1、浅论水工泄水结构的抗磨防蚀设计摘要：本文论述了泄流表面抗冲磨设计、泄水表面防空蚀设计和抗冲磨混凝土材料的选用与施工三个方面的内容，供相关工作人员参考。 关键词：水工泄水结构，抗磨防蚀。 中图分类号： S611 文献标识码：A 文章编号： 一、泄流表面抗冲磨设计 1、抗悬沙冲磨设计 根据已建工程经验, 泄流底表面抗冲磨层的厚度不应小于 0. 4 一0.5 m 。对于侧表面, 它的冲磨比底表面轻, 抗冲磨层厚度可薄些, 但从施工角度考虑, 其厚度不应小于 0.6 一 0 .8 m 。顶部表面冲磨很轻甚至不发生冲磨现象, 可不做抗冲磨层。 选用混凝土标号时, 泄流侧面的冲磨混凝土标号比内部混凝土标号
2、不宜高出太多, 最多高出 2 个级差, 差别过大, 在两种标号混凝土之间容易产生裂缝; 另外侧面比底面磨蚀轻, 所以混凝土标号也不宜太高。底表面抗冲磨层混凝土标号与下部混凝土标号差别可不受上述限制, 但施工时要采取工程措施防止两种混凝土脱开。抗冲磨材料最好选用高标号混凝土, 骨料采用硬度较高的花岗岩、辉绿岩铸石, 不用或少用有机材料。 当挟沙量 P2Kg/m2、水流流速 v 20 m / s 时, 事故检修门门槽内承受闸门的重轨容易被磨蚀, 应选用硬度较高的材料, 或在上游坝面上设反钩检修闸门, 以便及时检修。 在水流流速大于 20. 0 m / s 的消力池内 , 应研究采用无辅助消能工的消
3、力池, 消力池尾坎上游坡不应陡于 1 : 2 。因为这些辅助消能工附近水流特别紊乱, 泥沙冲磨加速。在水流与泄流表面夹角较大的部位抗冲磨混凝土标号应适当提高。 2、抗石碴、推移质冲磨设计 石碴、推移质对泄水表面的冲磨与石碴及推移质的数量、水流流速、冲磨时间长短、被冲磨的材料强度以及冲磨层厚度等有关。根据葛洲坝水利枢纽运行经验, 因存在推移质输移带, 所以石碴、石块对泄水闸底板表面混凝土的冲磨不均匀但呈现规律性。 由于石碴和推移质在水下运动时不是均匀分布, 目前还未完全掌握其规律, 因此应有一定的安全余度, 取安全系数 K = 2. 0 。抗冲磨层厚度大, 抗冲磨材料强度可低些, 反之材料强度可
4、高些。根据已建工程实践, 抗冲磨层厚度以 0.5-0.6 m 为宜，抗冲磨混凝土材料强度在 C50 左右。 当水流流速小于 15m/s 时，可选用高标号混凝土，如 C50 以上硅粉铁矿石骨料混凝土、硅粉铸石骨料混凝土、硅粉钢纤维混凝土等;当流速小于 10.0 m/s 而推移质数量较大时，可采用高强抗冲磨混凝土嵌固钢轨、卵石、条石等材料。 另外，水流同时挟带悬砂、推移质、石碴和块石的泄水建筑物，如葛洲坝水利枢纽，当水流流速超过 15-20 m/s 时，应采用比抗悬沙更高标号的抗冲磨混凝土。而采用高标号抗冲磨混凝土嵌钢轨等材料，因表面不平整容易产生空化现象。对于水垫塘消能工，在施工期和运行期滚到塘
5、内的石块，数量虽然不多，但石块冲不出水垫塘，会长期在塘内翻滚、冲击磨蚀塘底板。在施工运行期间应特别注意石块滚落塘内，同时在投资增加不多的情况下，在塘尾端设高于下游枯水位的尾坎以便检修。二、泄水表面防空蚀设计 1、一般防空蚀措施 泄流表面的水流流速大到一定程度，水流会对泄流面产生空化破坏，靠提高泄流表面材料强度来抗空蚀破坏是很不经济的，也是不可能的，而采取防空蚀措施才是事半功倍的根本途径。判定防空蚀的标准是泄流表面体型水流空化数大于泄流表面的水流初生空化数。当不满足这一标准时，可以采取如下措施:a)改变结构体形，提高水流空化数或使空化“云”不接触表面;b)在水流下部掺气减免气蚀。 对于完建后的泄
6、水建筑物，表面不平整度是存在的，为避免不平整引起的空化， 应大于不平整度的 i。当不满足这一条件时，可以采取以下措施:a)限制不平整度的高差;b)磨缓表面突体本身周边倾斜坡度，改善界面水流形成。另外，对重要的泄水建筑物应作水工模型和减压模型试验，以验证是否出现空化。 2、坝体进水孔、泄洪洞、溢流堰、泄水槽等泄流建筑物防空蚀设计 孔、洞、堰、槽等建筑物下游设有反弧段, 反弧段上。一般比较大, 但工程实践中反弧容易产生空化。当水流流速 v25 m / s 时, 应在反弧段上游起始段或下游反弧末端设掺气槽。在有压泄水的孔、洞内, 弯曲段凸出的那一侧容易产生空化, 将出口断面缩小以增加此部位水压力可防
7、止空化发生。 3、缝隙部位防空蚀设计 船闸反弧门和门眉之间的缝隙, 开门时水从缝隙流过,产生的水流很容易冲到弧门或门眉上发生空化, 葛洲坝二号船闸就发生过此现象。门眉体型修改比较困难, 可用通气方式防空蚀, 或采用降低阀门井高程增加该部位时均水压力的方法, 如三峡工程船闸阀门井闸室部位高程下降26.0m 。 闸门止水设施漏水会形成缝隙射流, 当水位抬高淹没缝隙时, 射流产生的水流空化云很容易接触到下游泄流表面。应在闸门运行前带水调试, 检查处理漏水的止水设施。 三、抗冲磨混凝土材料的选用与施工 1、材料选用 根据计算的材料强度, 首先考虑选择无机材料, 其次才是有机材料或其他材料。在无机材料中
8、首选高抗冲磨骨料的普通混凝土, 其次为硅粉混凝土、硅粉铁矿砂石混凝土、硅粉铸石混凝土、高强硅粉钢纤维混凝土。 混凝土采用天然骨料时, 骨料中的软弱颗粒和超硬骨料含量均应小于 1 %。 水泥用 R 525 中热水泥。其他材料按规范采用。 2、混凝土施工 高标号混凝土室内试验完成后, 一定要在施工现场做施工工艺性试验, 并取样做抗冲磨强度试验。达到设计要求后, 方能现场施工。 内部混凝土和表面抗冲磨混凝土浇筑最好在低温季节进行, 并严格按混凝土施工温控标准施工, 减少或避免混凝土裂缝产生。混凝土浇筑后及时收浆、抹面, 作好覆盖, 早期保湿、保温, 养护 28 d。其余按规范执行。 侧壁表层抗冲磨混
9、凝土和内部混凝土浇筑时, 高、低标号混凝土相邻部位要错落有致、加强交互振捣, 使之互相掺合。 表面抗冲磨混凝土和下部混凝土同时施工, 下部混凝土浇完后, 接着浇抗冲磨混凝土; 若不能连续浇抗冲磨混凝土,需在 5 一 7 d 后再浇筑时, 应在浇筑块四周下部混凝土内埋插 筋, 使下部混凝土和上部抗冲磨混凝土之间不产生裂缝, 否则将会出现下部混凝土与上部抗冲磨混凝土之间脱壳现象。 四、结语 目前对河流推移质的数量尚无法精确测算, 只能粗略估计; 对于粗砂, 无论是在河床上滚动的那一部分, 还是在水流流速大的地方就悬浮、到流速小的地方就下沉到河床的那部分, 也都无法测算其数量。其次推移质和粗砂在河床
10、内的运动也并非均匀分布, 而是集中在某一推移质输移带范围内,一条一条地顺序向下游运动。因此按前述方法作抗冲磨设计时应留有余地。当要求的材料强度太高时, 设计、施工难度大, 甚至难以做到, 应采取工程措施创造缩短检修年限的条件。 按前述方法作防空蚀设计, 应作水工模型试验及减压试验验证是否出现空化, 同时应严格控制泄流表面平整度。 参考文献 1 黄国强. 葛洲坝枢纽工程二江泄水闸抗冲磨设计. 人民长江,19 8 6 (9 ) 2 陈万桂, 张远曙.水工混凝土抗冲磨试验研究. 人民长江, 19 84(4 ) 3 王忠诚,许春云. 葛洲坝二江泄水闸汛期磨损及首次岁修. 人民长江, 1 9 8 3 (1 ) 4 华东水利学院. 水工设计手册(六). 北京: 水利电力出版社,19 82 5 溢洪道设计规范 SDJ 一 89. 北京: 水利电力出版社 6 水工隧洞设计规范 SD 13 4 一 84.北京: 水利电力出版社
