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，同時它受到下泄水流、特別是高速水流的沖刷作用。本文對水電站建筑物防止和減免空蝕的措施進行了研究。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，尤其是對于高泄量、高流速的泄洪設(shè)施的設(shè)計，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、破壞時有發(fā)生，有的工程造成了巨大的經(jīng)濟損失。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)該同時滿足這兩個條件。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)高速水流對溢流面上存在的曲率變化十分敏感，泄流時有可能導(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分布值。主要體型有：采用深孔明流泄水道進水口，溢流壩面采用反弧型式。2、改善高水頭閘門槽體型，減弱漩渦空化強度對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)水流運動的結(jié)構(gòu)，還與水流過槽的紊動特性、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增強泄水建筑物過流壁面材料的抗蝕性能增強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)號和高水泥用量(每m3砼用水泥335382kg)，高標(biāo)號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%，鋼纖維砼的抗壓強度約為普通砼的0.81.2倍，抗拉強度約為1.41.6倍，韌性可達普通砼的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，其具有較高的強度和較好的抗空蝕性能，影響其強度的重要因素為“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。由于巖石的礦物成份與樹脂之間會產(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)是聚合物硅中強度最高，耐酸性較強的材料，其缺點是造價高、制造工藝復(fù)雜。（3）聚合物浸漬混凝土(砂漿)，此類硅價格昂貴，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)濟而有效的減蝕措施。試驗研究表明，即使砼的抗壓強度很高，也會發(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，便可以減免空蝕。

7、1、選擇摻氣設(shè)施布置型式時應(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，壁面上的局部突出或凹下均可造成水流與固體壁面分離，造成局部壓強降低。當(dāng)流場中局部壓強下降至水的蒸汽壓強時，將發(fā)生空化，形成空泡水流?？张葸M入高壓區(qū)時會突然潰滅，對邊避產(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，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。某些試驗表明，空蝕破壞強度與水流速度的57次方成正比?？瘴g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，對過流壁面平整度提出適當(dāng)?shù)南拗剖峭耆匾模辽購囊粋€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)計面對的主要問題之一。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，對過流壁面提出了嚴(yán)格個要求。如垂直水流方向的凸坎或錯臺