泄洪排沙隧洞高速推移质冲蚀破坏修复技术研究.doc

泄洪排沙隧洞高速推移质冲蚀破坏修复技术研究 杨勇，李贵勋，张雷，郑军 （黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003） 摘要：高速挟沙水流作用下的水工隧洞等过流面会存在不同程度的冲蚀破坏问题，当含有粒径较大的推移质石块时，工况更为恶劣，破坏也更为严重。以某水库导流兼泄洪冲沙洞工作闸门底坎磨蚀破坏为典型案例，提出了“耐磨型钢+浇注抗撕裂改性聚氨酯弹性体”技术方案，利用“软硬结合的防护手段”，抵御了高速大粒径推移质的冲击和含沙水流的冲蚀破坏，实践表明效果显著。 关键词：水工隧洞；推移质；冲蚀破坏；修复；聚氨酯弹性体 1 引言 我国现有已建和在建水库近10万座 ADDIN NE.Ref.{9CCB1DBB-4E4F-48FF-96A5-D281B70B081D}[1]，坝高超过100m的水库近200座。随着大坝高度的不断刷新，高坝高水头、高流速、大泄洪流量、高含沙情况下，水工隧洞出现了严重的冲刷、磨损和汽蚀等问题，在高速含沙水流作用下将进一步加速冲蚀、掏刷及动水破坏，导致其在运行过程中无法有效发挥自身的性能，甚至在短期内发生突发性破坏，严重危及水工泄水建筑物的安全。在水工建筑物中，由于高速水流的冲刷、磨损和汽蚀使泄水建筑物出现损坏的工程占70% ADDIN NE.Ref.{6FC523DD-184B-46D7-950D-4BEF3C6BC7E6}[2]，且修补频率最高。这一问题越来越受到重视，但多年来一直未能得到很好地解决，对出现冲蚀破坏的水工建筑物的修复材料和技术提出了更高要求。 高速挟沙水流作用下的水工隧洞等过流混凝土表面会存在不同程度的冲蚀破坏问题，当含有粒径较大的推移质石块时，工况更为恶劣，破坏也更为严重。一般认为，破坏主要分为磨损、冲击、气蚀或振动四种类型 ADDIN NE.Ref.{6373A546-27C8-4E55-B749-E48CB7093670}[3]。（1）磨损，水工混凝土的磨损与水流速度、历时、含沙量、泥沙硬度、粒径等因素有关，发生磨损破坏后，胶凝物被淘刷、粗骨料外露、表面出现鱼鳞状的突起和凹槽；（2）汽蚀，混凝土表面的毛糙和不平整会在过流表面形成各种漩涡流，随着漩涡流强度的增大，低压区空化的气泡在混凝土附近溃灭，对混凝土表面产生汽蚀破坏，轻者如蜂窝状麻面，重者将骨料拔出，形成深洞；（3）冲击，水流中的泥沙无论颗粒大小都主要以冲击方式作用于材料表面，大粒径推移质石块，主要以滚动、滑动、跳跃冲击等方式作用于材料表面，不断冲击混凝土材料表面，使其产生凹坑和裂纹；（4）振动，混凝土的抗拉强度较小，高速水流紊动形成的脉动压强，会引起水工结构的疲劳破坏。 悬移质泥沙随高速水流运动对水工混凝土表面产生均匀冲磨剥离，继而产生汽蚀和振动破坏。而大粒径的推移质石块（直径超过20cm）在高速水流的作用下，不仅会对表层混凝土造成冲击破坏，也会破坏下层混凝土和基岩。这种工况非常恶劣，严重影响了水工隧洞的安全。因此，需要根据水工隧洞的流速以及水库泥沙的特点，进行抗冲磨专项研究和设计。 2 高速推移质水工隧洞冲蚀综合防护设计 目前用于泄水建筑物表面的抗磨蚀材料主要包括以下几类 ADDIN NE.Ref.{F8A5C641-F52B-4912-99B7-A62A47482F21}[4]：（1）高性能混凝土类：高标号混凝土、硅粉混凝土、聚合物混凝土等；（2）护面板材类：铸石板、钢板等；（3）砂浆类：高强砂浆、 收稿日期：2018-4-2 基金项目：国家自然科学基金资助项目51609097)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(HKY-JBYW-2017-06，HKY-JBYW-2018-01) 作者简介：杨勇（1972-），男，河南鹤壁，教高，博士，主要从事水利工程（水工结构和水轮机）磨蚀修复工作。E_mail: 环氧砂浆等；（4）橡胶类：聚氨酯弹性体、聚脲弹性体等。 实践表明：上述材料和技术的防护效果并不理想，主要表现为两种破坏形式：（1）防护材料本身破坏，防护材料或提高硬度或提高韧性，但是单一性能提高不足以抵御冲击和磨蚀等复杂破坏；（2）新老结合面的破坏，修补材料与旧混凝土之间存在物理化学性质差异，在冲击振动和自然环境影响下，会诱发“先天”裂缝。在总结以往技术的基础上，提出了一种“软硬结合”的防护技术，并在实践中取得了显著的效果。 针对以上问题，提出了“耐磨型钢+浇注抗撕裂改性聚氨酯弹性体”技术方案，如图1所示。首先铺设型钢，安装定位后型钢之间空隙浇筑高强度混凝土，高强混凝土顶部浇注抗撕裂改性聚氨酯弹性体，浇注聚氨酯涂层高程与闸井底板高程、耐磨型钢高程一致。耐磨型钢顶部焊接高强度耐磨钢板，具有相当高的机械强度，是普通低合金钢板的3～5倍，表面硬度通常达到360～45