混凝土冲磨与空蚀破坏的探析

我国大量水利水电工程出现或出现过冲磨、空蚀破坏情况。其中，大型水电工程中存在冲磨或空蚀问题的近70%。灌区水工建筑物也存在冲磨破坏问题，如都江堰水利工程的外江闸闸室下游护坦及飞沙堰，由于大量的推移质作用，需经常维修。工程运行实践和室内试验研究表明，清水流过混凝土表面，对混凝土基本上没有破坏作用（除消能不良及产生空蚀破坏者外）。产生冲磨破坏的原因是水流中含有固体颗粒。空蚀则是高速水流流经建筑物体型不佳或不平整处时，产生的空泡进入高压力区溃灭时，对混凝土表面的冲击。本节主要介绍混凝土冲磨、空蚀破坏机理以及影响冲磨、空蚀破坏的因素。

（一）混凝土冲磨与空蚀破坏的机理

1.泥沙磨损

前面已提到，过水建筑物产生冲磨破坏的原因是水流中含有固体粒子。固体粒子在高速水流的作用下具有一定的动能，当其与过流混凝土表面接触时，会把一部分能量传递给混凝土。当具有足够能量的大量固体颗粒（砂和石）作用于混凝土表面时，就造成混凝土表面的剥落。细粒的悬移质泥沙，在高速水流中与水的质点充分掺混，形成近似均匀的固液两相流。具有紊流结构的高速水流在水流边壁附近发生纵向和横向涡旋流体。这些涡旋流体不断地重复着由小到大尔后消失的过程。随着涡旋的形成、扩大和消失，水流中的泥沙颗粒以较小的角度切削和冲击流道表面，从而造成流道表面的磨损。大粒径的推移质沙石，以滑动、滚动或跳跃方式摩擦、冲砸建筑物表面，即既有切削作用，也有冲击作用。因此，不管是悬移质还是推移质，对建筑物表面的破坏作用可概括为切削磨损和冲击磨损。当介质以较小的角度接触建筑物表面时，以切削磨损作用为主，冲击磨损作用为辅，而当介质以较大的角度接触建筑物表面时，以冲击磨损作用为主，切削磨损作用为辅。介质对建筑物表面的总磨损量由两种磨损量叠加而成。

1962年彼德（J.G.Bitter）建立了磨粒磨损能量理论，随后尼尔森（J.H.Nelson）和基尔兹瑞斯特（A.Gilchrist）给出了简化的磨粒磨损公式［7］

式中：I（α）为磨损失重率，g/kg，I（α）= W（α）/Ms；Ms 为磨料沙质量，kg；W（α）为质量为Ms 的沙以冲角α对材料冲磨所造成的磨损失重，g；Vs 为沙速，m/s；α为冲角，（°）；α0 为临界冲角，α0=π/（2n）；V0 为临界沙速，m/s，当Vssinα≤V0 时，I（α）=0；ε为冲击磨损耗能因数，kg·m2/（g.s2）；ξ为微切削磨损耗能因数，kg·m2/（g.s2）；n 为水平回弹率因数。

当V0、ε、ξ、n 四个材料抗冲磨特性参数确定后，上式可描述材料被磨损情况。

试验研究表明，材料性能对磨损量与冲角关系有很大影响。对于塑性材料，冲击磨损分量通常很小。当冲角较小时，磨损总量就具有最大值。随着冲角的进一步增大，磨损总量反而下降。对于脆性材料，磨损总量与冲角关系曲线呈单调递增。当α=90°时，磨损总量最大。

2.空蚀破坏

在高水头泄水建筑物体型不佳或不平整处，高速水流会与边界分离，降低局部动水压强。当流场中压强低于该温度下水的蒸汽压强Pv 时，水就会沸腾，水中所含的气核急骤膨胀，形成空泡，称为空化。不同温度时水的蒸汽压强见表3-4。这些空泡聚集在低压区附近，形成空泡组和空泡群。它们随水流流向下游，进入高压区时因高压即行溃灭。因为空泡的溃灭意味着高速水流进入本来为空气占据的空间，所以在很短的时间（一般仅有万分之几秒）之内从空泡中心辐射出极高的冲击压力，作用于泄水建筑物的材料表面。由于空泡不断发生、发展、溃灭，冲击作用不断产生，连续冲击混凝土表面。这种冲击力超过混凝土材料颗粒的内聚力时，混凝土表面产生剥落破坏，这便是空蚀破坏。空蚀破坏的程度随不平整度及水流速度的增加而增大，与水流速度的5～7 次方成正比。初始的空蚀破坏，增加了混凝土的不平整度，致使空蚀破坏随之加剧。判别某点水流是否会发生空化的参数称为空化数，以σ表示

式中：P0、V0 为该处不变边界局部变化影响的相对压强及流速，可以该处的平均压强、平均流速代替。Pa 为蒸汽压强。

表3-4　不同温度时水的蒸汽压强

当σ降至某一数值σc 时开始发生空化，这个空化数称为初生空化数或临界空化数。初生空化数随边界条符而异，对某种型式的边界轮廓可通过试验研究得出其初生空化数σc 值，将实际空化数σ与其比较，若σ≤σc，就表明将发生空化。σc 值可从有关手册中查到。(www.xing528.com)

一般认为，流速在15～30m/s 时，空蚀问题应引起注意，当流速超过35m/s 时，空蚀问题便十分突出。但空蚀现象并非仅发生在流速很高的泄水建筑物上。当气压相当低，存在压力降的可能性时，在明渠中只要流速超过12m/s，而在封闭的管道中甚至更低的流速下，空蚀破坏也会产生。这种压力降低可能由于虹吸作用或由于弯曲面的惯性力，或由于不规则的界面引起，且往往是这几种情况的综合。

（二）影响混凝土建筑物冲磨与空蚀破坏的因素

1.影响混凝土冲磨破坏的因素

室内试验和原型观测结果表明，混凝土表面的磨损率与水流速度、含沙率、沙石颗粒形状、粒径、硬度、建筑物表面形态以及混凝土本身的抗冲磨能力等多种因素有关。现简要介绍如下。

（1）水流速度（或沙石速度）对磨损率的影响。从式（3-16）和式（3-17）可见，当沙速Vssinα≤V0 时，材料不受磨损；当Vssinα＞V0 时，材料出现磨损。磨损失重率与沙速呈二次方的关系，沙速或水流速度越大，磨损越严重。尽管由于沙石粒径、粒形的不同，水流流速和流态的差异，水流边壁曲率的不同，抗磨材料的不同以及含沙率一定情况下沙速的增大实际上单位时间内的冲磨沙量也增加等等原因，各试验研究单位的试验结果磨损失重率与沙速并非严格地呈二次方关系，但都表明，水流速度或沙速是影响磨损量的决定性因素。

（2）水流含沙率对磨损率的影响。如前所述，清水流过混凝土表面，对混凝土基本上没有破坏作用。产生冲磨破坏的原因是水流中含有固体颗粒。在高速水流作用下的固体颗粒通过摩擦、冲击等方式将一部分能量传递给混凝土。在相同流速情况下，水流中含沙率越高传递给混凝土的能量越多，对混凝土的冲磨破坏就越严重。

（3）沙石粒径对磨损率的影响。水流中所含沙石颗粒的粒径直接影响沙石颗粒受水流的拖曳力、浮力以及水中质量的大小，从而影响颗粒在水中的运动状态。而且，当沙石粒径不同时，即使沙速、冲角等都相同，对材料的磨损失重率仍是不同的。武汉水利电力大学用喷沙法进行的试验结果表明，混凝土磨损率随沙粒的增大而增大。成都勘测设计研究院科学研究所用平均粒径0.9～5.0mm 的沙进行试验，结果表明，随着沙石粒径的增大，磨损率显著增大。

工程实践和试验研究表明，当固体颗粒小至某一极限以下时，对材料几乎不产生磨损作用。常将此颗粒粒径极限称为“有效磨损粒径”或“最小临界粒径”。武汉水利电力大学的研究表明，对于水泥混凝土材料，有效磨损粒径与混凝土强度及沙速有关，见表3-5。

表3-5　不同沙速时混凝土的有效磨损粒径　（单位：mm）

应该指出的是，水流速度与沙速不都是一致的。在某一水流速度情况下，存在某一粒径，小于或等于该粒径的颗粒速度与水流速度一致，大于该粒径的颗粒，在水流中的运移速度小于流速。因此，沙石粒径大小与磨损率的关系是有条件的。

（4）泥沙颗粒形状及硬度对磨损率的影响。泥沙颗粒形状对磨损率有较大的影响。颗粒棱角尖利者，磨损作用较强。一般认为，圆球形、棱角形、尖角形的泥沙磨损能力之比为1∶2∶3。武汉水利电力大学用喷沙法进行天然河沙（石英颗粒占80%以上）与石英岩人工沙比较试验，结果显示，垂直冲击磨损时，使用人工沙的磨损率为天然沙的1.25 倍，水平微切削磨损时，此比值为2.0～2.4。泥沙颗粒与受冲磨材料的硬度差异是影响磨损率的因素。中国水利水电第十一工程局科研所曾根据三门峡工程原型观测资料得出，当悬移质泥沙颗粒硬度小于或等于混凝土材料硬度时，不产生明显的磨损作用。悬移质泥沙颗粒硬度越高，混凝土磨损越严重。

（5）混凝土建筑物表面形态以及混凝土本身的抗冲耐磨性能对磨损率的影响。混凝土建筑物表面的平整度、密实性以及混凝土本身的抗冲耐磨性能是影响磨损率的重要因素之一。表面密实、平整光滑的建筑物表面，对切削磨损有明显的改善作用。具有足够高的强度和较好韧性的混凝土，切削磨损和冲击磨损量都较小。

（6）冲磨历时对磨损率的影响。试验研究表明，随着挟沙水流作用时间的延长，混凝土材料的单位磨损率逐渐降低，经过一段时间后，磨损率趋于某一定值。这种现象主要是由于混凝土表面砂浆层抗冲磨性能较低所致。一般情况下，水泥石及砂浆不及骨料坚硬耐磨。在挟沙水流作用的初期，砂浆层首先被磨损。随着水流作用时间的延长，粗骨料逐渐裸露增强了混凝土的抗冲耐磨性能，故混凝土的冲磨失重率逐渐趋于稳定。

2.影响混凝土空蚀破坏的因素

根据空蚀破坏的机理及工程观测经验，造成空蚀破坏的原因有：①建筑物体形不当引起空蚀破坏。由于建筑物过水表面与水流流线不相符（如矩形门槽、矩形消力墩等）或由于泄洪流量显著超过设计流量，使泄流流线与过水表面不符，泄流脱离建筑物过流表面，实际空化数远小于初始空化值，因而产生空蚀破坏。②建筑物表面平整度不符合设计要求，引起空蚀破坏。这种情况可以是因为施工不良造成表面不平整、不光滑，或因为过流表面受泥沙磨损而凹凸不平。在这种情况下，高速水流受过流表面不平整所干扰，造成压强降低，达到一定程度即产生空蚀。③过水表面材料抗空蚀能力较差。过流表面材料强度较低、均匀性和密实性差。