小浪底工程排沙洞高速水流區抗沖磨試驗研究

王 磊，張婧雯，巴 濤，賁旭鵬

（黃河水利水電開發總公司，459017，濟源）

小浪底工程排沙洞是我國第一例采用無粘結預應力混凝土襯砌的水工隧洞，隧洞采用C70高標號硅粉混凝土，自投入運行以來，擔負著排泄高含沙水流、減少過機含沙量和調節徑流及保持進水口泥沙淤積漏斗的重要任務，每年承載著黃河調水調沙的任務，過流頻繁，在樞紐泄洪設施中使用概率最高。通過選用高性能抗沖磨試驗材料，可提高小浪底工程排沙洞正常安全穩定運行的使用保證率，從而保證黃河下游防汛工作的順利開展，保證黃河調水調沙、下游河床不抬高任務的順利進行，意義重大。

一、試驗區域分塊布置

試驗部位選取小浪底工程2號排沙洞工作門后出口明流段，此部位流速快、沖刷力大，最高流速達40 m/s以上，是沖蝕破壞最明顯的區域。試驗區域面積共計234 m2，其中左、右側墻各78 m2，底板78 m2。試驗區域共分為9塊，其中試驗塊1～6每塊27 m2，編號分別為 1～6，每個試驗塊包含18 m2（3 m×6 m）的側墻和 9 m2（3 m×3 m）的底板。其余3塊所用材料相同，穿插布置在1～6試驗塊中，編號為7。試驗塊1～7分別采用不同的材料，施工過程中處理好相鄰兩種不同材料試驗塊之間的連接問題，待一個汛期過后檢驗各試驗塊效果。排沙洞試驗塊布置示意圖見圖1。

二、施工工藝方法

試驗過程中采用了不同的施工材料與方法：①涂抹環氧砂漿，②涂抹環氧膠泥，③涂抹環氧砂漿+環氧膠泥，④涂抹環氧砂漿+抗沖層。施工工藝流程見圖2。

1.試驗塊1施工材料

采用YZ-改性環氧修補砂漿，該材料已在安康水電站消力池、泄洪中孔挑流鼻坎、蜀河水電站排沙底孔等泄洪受力重要部位成功運用，本次根據小浪底的工程特性加以改進，主要材料包括環氧樹脂、稀釋劑、增韌劑、固化劑、偶聯劑、促進劑、石棉纖維、石英粉、氧化鋁等多種成分，在配方上要求突出粘結強度、抗沖耐磨性能。

2.試驗塊2施工材料

采用XLD-11環氧砂漿，主要以環氧樹脂、固化劑及填料為基料按比例配制。材料具有優良的力學性能，抗沖磨強度高，粘結力強，施工方法簡捷，在常溫條件下，各化工原材料、混凝土基面及其施工器具均不需要加熱，抗老化性能較傳統環氧砂漿也有很大提高。

3.試驗塊3施工材料

采用環氧—抗沖磨砂漿組合式的抗蝕層，對指定實驗區27 m2均分3個部分，其中側墻上下2個部分、地面1個部分，采用3種方法配制抗沖磨環氧砂漿分別對這3個部分進行加固處置，界面粘結劑底涂由改性環氧樹脂和水下環氧固化劑按比例配制，抗沖磨環氧膠泥（1 型）、（2 型）由改性環氧樹脂、水下環氧固化劑（C 型）、鑄石粉、娟云母、玻纖、助劑按不同比例配制而成，抗沖磨環氧膠泥（3型）由改性環氧樹脂、水下環氧固化劑（C型）、鑄石粉、鑄石砂、助劑按比例配制而成，側墻上、下部分分別采用1型、2型，地面采用3型，3種環氧砂漿配制方法和施工方法均有差別，性能特點也有差別，以檢驗修復加固后3種環氧砂漿（膠泥）的抗沖磨效果。

4.試驗塊4施工材料

采用HK-UW-3環氧砂漿，主要用環氧樹脂作為膠結材料，以石子、砂、粉料（如粉煤灰、水泥、石粉等）為集料按比例配制而成。材料具有抗沖刷能力好、常溫下固化快、可在潮濕條件下施工、施工工藝簡便等特點，短時間內即可投入使用。該材料曾在向家壩水電站、云南景洪電站的混凝土表面防護抗沖磨處理上大面積運用，效果良好。

5.試驗塊5施工材料

采用丙烯酸酯共聚乳液，具有成本低、耐老化、抗裂、抗收縮等特性，可用于混凝土界面粘結劑、水工泄洪建筑物抗沖耐磨材料、混凝土表面防腐涂層材料等。界面粘結劑由樹脂乳液、水泥按比例分兩道工序分別配制較稀、較稠的凈漿，先涂刷較稀的，兩道工序時間間隔均要求約15分鐘后進行下一道工序；樹脂砂漿由水泥、砂子、丙乳、水按比例配制，涂抹厚度為2～3 cm，每次涂抹厚度不超過1 cm，分 2～3次涂抹，涂抹時間間隔為上一層初凝以后。

表1 各試驗塊所用材料性能指標

6.試驗塊6施工材料

采用環氧砂漿、環氧膠泥、手刮聚脲彈性體材料，由0164環氧樹脂、T31型固化劑、微硅粉、石英砂按比例配制而成?？箾_耐磨層采用以下3種方案進行對比：

方案一：涂刷聚脲彈性體抗沖耐磨層。環氧砂漿硬化后，底板選取6 m2，側墻選取2 m2，在環氧砂漿表面刮刷聚脲。聚脲分3層刮刷，每層厚度為1 mm。

方案二：涂刷環氧膠泥抗沖耐磨層。環氧砂漿硬化后，在環氧砂漿部分表面涂刷環氧膠泥一遍，增加環氧砂漿抗沖磨程度。

方案三：不涂刷抗沖耐磨層。環氧砂漿硬化后對砂漿表面不進行防護，以考察環氧砂漿自身在該工況下的抗沖耐磨能力。

圖1 小浪底工程2號排沙洞抗沖耐磨試驗塊布置示意圖

圖2 小浪底工程2號排沙洞抗沖耐磨試驗施工工藝流程圖

圖3 實驗塊6抗沖磨材料分布示意圖

涂刷抗沖層材料的部位分布示意圖，如圖3所示。

7.試驗塊7施工材料

所用材料為NE-Ⅱ環氧砂漿，環氧砂漿由A、B組分按一定比例拌和而成，其中A組分為NE－Ⅱ固化劑(白色黏稠液體)，B組分為環氧砂漿專用砂，材料性能穩定，適應性較好，操作簡便。本材料已在多家水電站過流泄洪系統運用，效果良好。

各試驗塊所用材料性能指標對比見表1。

三、過流后各試驗塊抗沖磨情況

2014年5月底，小浪底工程2號排沙洞汛前消缺及各試驗塊缺陷修補完成。2014年6月底，小浪底工程開始進行泄水排沙，2號排沙洞泄水共歷時184小時。2014年8月14日，對2號排沙洞修補試驗塊的抗沖磨情況進行了檢查，各試驗塊過流后效果如下：

1.試驗塊1抗沖磨情況

從過流后效果看，環氧砂漿試驗塊沒有被沖起的現象，說明環氧砂漿與混凝土的粘接強度基本能夠滿足泄洪排沙要求。但從過流后環氧砂漿的表面看，平整度較差，且發現幾處鼓包現象。初步分析，可能是因為其環氧砂漿界面劑中摻加了稀釋劑導致。界面劑中摻加稀釋劑會降低環氧砂漿與混凝土的粘接強度。

2.試驗塊2抗沖磨情況

從過流后效果看，環氧砂漿試驗塊沒有被沖起的現象，說明其環氧砂漿與混凝土的粘接強度基本能夠滿足小浪底工程排沙要求。表面沒有發現明顯的磨損痕跡，但表面平整度較差，施工不均勻。

3.試驗塊3抗沖磨情況

從過流后效果看，3種類型環氧膠泥沒有被沖起的現象，粘接效果良好。但施工不均勻，表面平整度較差，經細致觀察能發現墻面有較小的磨損痕跡，底板尚未發現磨損情況。

4.試驗塊4抗沖磨情況

從過流后效果看，環氧砂漿試驗塊沒有被沖起的現象，說明其環氧砂漿與混凝土的粘接強度能夠滿足小浪底工程排沙要求。但從過流后環氧砂漿的表面看，墻面有明顯的順水流方向的磨損痕跡，底板也有少量磨損。說明其環氧砂漿的硬度和抗沖磨強度較低，若過流時間延長，其磨損程度可能會繼續加重。

5.試驗塊5抗沖磨情況

從過流后效果看，環氧砂漿側墻1.6～2.0m高度范圍內幾乎全部被沖毀，底板也有相當部分被沖毀。由此看來，其環氧砂漿粘接強度較低，不能滿足小浪底工程泄洪排沙的抗沖磨要求。

6.試驗塊6抗沖磨情況

從過流后效果看，環氧砂漿和聚脲整體良好，沒有發現鼓包和明顯的磨損痕跡。與試驗塊5相搭接的10 cm×20 cm的面積，受上游試驗塊5的影響被沖壞。主要原因是由于上游試驗塊5環氧砂漿被沖起，試驗塊6修補施工時，為保證與上游試驗塊5的接觸面平整過渡，環氧砂漿是覆蓋在其邊界斜面上的，故受其影響。從整體看，試驗塊6所用環氧膠泥磨損量較大，不具備小浪底工程泄洪排沙的抗沖磨要求；環氧砂漿能滿足抗沖磨要求，但施工表面平整度較差。單組分聚脲的粘接強度、抗沖磨強度均能滿足小浪底工程排沙的抗沖磨要求，表面平整光滑。

7.試驗塊7抗沖磨情況

從過流后效果看，環氧砂漿整體良好，表面平整，無明顯磨損痕跡。其環氧砂漿的粘接強度、抗沖磨強度等性能均能滿足小浪底工程排沙的抗沖磨要求。但從其環氧砂漿中砂料的外觀看，其使用的砂有普通河砂（過流后在環氧砂漿表面可看到普通河砂特有的云母亮點特征），耐磨性與石英砂相比較差。

四、結 論

（1）水工泄水建筑物對其表面的平整度和抗沖磨強度有很高的要求。平整度較差可能會對水流形態產生影響，從而對建筑物表面造成不同程度的沖蝕或氣蝕破壞，進而增加建筑物表面的不平整度，將會產生更加嚴重的氣蝕破壞。這是一個惡性循環，一旦發生便會愈演愈烈。而如果抗沖磨強度較低，又會加重加速這種破壞。因此，泄水建筑物的表面平整度和抗沖磨強度是其兩項比較重要的指標要求。

（2）從以上的試驗效果來看，試驗塊7的環氧砂漿施工可以同時滿足表面平整度和抗沖磨強度的要求，效果最好，但材料內的砂料若能改為石英砂可能會提高材料的耐磨性。試驗塊2、試驗塊6的環氧砂漿均能滿足抗沖磨強度要求，但施工表面平整度有待提高，試驗塊6的聚脲平整度良好。試驗塊1的側墻表面發現幾處鼓包現象，可能是因為其環氧砂漿界面劑中摻加了稀釋劑導致。試驗塊3的施工平整度與以上4個試驗塊相比略顯不足，抗沖耐磨性能也尚需進一步進行檢驗。試驗塊4所用材料抗沖耐磨強度不夠，不能滿足小浪底工程高含沙、高流速水流的沖刷要求。試驗塊5所用材料與混凝土之間的粘接力不夠，不能應用于小浪底工程泄洪排沙系統。

（3）環氧砂漿的施工既要滿足抗沖磨的性能，又要防止出現薄弱面的情況，一旦出現薄弱面，可能會引起周邊正常運用的砂漿破壞，從而逐步導致破壞面進一步擴大。

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