泄水建筑物空蚀的维修

泄水建筑物空蚀的维修

1空化水流的产生及危害空蚀是空化的结果，但并非所有的空化都会导致材料的破坏。只有不稳定的空化，如不定期流动中的空化和空气泡末端，才能造成空蚀。因此,空蚀往往出现在物体的局部区域。空蚀的机理与材料受固体微粒或液滴冲击而损坏是不同的。造成水流空蚀的主要原因是由于承受高速水流作用的泄水建筑物的体形设计不当或表面施工不平整等因素,使平顺水流与边界分离,造成局部压强降低引起的。也就说,产生空蚀的主要原因有三:高速水流作用;建筑物体形设计不当;建筑物表面不平整。空蚀的破坏常发生在泄水建筑物,包括泄洪管道,溢流坝和陡槽等的过水表面,闸门槽、反弧段、扩散段,转弯、岔管段、异型挑流鼻坎、消力池的辅助消能设施及闸门井与水洞连接部位。凡水流受到干扰的区域流速达12~15m/s以上时的高速水流,都可能发生空蚀。流速愈高空蚀问题愈严重。据大量的工程资料表明,空化水流的主要危害表现在以下几个方面:空蚀破坏。空化水流产生的瞬间高压,造成壁面材料的剥蚀和破坏;降低效率。在船舶推进器和水力机械上出现空化水流时,机械效率显著降低。在水工建筑物上如进口处发生空化水流,过流面积随之减小,流量系数相应降低;空化噪声。空穴泡溃灭产生的高频噪音不利于正常工作;空化振动。空化过程是不稳定的,其中包括强烈的脉动力,如果这种脉动力的某一频率和机械设备某一部件频率相吻合,可引起共振。空蚀是强烈空穴的后果,它能使所有材料损毁,其破坏力很大,空穴溃灭产生的瞬时压强可达9600多个标准大气压(latm≈011MPa)。空蚀深度可深入混凝土2~3m,或更深;空蚀面积可波及数十甚至数百平方米。严重的空蚀不仅会影响泄水建筑物的正常运行,而且需要花较长的时间和较多的经费去维修。2设计合理的水流空化数针对空蚀产生的条件及产生原因,可采取如下措施减轻或消除空蚀:设计合理体形使水流的空化数大于建筑物的初生空化数,即σ>σi;合理控制建筑物过水表面的不平整度;采取工程措施向水流近壁层掺气;采用抗空蚀性能高的材料抵御空蚀。2.1门槽被覆盖设计的原因闸门槽体形的设计。泄水建筑物平板闸门全开时,门槽是水流受扰和分离的主要根源。这是因为水流流经门槽时在门槽内形成漩涡、并在门槽下游侧棱出现脱壁现象,造成压力降低而产生空穴。而门槽空穴特性不仅取决于门槽内水流运动的结构,还和下列问题有关:门槽与泄水道的相对尺寸(B/h);门槽相对尺寸(1na/h);边界层厚度δ;门槽体形。门槽的初生空化数σi=σkp·Kln·Kg·Kd·Kr。平板闸门局部开启时,门槽的初生空化数σi与闸门支承结构占据闸门槽空间的程度有关。闸门占据门槽的程度越小,门槽越易产生空化。其原因是占据程度越小闸门底缘下的低压区就越容易与闸门前的高压区沟通,使门槽内的竖直水流在门槽近底处变得弯曲起来,从而促进严重空穴区的形成。研究还表明:闸门局部开启时门槽下游边墙错距对门槽空化特性的改善只存在于无压流态情况下。此外,闸门底缘平顺时,可降低水舌中的漩涡强度,从而也推迟空穴的发生。总之,对平板闸门而言,只要合理确定门槽尺寸、体型及门体占据门槽程度、门体底缘形状等,就可大大改善门槽的空化特性。辅助消能工和挑流鼻坎分流设备的设计。消力池中设置消力墩和采用差动式挑流算坎,是水工建筑物中常用的消能设施。资料表明:将消力墩迎水面的前棱修圆或其布置间距减小及将挑流鼻坎分流墩纵向棱修圆,可以收到改善其空蚀性能的显著效果。溢流坝反弧段体形设计。许多研究指出,空蚀破坏能力与溢流面落差的三次方成正比。溢流坝末端反弧段过去常采用圆弧曲线,其具有施工简单的优点,但由于圆弧形反弧段的起点位置较低,因此容易产生水流空化和反弧末端的空蚀破坏。若反弧段采用等安全压力曲线,不仅可以降低有效落差,改善空蚀性能,而且还可以使坝剖面减瘦,减少工程量。进口段的布置和体形设计。有压进口段的体形采用椭圆曲线,可以保证不出现局部压降,同时进口应有足够的淹没深度,以免在库水面产生立轴漩涡,将空气引至洞内,恶化空化性能。有压洞出口渐变段的体形设计。由于有压洞出口段的压强已接近大气压强,会引起空穴,因此,出口段应设计成顶板下压的收缩型断面,以提高出口段洞身的压强,并应在无压状态下出流。2.2垂直升坎的设置垂直升坎比三角形、半圆形及其它坎更容易引起水流分离、产生空化。有人曾将垂直升坎做1∶15的坡度,其初生空化数减小了90%。可见,减小过流表面不平整度可以有效改善其空化性能,至于不平整度的具体控制各家并无统一标准。2.3通气槽的设计原则及要素向水流中掺气有利于减蚀和免蚀,当掺气量为115%~215%时,空蚀破坏可以减轻90%,当掺气量达到7%~8%时,空蚀基本可消除。其常用的掺气措施是设置通气槽或通气孔,通气孔应用很普遍,且较成熟,不再赘述。通气槽型式有跌坎式、扬板式和综合式。其中扬板式通气槽具有无论在施工期还是在运行期,均能安装在泄水道表面任何位置上的特点。通气槽应设在预计会发生空蚀的空蚀源之后,例如掺气水流在溢流面转弯处会发生强烈的排气现象,为使鼻坎末端的水气混合比保持设计值,必须在反弧段末端设置通气槽,以使水流进入鼻坎末端前具有较高的含气量。通气槽设计要确定以下三个要素:通气槽的尺寸;通气系统的类型及其通气能力;采用水板式通气槽工作时,掺气水流对建筑物及各构件的动力作用。实践证明,通气槽是最有效、最经济的减蚀、免蚀措施,已应用于工程实践中。2.4提高混凝土的抗蚀能力对受空蚀威胁严重的部位或对已蚀部位进行修复,常采用抗蚀性能高的材料来抵御空蚀。其具体措施如下。提高普通混凝土的抗蚀性能。采用强度高的骨料,并要求砂子在骨料中所占比例为最优、粗骨料粒径不大于40mm(用碎石而不用砾石),可增加骨料与水泥的粘附力,提高抗蚀性能;减小水灰比,可提高混凝土抗蚀性能,水灰比一般不超过0.4~0.42;采用真空作业的混凝土,其单位冲蚀量可减小25%~28%,抗蚀强度有显著增长;采用高标号混凝土。在泄水建筑物表面的混凝土标号一般要求大于250号,在高速区应用500号左右的混凝土。总之,通过采取以上措施,可提高混凝土抗蚀强度几倍甚至几十倍。尽管如此,在高速水流(如50~60m/s)作用下只靠改善混凝土本身的抗蚀强度还远不能防止空蚀破坏。其他抗蚀材料。还可采用:钢纤维混凝土:混凝土中加入钢纤维后可提高