水電站建筑物防止和減免空蝕的措施研究

1、水電站建筑物防止和減免空蝕的措施研究    摘要：我國是世界上建壩最多的國家，在水工建筑物破壞中，泄水建筑物的破壞最為普遍。泄水建筑物承擔(dān)著卸載上游來水的作用，同時(shí)它受到下泄水流、特別是高速水流的沖刷作用。本文對(duì)水電站建筑物防止和減免空蝕的措施進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：水工建筑  空蝕  措施目前，國內(nèi)外水工界在建壩過程中遇到的重要問題，隨著大壩高度的不斷刷新，尤其是對(duì)于高泄量、高流速的泄洪設(shè)施的設(shè)計(jì)，如泄流面的抗沖刷問題、抗磨蝕問題、抗氣蝕問題。水工建筑物，尤其是泄水建筑物的損壞、破壞時(shí)有發(fā)生，有的工程造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。研究空蝕問題是

2、為了減免空蝕現(xiàn)象的發(fā)生。發(fā)生空蝕機(jī)率最多的部位是壩面、底孔、過流壁面不平整處、消能工及門槽等。1改善泄水建筑物過流邊壁的輪廓泄水建筑物過流邊壁的輪廓，包括泄流建筑物的體型突變(大尺度不平順)，以及溢流面的光滑平整狀況，泄水建筑物的合理體型應(yīng)該同時(shí)滿足這兩個(gè)條件。水流中發(fā)生空化現(xiàn)象，是由局部壓力降低超過臨界壓力而產(chǎn)生的，這與過流壁面的大尺度輪廓體型有極密切的關(guān)系，容易發(fā)生空蝕的部位是其局部可能產(chǎn)生低壓區(qū)域。主要有：溢流面的邊界不平順及局部不平整突體后面，溢流壩或明流泄洪洞反弧段后面平直段，深孔進(jìn)水口、泄水管或尾水管彎段凸緣，有壓管道收縮段，閘門槽后的邊墻及閘墩，泄水管分岔段，消力墩頂部、兩側(cè)及下

3、游底板，差動(dòng)式鼻坎的側(cè)壁等。減免空蝕的措施：1、改善過流壁面的輪廓體型，降低初生空化數(shù)高速水流對(duì)溢流面上存在的曲率變化十分敏感，泄流時(shí)有可能導(dǎo)致水流的嚴(yán)重分離，從而形成明顯的低壓區(qū)，使該區(qū)初生空化數(shù)顯著增大，因而極易產(chǎn)生空化水流。降低初生空化數(shù)的方法是通過設(shè)計(jì)優(yōu)化曲面邊壁的體型，使過流邊界體型合理，以提高過流壁面上壓強(qiáng)分布值。主要體型有：采用深孔明流泄水道進(jìn)水口，溢流壩面采用反弧型式。2、改善高水頭閘門槽體型，減弱漩渦空化強(qiáng)度對(duì)于高水頭的大型平板閘門，門槽及槽內(nèi)主軌道的空蝕破壞問題尤為突出，門槽內(nèi)的空化初生條件，不僅取決于槽內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，還與水流過槽的紊動(dòng)特性、槽的體型等有關(guān)。3、采用具有

4、減免空蝕性能的消能工型式常用的消能形式主要有挑流、面流和底流，與之對(duì)應(yīng)的消能工型式有挑坎、摻氣坎(槽)、齒坎和輔助消能工。2增強(qiáng)泄水建筑物過流壁面材料的抗蝕性能增強(qiáng)泄水建筑物過流壁面材料的抗蝕性能，是防止和避免泄水建筑物空蝕破壞的主要措施之一。目前采用的主要抗蝕材料有：金屬、砼(包括砂漿)、環(huán)氧、鑄石等。1、提高水工混凝土的抗空蝕強(qiáng)度國內(nèi)外的研究結(jié)果表明，采用以下措施有助于提高砼抗沖蝕能力：采用高水泥標(biāo)號(hào)和高水泥用量(每m3砼用水泥335382kg)，高標(biāo)號(hào)砼可提高抗沖蝕能力34倍；減少水灰比，一般不超過0.40.42；粗骨料粒徑不大于40mm，并盡可能采用碎石；砂子在骨料中所占的比例應(yīng)為最優(yōu)

5、比例；采用表面真空作業(yè)或真空作業(yè)加磨石子；保證試件的28天的極限拉伸性能的增加不少于1x10-5；在嚴(yán)寒地區(qū)采用抗凍標(biāo)號(hào)高的砼。2、采用纖維混凝土為了增加砼內(nèi)部的連接力、提高韌性，可以用各種纖維加入砼內(nèi)部。最適用的鋼纖維含量不應(yīng)超過砼體積的2%，鋼纖維砼的抗壓強(qiáng)度約為普通砼的0.81.2倍，抗拉強(qiáng)度約為1.41.6倍，韌性可達(dá)普通砼的30倍，抗空蝕性能可提高30%。3、采用聚合物混凝土（1）聚合物水泥混凝土(砂漿)，即由普通硅或砂漿中攙入一部分聚合物代替水泥，其具有較高的強(qiáng)度和較好的抗空蝕性能，影響其強(qiáng)度的重要因素為“聚灰比”，即聚合物與水泥間的質(zhì)量比，一般為520%。通?？箍瘴g性能提高9倍以

6、上，抗壓提高12倍，極限拉伸量可提高3倍左右。（2）聚合物樹脂混凝土(砂漿):即聚合物為粘合料與骨料結(jié)合而成，完全不使用水泥。具有優(yōu)越的耐酸性，還能克服水泥存在的弱點(diǎn)。由于巖石的礦物成份與樹脂之間會(huì)產(chǎn)生化學(xué)作用，故其骨料的選用很重要。聚合物樹脂混凝土(砂漿)是聚合物硅中強(qiáng)度最高，耐酸性較強(qiáng)的材料，其缺點(diǎn)是造價(jià)高、制造工藝復(fù)雜。（3）聚合物浸漬混凝土(砂漿)，此類硅價(jià)格昂貴，尚未推廣。3在水中攙入適量空氣減免空蝕研究表明，向泄水建筑物的近壁面處水流通氣，是一種經(jīng)濟(jì)而有效的減蝕措施。試驗(yàn)研究表明，即使砼的抗壓強(qiáng)度很高，也會(huì)發(fā)生空蝕問題:而在水中攙入相當(dāng)于水流流量的5.9%的空氣時(shí)，便可以減免空蝕。

7、1、選擇摻氣設(shè)施布置型式時(shí)應(yīng)注意的原則（1）在各種工況下，均應(yīng)保持挑坎水舌下有足夠的空腔，以保證水流具有盡可能合適的摻氣濃度和良好的氣泡分布狀態(tài)。（2）通氣設(shè)施在任何情況下都不應(yīng)被水充填、淹沒以防礙供氣。（3）力求水流平順，壁面惡化水流流態(tài)或增大對(duì)底板的過分沖擊。（4）通氣設(shè)施的體型力求簡單，便于施工、具有足夠的強(qiáng)度及工作的可靠性。2、通常的摻氣減蝕工程型式（1）為了減免溢流壩閘墩后面的空蝕破壞，可使閘墩尾部放寬，形成所謂“寬尾墩”，使繞流寬尾墩的水流形成超空穴，在超空穴的尾部形成摻氣。（2）為了減免消能工的空蝕破壞，可使消能工的體型便于摻氣。（3）在溢流面上設(shè)置的摻氣設(shè)施是目前運(yùn)用和研究最多

8、的一種。4表面不平整產(chǎn)生空蝕破壞當(dāng)高速水流流過表面粗糙不平的過流壁面時(shí)，壁面上的局部突出或凹下均可造成水流與固體壁面分離，造成局部壓強(qiáng)降低。當(dāng)流場中局部壓強(qiáng)下降至水的蒸汽壓強(qiáng)時(shí)，將發(fā)生空化，形成空泡水流?？张葸M(jìn)入高壓區(qū)時(shí)會(huì)突然潰滅，對(duì)邊避產(chǎn)生巨大的高頻沖擊力。這種沖擊力造成的邊避破壞稱為空蝕。結(jié)合一些實(shí)際工程調(diào)查表明，凡泄水建筑物表面有明顯的凹凸不平，過流流速大于15m20m/s時(shí)，一般都有可能在其下游發(fā)生空蝕破壞。流速愈大，發(fā)生破壞的可能性也愈大。某些試驗(yàn)表明，空蝕破壞強(qiáng)度與水流速度的57次方成正比。空蝕破壞表現(xiàn)為沖擊破壞的特征，表面呈針孔壯或蜂窩狀?？瘴g坑范圍以外的混凝土則仍比較堅(jiān)硬。泄水建筑物的過流壁面，由于施工問題，出現(xiàn)局部不平整往往難以避免，在高速水流作用下，成為誘發(fā)空蝕的根源。一般說，在高速水流情況下，對(duì)過流壁面平整度提出適當(dāng)?shù)南拗剖峭耆匾?，至少從一個(gè)方面為防治空蝕破壞創(chuàng)造了有利條件。不平整度的控制和處理標(biāo)準(zhǔn)是高水頭泄水建筑物設(shè)計(jì)面對(duì)的主要問題之一。目前仍無具有規(guī)范性的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在美國，經(jīng)過幾次嚴(yán)重的空蝕破壞事故之后，對(duì)過流壁面提出了嚴(yán)格個(gè)要求。如垂直水流方向的凸坎或錯(cuò)臺(tái)