探究水工泄水结构的抗磨防蚀设计

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【摘要】水工泄水结构是水利工程中比较重要的一个结构，其在使用过程中，会因为水流中砂石含量较多导致腐蚀或磨损。我国目前对水工泄水结构的抗磨防蚀设计过程还存在很多的盲点，这些盲点主要是我国的相关规范还存在很多不完善和不准确的地方。下面笔者将结合自身多年设计经验，来谈谈对水工泄水结构的抗磨防蚀设计的几点看法。

【关键词】水工；泄水结构；抗磨防蚀；设计

中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：

0 前言

我国幅员辽阔，在广袤的土地上遍布了各种江河，但是我国大部分河流的含沙量都比较高。据相关统计资料表明，我国超过60条河流具有年送沙量达到1000t的能力。含沙量比较高的水流在通过水工结构时，对泄水结构的磨损腐蚀作用极为明显。因为水流在通过泄水结构时，一般的流速比较大，这样的水体中如果夹杂砂石对泄水结构不断的冲击就会造成结构的磨损和腐蚀情况。所以对河流上的水工泄水结构抗磨防蚀设计就要提出比较高的要求，但是我国当前对此的设计并不完善。下面本文将对我国现存的一些设计问题、相关破坏冲击的介绍、相关方案和重点因素的介绍来进行深入论述。

1 破坏机理

1.1 磨损

这种破坏主要是指高速水流中存在的沙子在通过泄水结构时，砂体与结构表面出现滚动滑动摩擦而导致的结构表面磨损现象。

1.2 冲击

冲击破坏主要是指高速水流中的沙子正向或者斜向的撞击泄水结构，通过并且将沙子中存在的能量传递到结构表面，形成一种表面力，导致结构出现破坏现象。

1.3 空蚀

液体流经的局部区域，若压强低于某一临界值就会有充满气体与蒸汽的空泡出现并发育生长，这种现象就是液体空化现象。在空化的水流中会产生很多气泡，这种气泡在液体流动过程中会比较容易在压强发生变化时被破坏，但是会相应产生700MPa左右的压力，如果这个破坏过程发生在泄水结构处，就会对结构产生比较大的影响。

1.4 流激振动破坏

水流速度过快时会导致水流出现紊动，这种情况在泄水结构出现时就会对结构产生比较强的震荡，这种震荡如果长期存在，会加速混凝土的疲劳现象，导致破坏。

2 设计存在的问题

我国现在的水工泄水结构设计过程中还存在着很多的问题，笔者总结如下：

缺少技术规范。虽然我国现在存在着一些标准来对水工泄水结构设计进行相关指导，例如《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》（DL／T5207—2O05）。但是在此规范之中对实际情况的考虑不是很周全，所以在实际应用过程中存在很多的问题。例如，混凝土规范不确切、特殊结构强调不够、特异性规定不够等等。

方案选择不准确。这类问题主要是指一条河上的不同泄水结构的方案选择也要不同，不过我国一般都会采用工程类比法。河流的上下流含沙量可能不同，这样一方面针对性不强，另一方面也会导致经济效益投入过大。

方案选择考虑不周全。对于一些河流上的水利工程，部分设计人员没有经过详细的现场勘察和水流计算就进行防磨抗蚀设计，这样对其考虑就既不周全，导致泄水结构的适用性并不强。

设计方案的总结性不好。对泄水结构出现了磨损空蚀情况会采取相关的修复和加固措施，但是在设计方案上并没有形成一系列的修复和加固说明。这样极不方便其他工程的参考，也不方便再出现问题时的借鉴。

3 提升泄水结构抗磨防蚀的手段

3.1 结构和形状

在泄水结构的选择方面，如果能够对其结构和形状进行良好的选择和设计，那么会极大的增大结构的抗磨防蚀能力。

结构方面，如果对于部分结构复杂、经济要求比较高、功能要求比较高的泄水结构，可以通过改变其结构的受力形式、结构支护形式等来提高其抗磨防蚀的能力。

对于泄水结构与岸段链接部分，可以通过流线型设计，来避免水流流经此处的流速突然变化导致对结构的压强产生变化，引起空化反映等等。

3.2 结构材料

对于泄水结构来说，合理的选择抗磨能力比较好的材料，能够有效的提升结构的抗磨防蚀能力。在选择材料时要充分考查和实验材料的硬度和韧性，硬度好的材料对抗磨能力有较大的提升，韧性好的材料可以吸收水流和沙子堆结构的冲击，有效的减少结构疲劳，提升结构强度。常见的抗磨防蚀混凝土材料包括：高强度混凝土、纤维混凝土、聚合物混凝土、HF混凝土、细小纤维混凝土、硅混凝土等。另外也可以通过正价钢板、高强度陶瓷版等对结构提升抗磨防蚀能力。近年来，有机材料的发展比较迅速，各类高分子聚合物的出现，能够很好的提供给结构表面硬度和韧性条件。例如，聚氨基甲酸乙酯聚合橡胶、聚氨酚环氧树脂、对氨基双氧双组份聚合物等。合理选择构成泄水结构的材料，利用比较新型的材料和传统优秀材料公用的方式，就可以提升结构的抗磨防蚀能力。

3.3 人工掺气

这种方法的的主要目的就是来减少水流中的空化作用对泄水结构产生影响。这种方法起源于科学家观察鱼塘打氧，经过相关专家对其的改进和引进。国外众多水利工程中开始采用人工对水体打入一定的气体，来改变水体内部气体含量，在结合水体含气量来进行相关气量的控制就能够有效的减少空化现象的出现。我国从上世纪末开始引入这种方法来进行改善我国水利工程相关问题，但是我国的水质条件和含沙量等与外国还有着一定的区别。同时我国的一般水利结构与外国的大型结构也存在着比较大的区别，尤其是在于岸边连接处。所以采用这种方法时要注意结合自身工程的实际。

3.4 技术标准

水工泄水结构的施工过程中，加强相关施工技术标准和引进相关的先进施工技术可以有效的提升结构的强度，来提升结构抗磨防蚀能力。在泄水结构的施工过程中，结构的表面平整度是十分重要的结构指标。结构的表面平整度是否高标准能够直接影响到结构表面对空化的抵抗能力的高低。所以在平整施工过程中，施工企业要采用比较先进的平整施工工艺，在施工检查和施工要求上也要对相关的施工质量标准进行严格要求，来保证结构表面的平整程度。另外，如果工程施工采取了新型的材料，要注意结合其他行业中利用这种材料时的相关施工工艺和施工标准，通过和水利工程的结合来进行施工。保证新材料的施工达到能够提高结构抗磨防蚀的目的。当然水工结构泄水结构的施工过程包含很多的不同的施工工序和施工要点，所以在施工时要严格把握施工技术的选择和施工质量标准的控制。

3.5 提升人员素质

往往在水工泄水结构的抗磨防蚀设计过程中，设计人员的素质是能够直接影响方案的好坏和工程质量。但是我国部分水利设计人员在对结构的抗磨防蚀能力设计上并没有特别专业的知识。所以要对相关设计人员来进行专业素质的培养，和专业知识的传授。同时定期开展国外相关优秀水利项目设计方案学习和交流工作，对于部分科技领先的设计特点，要让设计人员对其深入的学习，并且结合我国的水利工程现状和实际的河流条件进行分析和引用，这样能够提升设计方案的技术性和适用性。

4 总结

总之，在水工泄水结构的抗磨防蚀设计过程中，诸多因素都能影响设计方案的好坏。在设计过程中，设计人员首先要了解形成这种现象的根本原因，充分结合影响水工泄水结构的相关因素来进行加强就能够打造一个合格的抗磨防蚀结构设计。希望通过本文的相关叙述能够给设计人员一定的启发和参考。也希望水工结构设计人员能够对本文论述过程中存在的不足之处提出批评和指正。

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