混凝土冲磨与空蚀破坏的有效防治方法

混凝土冲磨、空蚀破坏的防治，包括预防冲磨、空蚀破坏的产生及冲磨、空蚀破坏的修复两方面。

（一）混凝土冲磨与空蚀破坏的预防

从上一节已经知道，造成混凝土冲磨、空蚀破坏的主要原因大致可以归结为：建筑物体型或表面形状不合适、不平整；水流速度过大；水流中含有泥沙；材料的抗冲磨、抗空蚀能力不强等。因此，预防混凝土冲磨、空蚀破坏可以从这几方面着手。

1.改善建筑物的体型、表面形状及平整度

建筑物体型、尺寸设计合理，可避免水流脱离建筑物表面或水流扩散，提高水流空化数σ，从而减少以致避免空蚀。发生空蚀破坏常见的部位有：溢流坝坝面及反弧段、闸墩表面、消能工及护坦底板、孔口的进出口、底孔或隧洞的深孔闸门槽及其后的泄水段等。这些部位建筑物过水表面应与水流流线相符、表面平整光滑。溢流坝坝面及反弧段、消能工及护坦底板等的外形应通过水工模型试验检验确认不产生负压及漩涡。为了避免闸门门槽发生空蚀，应选择初生空化数较小的门槽体型，如选择下游侧为带斜坡型或圆角型的门槽以替代矩形门槽。控制建筑物过流表面的平整度是避免空蚀及冲磨破坏的重要措施。不平整度的允许值与水流速度有关。我国隧洞规范（SSD134—84）规定如表3-6所示。对允许高度范围内的所有不平整度，应进行缓坡处理。坡度磨平要求见表3-7所示。

表3-6　流速与不平整度最大允许高度表

表3-7　不平整度的磨平规格表

2.降低水流速度

从式（3-16）及式（3-17）可知，介质对建筑物的磨损量与流速（沙速）有关，流速越大，磨损量越大。此外，在上一节已提到，空蚀破坏的程度随不平整度及水流速度的增加而增加，与水流速度的5～7 次方成正比。因此，在可能的情况下，降低水流的流速可以减少以致避免冲磨、空蚀破坏。

3.减少水流的含沙量

建筑物的冲磨破坏是水流中挟沙造成。在相同流速情况下，水流中含沙率越高，挟沙水流对混凝土的冲磨破坏就越严重。因此，在可能的情况下设置拦沙或沉沙设施可以避免过流建筑物表面的冲磨破坏。(www.xing528.com)

4.提高材料的抗冲磨与抗空蚀能力

根据挟沙水流冲磨介质的不同，选用适当的抗冲磨材料是预防发生冲磨破坏的重要措施。对于悬移质沙粒的磨损，采用高强度等级的硅酸盐水泥，用较小的水灰比，以提高混凝土的强度；使用坚硬耐磨的岩石作为混凝土的骨料；采用低流态或干硬性混凝土拌和物；采用真空作业等施工工艺，提高混凝土的密实性等，都可以显著提高混凝土的抗冲磨性能。在普通混凝土的基础上，掺入适量硅粉及高效减水剂，可配制出强度等级为C60～C80的硅粉高强混凝土。在混凝土中采用铸石或铁钢石等硬质高强耐磨骨料，可配制出铸石混凝土或铁钢石混凝土。其抗冲磨能力均远高于普通混凝土。当同时掺入适量硅粉、高效减水剂和采用硬质高强骨料时，可配制出强度等级C80～C100 的高抗冲耐磨混凝土，其抗冲磨能力可达普通混凝土的2～4 倍。对于大颗粒推移质介质的磨损，金属材料等柔性材料的抗冲磨性能远高于脆性材料。钢材具有良好的抗冲击韧性，因而其抗推移质冲磨破坏的能力较好，这已被四川省石棉水电站、渔子溪水电站等受推移质冲磨破坏较严重的工程应用结果所证实。室内试验和工程实践表明，环氧砂浆比钢铁材料及水泥混凝土材料抗悬移质泥沙的冲磨能力高5～20倍。但环氧砂浆类材料成本较高，固化剂有毒性以及环氧砂浆与混凝土两种材料的线膨胀系数相差较大，在阳光及气温变化作用下，易造成两者在界面处开裂、脱空，且随作用时间的延长越来越严重。此外，在阳光、氧、水分等作用下，环氧砂浆会逐渐老化。试验研究还表明，铸石板镶面材料抵抗高速悬移质泥沙冲磨和抗高速水流空蚀的能力是现有材料中最好的。但铸石板材料性脆、抗冲击强度低，如遇水流中挟有粒径较大的石块，则极易被破坏。同时，铸石板较难粘贴牢固，高速水流易进入板底空隙，在动水压力作用下，铸石板易被掀掉。为了克服上述缺点，将铸石制成粗、细骨料，配制出铸石砂浆及铸石混凝土，则是一种良好的抗冲耐磨材料。如1986年长江葛洲坝二江泄水闸维修中大量使用的铸石砂浆及铸石混凝土，到1991年，铸石砂浆累计磨损深度3～12mm，年平均磨损仅0.6～2.4mm。同时发现铸石砂浆与基底老混凝土粘结牢固，五年间剥落面积不足2m2，较同时铺筑的环氧砂浆少得多。研究还发现，安徽省无为县出产的天然铁矿石（铁钢石）具有良好的抗冲击韧性，也有较好的抗磨损硬度。用铁钢石作为骨料，可配制出抗悬移质和抗推移质泥沙冲磨性能都很好的砂浆或混凝土。试验结果显示，使用铁钢石骨料混凝土比铸石骨料混凝土效果好。

5.设置通气减蚀措施

对于可能发生空蚀破坏的部位，若不平整度控制和处理有困难或处理所花费的人力、物力和财力过大时，可采用通气减蚀的工程措施。向水中掺气能改变水的物理性质，它对空泡溃灭产生的冲击力起到水垫缓冲和削弱的作用，从而减免空蚀破坏。

6.提高施工质量

为了避免建筑物表面出现冲磨、空蚀破坏，除建筑物设计成合理的体型外，施工质量的好坏往往成为建筑物表面不平整、内部不密实、材料表面层质量差的关键。因此，提高施工质量也是预防产生冲磨、空蚀破坏的重要措施。7.泄水建筑物的合理运行

某些混凝土建筑物的冲磨、空蚀破坏是由于泄水建筑物的运行不合理。如闸门不对称开启，造成水流偏移或闸门全开启造成单宽流量过大、水流过急。总之，凡因泄水建筑物运行不合理造成水流偏移、单宽流量过大、水流速度过大、流态复杂以及产生立轴漩涡的，都可能造成水流冲刷或出现较大的负压和脉动压力，产生建筑物的冲磨或空蚀破坏。为了避免发生此种情况，应根据泄水建筑物运行的实际情况，选择最合适的运行程序和措施。

（二）凝土建筑物冲磨与空蚀破坏的修复

受冲磨、空蚀破坏的混凝土建筑物进行修复之前，必须确认破坏的类型及造成破坏的原因：是含沙水流冲磨引起的破坏还是空蚀引起的破坏或两种破坏作用共同的结果。对于泥沙冲磨破坏，还应进一步分清是悬移质冲磨破坏、推移质冲磨破坏，还是悬移质与推移质共同作用引起的破坏。当破坏类型确定之后，还应进一步研究引起混凝土建筑物破坏的具体原因和主要因素：如建筑物的体型是否理想；过流表面是否平整光滑；过流流速是否过大；是否产生局部负压或过大的脉动压力；所用混凝土材料是否具有足够的抗破坏能力；施工质量是否达到规范要求；运行管理是否合理等。在详细掌握上述资料的基础上，有针对性地制定出受破坏建筑物的修复方案和工艺措施。

（1）葛洲坝工程二江泄水闸破坏及修复。泄水闸于1980年底基本建成，1981年大江截流，二江泄水闸作为长江的主河道。1981年12月至1982年3月对泄水闸进行了首次检修。现场发现，混凝土闸左区磨损较轻，一般是混凝土表面的粗砂或局部小石外露，磨深不超过10mm；中区较重，大部分闸孔底板露出小石，局部露出中石，磨深约10～20mm；右区相对较严重，大部分闸孔底板中石外露，磨深约20mm 以上，并有明显的小冲沟擦痕。就一个闸孔的磨损情况看，底板两侧较轻，中部偏右较重，底板磨损比侧墙严重。经研究分析，二江泄水闸混凝土破坏系长江水流挟沙、石冲磨破坏，既有悬移质泥沙冲磨，也有推移质沙石冲磨。经计算及分析，不存在空蚀破坏。据此制定破坏修复措施：主要采用铸石砂浆和铸石混凝土作为修补材料。二江泄水闸27 个闸室中的26 个闸室及闸室下游的护坦冲磨破坏较严重部位，都采用该材料。修复面积达10000m2。另外，第18 闸孔进行不饱和聚酯砂浆试验，弧形门坎钢板两侧及049 缝两侧，用环氧砂浆进行修补。对冲磨深度20～50mm的部位，采用铸石砂浆修补。深度大于50mm 的部位采用铸石混凝土修补。为减少铸石砂浆及铸石混凝土的早期收缩，砂浆及混凝土拌制后堆放30～40min再使用。为了增强铸石砂浆和铸石混凝土与基础原混凝土的粘结，设置锚固钢筋。被修补混凝土的表面须冲洗干净，保持潮湿状态，并在铺筑铸石砂浆或铸石混凝土之前涂刷一薄层与砂浆或混凝土同水灰比的水泥净浆，随即填铺铸石砂浆或铸石混凝土。施工过程中注意振捣密实、使表面平整光滑，并按规定加强养护。1987年再次检查，闸室内大部分混凝土面良好，磨损轻微。铸石砂浆表面磨损仅1～3mm，主要表现为表面水泥浆冲失。这说明修复是成功的。

（2）柘林水电站泄空洞趾墩及护坦修复。该水电站泄空洞及护坦每年都有不同程度的空蚀破坏。经研究认为是消能工布置不当造成。其后在泄空洞出口陡坡上设置消能掺气墩、水平跌坎及侧墙突扩的综合掺气，并将趾墩改为波状齿坎等措施。改建后的消能设施可缩短水跃长度5～10m，降低涌水位1m，入池总能量减少70%～80%。建筑物不再出现空蚀破坏。

（3）刘家峡水电站右岸泄洪洞破坏的修复。该泄洪洞1975年5月正式泄水，库水位1720.21m，泄流量260～587m3/s，过流315.4h，在38.5m/s 流速下发生空蚀。泄洪隧洞反弧段以及紧接下游底板遭严重破坏，冲坑最深达3.5m。在桩号0+207～0+397m部位，长达190m的底板几乎全部冲毁，基岩被淘，部分钢筋被弯至两侧边墙。经水工减压模型试验表明，破坏主要是由于施工不平整度引起的。发生破坏当时的水力要素是：反弧段末端水深1.2m，流速38.5m/s，计算出水流空化数为0.125，远远低于初始空化数3～4，故发生空化，产生空蚀。1974年进行修复，反弧段半径增至100m，严格控制混凝土表面不平整度不大于2mm，若出现大于2mm，则磨成1/50的坡度。修复后至1982年止，泄量达4.42亿m3，历时109h，运行基本良好。