(生態(tài)電站5 MW)，水庫總庫容1 130萬m3，屬Ⅲ等中型工程。電站主要建筑物包括大壩、泄水建筑物、發(fā)電引水建筑物、水電站廠房及尾水渠。導流兼泄洪沖沙洞布置在右岸，溢洪道右側(cè)。由引渠段、進口閘井段、有壓洞身段、工作閘井段、無壓洞身段、出口消能段組成。設(shè)計泄量623 m3/s，校核泄量748.26 m3/s。出口工作閘井為豎井型式。底高程1 731.38 m，頂高程1 765.00 m，寬10.6 m，長22.5 m，內(nèi)設(shè)一道弧形工作門，孔口尺寸為6.0 m×6.8 m(寬×高)，采用C25F200W6鋼筋混凝土襯砌，閘門門槽底板加鋼板襯護，結(jié)構(gòu)設(shè)計詳見圖3。

圖3 某電站工作閘井結(jié)構(gòu)設(shè)計圖單位：高程，m;尺寸，mm

工程于2014年建成，導流兼泄洪沖沙洞經(jīng)過一個汛期運行后，發(fā)現(xiàn)工作閘井混凝土工作閘井邊墻混凝土距底板2～4 m范圍存在明顯磨蝕現(xiàn)象，距底板1 m范圍內(nèi)磨損嚴重，混凝土骨料裸露，部分部位磨蝕較深。弧門底板鋼襯及下部二期混凝土已嚴重破壞。底板鋼襯下游3～5 m范圍一期、二期底板混凝土磨損嚴重，左側(cè)靠近邊墻部位沖磨蝕深度約30 cm左右。在底板鋼襯下游約0.5～2 m范圍發(fā)現(xiàn)有垂直水流方向鋼筋已沖蝕磨斷，如圖4所示。

圖4 某電站工作閘井混凝土磨蝕情況圖

經(jīng)分析，主要原因是由于河流含沙量高，存在大量30 cm以下的推移質(zhì)，當工作閘門長期局開運行時，工作閘井處水流流速高、沖擊磨蝕嚴重，造成閘井出現(xiàn)不同程度的破壞。經(jīng)過設(shè)計研究，于2017年采用了圖2中“耐磨型鋼+澆注抗撕裂改性聚氨酯彈性體”的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計，經(jīng)過2個汛期，底板未出現(xiàn)磨損破壞情況，過流面平整，效果如圖5所示。

圖5 兩個汛期后涂層的防護效果圖

通過圖5不難看出，沖蝕最嚴重的工作閘門底板基本完好，說明經(jīng)受住了高速大粒徑推移質(zhì)的沖蝕考驗。運行兩個汛期表明“耐磨型鋼+澆注抗撕裂改性聚氨酯彈性體”的設(shè)計滿足抗沖磨要求，達到了預期效果。

4 結(jié) 語

為解決高速大粒徑推移質(zhì)對水工泄、放水建筑物結(jié)構(gòu)進行反復沖擊造成沖蝕破壞，提出了“耐磨型鋼+澆注抗撕裂改性聚氨酯彈性體”的復合式修復設(shè)計思路，并成功應(yīng)用于新疆某水電站工程導流兼泄洪沖沙洞出口工作閘井修復工程中。本方案施工簡便、防推移質(zhì)沖磨效果好，解決了泄水建筑物抗推移質(zhì)沖磨破壞修補領(lǐng)域的難題，值得推廣應(yīng)用。