本文摘要：[摘要]根據(jù)某水電站所在河流的泥沙特性和建筑物實際磨蝕情況，研究出一種抗沖磨結構。該結構的研發(fā)較好地適應了含沙水流在流道的水流特性，通過工程運行的檢驗，該結構達到了預期的抗沖磨效果，延長了建筑物的維護周期，節(jié)省了后期維護費。論述了該抗沖磨結
[摘要]根據(jù)某水電站所在河流的泥沙特性和建筑物實際磨蝕情況，研究出一種抗沖磨結構。該結構的研發(fā)較好地適應了含沙水流在流道的水流特性，通過工程運行的檢驗，該結構達到了預期的抗沖磨效果，延長了建筑物的維護周期，節(jié)省了后期維護費。論述了該抗沖磨結構的創(chuàng)新設計思路和應用效果。
[關鍵詞]抗沖磨;沖砸結構;高強度耐磨鋼板;工字鋼龍骨;澆注式聚氨酯涂層;水電站
1工程概況
新疆某水電站工程為該河段“兩庫五級”開發(fā)中的第四個梯級工程，工程任務是發(fā)電和承擔上游工程調(diào)峰發(fā)電后的反調(diào)節(jié)，為中型Ⅲ等工程。電站裝機容量75MW(主電站裝機70MW、生態(tài)電站裝機5MW)，年發(fā)電量2.38億kW·h。
該水電站工程由大壩、導流兼泄洪沖沙洞、溢洪道、發(fā)電引水洞、生態(tài)電站放水洞、電站廠房及尾水渠等組成。該水電站工程于2015年7月投產(chǎn)運行，2016年11月因導流兼泄洪沖沙洞(簡稱“泄洪沖沙洞”)出口工作閘門漏水，在巡視檢查時，發(fā)現(xiàn)庫內(nèi)淤積嚴重、出口工作閘門底板鋼襯已磨蝕破壞，二期底板、邊墻混凝土沖磨蝕嚴重，為保證電站正常效益的發(fā)揮和安全運行，需采取修復措施解決泥沙沖磨蝕的問題。
水利工程師論文： 水利水電工程建設對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響分析
2工程存在的問題
本工程河流泥沙含量較高，工程投產(chǎn)運行后，運行單位考慮發(fā)電效益的最大化，長期高水位運行發(fā)電，泄洪沖沙洞長時間小開度運行;庫內(nèi)泥沙淤積嚴重，泄洪沖沙洞出口工作閘井底板已磨蝕破壞，需采取措施減緩庫內(nèi)泥沙淤積及泄洪沖沙洞出口工作閘井底板磨蝕問題。
3泥沙淤積和泄洪沖砂洞沖磨蝕分析
3.1庫內(nèi)泥沙淤積分析
工程所在流域氣候干燥，植被稀疏，流域內(nèi)第四紀松散堆積物深厚，是河流主要沙源。在冰雪消融和雨水沖刷下，河道泥沙沿程漸增，汛期5～8月河流輸沙量占全年輸沙量的85%左右。根據(jù)實測資料該河多年平均懸移質(zhì)輸沙率為341kg/s，多年平均懸移質(zhì)輸沙率量為1236萬t，多年平均含沙量為4.9kg/m3。
實測最大年輸沙量3922萬t，實測月平均最大輸沙率9818kg/s。根據(jù)庫內(nèi)淤沙情況，對汛期輸沙量進行分析，2015年8月3日實測洪峰流量為1283m3/s，該洪峰流量為1959年以來第三位洪峰，相當于20年一遇的洪水，根據(jù)洪峰流量與年輸沙量的關系，2015年輸沙量為2392萬t，為多年平均輸沙量的2.28倍。
根據(jù)實測資料統(tǒng)計分析，2015年8月輸沙量最大15日輸沙量在1400萬t左右，加之上游工程開工棄渣，沿河大規(guī)模石料開采，以及電站實際沖沙運行情況，更加劇了河流泥沙和庫內(nèi)淤積。根據(jù)工程的運行調(diào)度情況，針對庫內(nèi)淤積情況，制定了沖沙調(diào)度方案(在此不再敖述)，經(jīng)兩年的沖沙運行，庫內(nèi)淤積得到有效控制。
3.2泄洪沖沙洞閘門底板沖磨蝕分析
該河懸移質(zhì)主要由粘土、粉土和中細沙組成，其中小于0.005mm黏土占19.2%，0.005～0.05mm的粉土占43.8%，0.05～0.5mm的中、細沙占36.6%，粗沙占0.4%。根據(jù)泥沙礦物質(zhì)組成分析，石英含量占45(±5)%，云母和伊利石占(25±5)%，長石占(12±3)%，綠泥石占(10±3)%，碳酸鹽3%～5%，其 它少量。其中石英和長石摩氏硬度大于5，為閘門底板磨蝕的主要物質(zhì)組成。根據(jù)現(xiàn)場運行反饋，工作閘門長期處于小開度沖沙運行狀態(tài)，閘門開啟運行時間總計為2688h。在泥沙含量較高的情況下，長期小開度、高流速運行是閘門及底板沖、磨蝕破壞的主要原因。
4閘門底板抗沖磨措施
本工程泄洪沖沙洞功能為施工期導流，運行期承擔泄洪、沖沙和水庫放空任務。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，總長約450m，設計泄量623m3/s，校核泄量748.26m3/s。
泄洪沖沙洞出口工作閘井孔口尺寸為6.0m×6.8m，工作閘門底板原設計采用鋼板襯護，襯護長度為9.0m，二期混凝土采用C40高強度混凝土。對該條河流的泥沙特性和年內(nèi)懸移質(zhì)、推移質(zhì)輸沙總量進行分析，發(fā)現(xiàn)閘門底板磨蝕除高速含沙水流沖蝕、磨蝕、氣蝕外，還伴有推移質(zhì)的沖砸破壞。因此，重點考慮通過什么措施達到抗沖磨、抗沖砸的作用，從而延長維護周期。根據(jù)類似工程經(jīng)驗[1,2]和抗沖磨材料的研發(fā)應用情況，結合本工程泥沙和流道水流特性，擬定以下修復措施。
4.1閘門底板鋼襯采用高強度耐磨鋼板防護
將磨蝕破壞的閘井底板、邊墻二期混凝土全部拆除，并鑿毛一期混凝土，保留原設計插筋;插筋磨損嚴重的采用等直徑植筋替換，并局部加密，底板、邊墻二期混凝土標號提高為C60高強度混凝土。閘門底檻埋件按原設計尺寸制作，鋼板防護范圍同原設計相同，將表面鋼板換為NM400耐磨鋼板，該材料具有很高的機械強度，性能是普通低合金鋼板的3～5倍，表面硬度通常達到360～450HB，可顯著提高耐磨性能。
4.2閘門底板采用抗沖耐磨柔性材料和表面硬度
較高的鋼材防護本工程河流泥沙推移質(zhì)、懸移質(zhì)均較高，在汛期推移質(zhì)尤為突出�？紤]此因素，提出將抗沖耐磨柔性材料和表面硬度較高的鋼材結合使用的防護措施。該措施能夠發(fā)揮兩種材料抗沖磨和抗沖砸的作用。
4.2.1表面硬度較高的鋼材選擇
(1)采用重軌作為龍骨，重軌龍骨初擬采用QU100標號重軌，頂寬b為100mm，高度h為150mm，材料為U71MN其化學成分(質(zhì)量分數(shù))為C0.65%～0.77%、Si0.15%～0.35%，Mn1.1%～1.5%，其抗拉強度不小于885MPa。
(2)采用NM400耐磨鋼板。重軌為型材，用于火車和動車軌道，其表面強度較高，抗沖擊性能高。但考慮重軌表面的圓弧與抗沖耐磨材料的粘結性較差，且重軌表面為強度最高部位可加工性差，現(xiàn)場施工較為困難，因此否定了重軌作為龍骨�？紤]現(xiàn)場加工和安裝，采用工字鋼上表面焊接NM400耐磨鋼板替代重軌龍骨的方案，該方案將工字鋼作為龍骨，工字鋼重量相對重軌輕，可加工性好，易焊接。
4.2.2抗沖耐磨材料的選擇
抗沖耐磨材料在各大科研院所均有研究應用，根據(jù)耐磨材料的使用效果，施工工藝，后期維護等綜合分析后，選定高韌性抗沖磨聚脲和抗撕裂澆注式聚氨酯兩種材料進行對比。
(1)高韌性抗沖磨聚脲材料具有施工簡單、耐沖磨、耐老化的性能，是一種高分子環(huán)保型防護涂層材料[3~5]。通常采用手刮施工，將材料粘結在混凝土表面，砂漿呈粘稠狀，流動性差，在渠道、面板壩裂縫處理等均有應用，經(jīng)分析研究該材料適用于低流速流道，不耐沖砸，在高流速推移質(zhì)水流沖砸中易剝離脫落。
(2)澆注式聚氨酯該材料由異氰酸酯(單體)與羥基化合物聚合而成，主鏈含-NHCOO-重復結構單元。由于含強極性的氨基甲酸酯，不溶于非極性基團，其主鏈結構中的硬段含量相對較高，原材料呈液態(tài)，流動性強，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。經(jīng)兩種材料性能對比，考慮其施工工藝，以及與其它金屬、混凝土的粘結性等，確定采用澆注式聚氨酯，除材料本身較為優(yōu)異的耐磨性能外，最主要的原因是該原材料為液態(tài)，透明無色，可采用加固措施來確保材料與基層混凝土的整體性，防止材料本身在沖砸、高速水流情況下被剝離。
5閘門底板修復方案
通過研究分析，修復方案采用“NM400高強度耐磨鋼板+工字鋼龍骨+澆注聚氨酯涂層”結構。該抗沖磨結構充分利用了耐磨鋼板的高強度、高硬度物理特性，抗沖磨材料的耐磨特性，工字鋼龍骨的整體穩(wěn)定性，兩種軟、硬耐磨材料防護相結合，相互依托保護，達到抗沖砸、抗沖磨的目的。將底板二期混凝土鑿除500mm，拆除原底板門槽埋件，保留原插筋并按圖紙要求位置補充插筋，插筋采用植筋方式，其出露長度應滿足埋件安裝要求，插筋抗拔強度不低于植筋抗拉強度。龍骨采用I20B工字鋼，沿順水流方向布置，總長9m，中心距400mm。
在閘門底緣水封部位布設橫向工字鋼，作為底水封止水座，水封上游順水流向設長2m短龍骨，下游設7m長龍骨，工字鋼底部布設插筋錨固于二期混凝土。工字鋼上表面較閘井底板低30mm，工字鋼上翼緣寬102mm，表面焊接NM400耐磨鋼板，鋼板厚20mm，寬150mm。為保證工字鋼龍骨的整體穩(wěn)定性，工字鋼采用角鋼焊接固定形成骨架，間距500mm。工字鋼之間結構空隙回填一級配C60高強度混凝土，抗?jié)B指標W6，過水前齡期不低于28d，回填面低于閘井底板高程30mm，對回填混凝土表面進行機械打磨、并保持表面干燥。
為保證高速水流沖刷下材料的粘結性和牢固性，在兩工字鋼上翼緣焊接鋼板網(wǎng)加固，鋼板網(wǎng)材質(zhì)為Q235，厚度8mm，網(wǎng)孔直徑10mm，鋼板網(wǎng)底部采用螺紋鋼焊接支撐，起到連接型鋼、提高整體性、增加結合力及支撐的作用。鋼板網(wǎng)焊接完成清理完畢后，在基層及鋼板網(wǎng)表面涂刷專用底膠，將聚氨酯灌入鋼板網(wǎng)縫隙，然后將工業(yè)加熱毯、電熱管等加熱設備覆蓋到澆注式聚氨酯模具上，利用控溫設備控制溫度在100~120℃，對聚氨酯涂層進行加熱固化，固化時間6~9h，聚氨酯固化后對表面進行打磨處理，以確保平整度，由此通過鋼板網(wǎng)將抗磨耐磨材料和型鋼形成有機整體。
6閘門底板修復后使用效果
該閘門底板磨蝕破壞修復于2017年4月9日開工，當年5月13日完工，歷時33d。經(jīng)過兩個汛期的檢驗，使用效果較好，達到了抗沖磨蝕的目的，延長了維護周期，節(jié)省了維護成本。
7結語
本文根據(jù)含沙水流和推移質(zhì)在流道中的運動特性，以及抗沖磨蝕材料的性能特點，研究出一種可抵御河床推移質(zhì)沖擊的抗沖耐磨結構。該結構能夠較好地解決水流中推移質(zhì)對底板的沖砸，并避免或減緩抗沖磨蝕材料不抗沖砸而發(fā)生剝離破壞的問題，具有抗沖磨、抗沖砸的優(yōu)點。該成果在抗沖磨措施上具有一定創(chuàng)新，可以為類似工程提供參考。但該結構的實施也有不足之處，對施工工藝和環(huán)境具有較嚴格的控制要求。如澆筑式聚氨酯需有封閉的空間、干燥的環(huán)境、適宜的溫度，為滿足施工條件需花費一定的費用，增加了成本。
參考文獻
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作者：李偉
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