摘要：在前人研究的基础上,从含沙水流的冲磨原理出发,分析了在含沙水流中空蚀与磨损的联合作用,以及掺气对磨损和空蚀的影响。根据不同材料在龚嘴泄洪排沙底孔的使用情况,分析了龚嘴泄洪排沙底孔的磨损特性,认为它的磨损属于悬移质磨损。但其磨损特性与黄河泥沙的微切削磨损特性有很大的不同,而是以稀疏粗颗粒的撞击疲劳磨损为主,且很可能掺混有空蚀破坏,空蚀与泥沙磨损相互促进,加剧了磨蚀的程度。

关键词：磨蚀;空蚀;空化



1 龚嘴工程概况

龚嘴水电站位于四川省乐山市境内的大渡河中下游,是以发电为主的综合性利用水利枢纽。龚嘴水库为河道型水库,长42 km,总库容3.737亿 m3(530 m高程),正常高水位528 m,拦河坝为混凝土重力坝,泄洪排沙底孔3个,孔口底高程为472 m,进口弧型闸门前为有压流,闸门后为明流。6号,10号底孔的孔口面积为5 m×8 m(宽×高),长度86.5 m,15号孔的面积为5 m×6 m,长200 m。

据资料,1997年的入库沙量4 270万 t,1998年入库5 270万 t,1999年入库6 370万 t。来沙主要集中在每年的5～10月,约占全年来沙总量的96.7%。根据泥沙成份分析报告,悬沙的矿物成份百分比含量为:SiO2占59.62%,Fe2O3占3.62%,Al2O3占10.46%,CaO占8.00%,MgO占4.11%。

龚嘴水电站运行至今已近30 a。由于库区泥沙淤积已至坝前,排沙底孔冲刷磨损十分严重,特别是在边壁5.3 m以下及渠槽底部磨损更严重,最深冲坑达0.36 m。边壁4～5 m以上部分的冲磨已基本稳定,后采用环氧砂浆修补,但效果并不显著,耐久时间不长,反复修补的工作量很大,每3 a检修一次,平均磨蚀深约为10 cm。而6号孔的工作门附近,原采用的20 mm钢板衬砌至今有的仍能使用。

2 含沙水流的冲磨机理

含沙水流的磨蚀,属于水沙二相流问题,水流中的沙石之所以能造成材料的磨损,是由于水流中的沙粒具有足够的动能,它所具有的能量来源于挟沙水流,当沙粒冲磨固体壁面材料时,把一部分或全部能量传给壁面材料,在材料表层转化为表面变形能从而造成材料的磨损。

1960年J.G.Bitler通过研究认为:金属材料的磨损是垂直变形磨损和水平微切削磨损的叠加——复合磨粒磨损。他的过于复杂的公式经J.M.Nei-lson和A.Gildrist简化后,得到如下冲磨函数。






(kg/m/s2);Ws为磨粒重量(kg);V2为沙速(m/s);α为冲角。临界冲角α0=π/2n;n为水平回弹率因素(无量纲);ε为冲击变形磨损耗能因数(kg·m/g);φ为微切削磨损耗能因数(kg·m/g);K为临界磨损沙速(m/s)。

他们对柔性金属软钢、铝做磨损实验发现,其磨损曲线上有一个低冲角的微切削磨损高峰,见图1。而在对岩石、玻璃等脆性材料的磨损实验中发现,这些材料的磨损是单纯的冲击变形磨损,见图2。

武汉水电学院等单位〔1〕用风沙枪做的水泥石料、砂浆、混凝土的冲磨实验结果(见图3)表明,混凝土的磨损规律也符合上述复合磨粒磨损的能量理论,其冲磨机理是低角区的微切削磨损和高角区冲击变形磨损的叠加,其冲磨失重随着冲角上升而提高,90°时达到最大,它的抗微切削磨损能力远大于抗冲击磨损。

悬移质(中、细沙)以悬浮状态随水流运动,与建筑物表面因磨擦产生磨蚀,蚀损比较均匀,对过流面为胶结材料的磨蚀是先磨掉表面较软弱的部位,形成蚀坑,从而使水流流态恶化,进一步促进蚀坑发展,以至逐步磨掉较硬的材料;对混凝土是先剥离表面的砂浆层,然后淘磨细骨料,待细骨料被冲走后,露出粗骨料,若粗骨料硬度大,易形成一层坚硬的防护层,磨损反而会相对稳定下来;对于金属材料,则取决于金属的硬度等物理特性,对于硬度小,质地不均匀的金属,磨损表面为鱼鳞状坑。推移质(粗沙,砾卵石,块石等)除了对建筑物有磨擦作用外,还有撞击作用,其大小取决于流速、流态、推移质数量、粒径、形状、运动方式等。








对建筑物的破坏程度还与过流时间,建筑物体型,材料的抗冲磨能力有关。由于重力作用,磨损部位大都集中于底部,在有平面弯道的情况下,凹面一侧磨损较大,有些工程既有悬移质的磨损,又有推移质的磨损。工程运行实践还表明,高速挟沙水流的磨蚀,往往与空蚀、冲刷、冻融(寒冷地区的工程)相伴发生并互为影响,它们的共同作用会加剧破坏,甚至导致恶性循环。

3 空蚀与磨蚀的联合作用

原型工程中的水流,其流速较大,往往产生空化与空蚀现象,过流表面的磨损,既有沙粒的切削撞击磨损,也有空蚀磨损,二者相互促进,使磨损愈演愈烈。当流速达到一定值时,空蚀磨损就可能发生,其界限流速约为15 m/s。

空蚀破坏的根源是空化泡溃灭所产生的巨大冲击压力,就其性质而言,与泥沙颗粒的撞击磨损类似。空蚀对过流面的平整度十分敏感,过流面很光滑时,即使流速较高,也不至于产生空蚀破坏,但过流表面的微小突起即可引起强烈的空化与空蚀。微切削磨损可以使过流面变光滑,而撞击磨损则不能。

当含沙量增加时,紊动强度降低,脉动压力减小,根据在水洞中垂直升坎空化影响试验的结果可知,脉动压力减小时 ,初生空化数也减小,初生空化数按下式表示:



k=P0-Pv/ρV20/2(2)



式中P0为试件前无干扰处的压力;Pv为相应水温下的饱和蒸汽压力;V0为试件前无干扰处的流速;ρ为液体的密度。

图4为刘一心在循环水洞中试验得出的初生空化数和泥沙含量的关系曲线［2］,从中可看出,泥沙含量S对初生空化数有两种相反的作用,当含沙量较小时,它促进空化提前发生,这可能是由于泥沙引起气核变化的影响大于它对紊动强度影响作用的缘故,相反,当泥沙含量较大时则制约空化的发生。






4 水流掺气对磨蚀的影响

河海大学〔3〕通过小浪底水利枢纽明流泄洪洞的浑水模型试验研究表明,对泄洪排沙建筑物通过的高含沙水流,采用挑坎等人工掺气设施,可以实现有效掺气,且有类似于清水的掺气特性,近边壁水流具有一定的掺气浓度,可有助于边壁材料抗蚀。研究表明,含沙水流对边壁材料的磨蚀率w(以单位时间平均磨蚀深度表示)随流速、含沙浓度及浑水密度的增大而增大,随材料强度和掺气浓度的增大而减小。并由π定理,得到下列无因次化的等价函数:



ω=w/V=φ(ρsV2/R,S0,C)(3)



式中ω为无因次磨蚀率,S0为无因次含沙量(水流含沙量除以泥沙颗粒的密度ρc,一般取值ρc为2 650 g/m3,C为水流平均掺气浓度,ρs为浑水密度。按实测资料整理出关于上式中诸无因次量的35组样本数据,并进行了ω对3个参数的相关分析,由回归分析得到估计磨蚀率w的公式:






从此式可看出,磨蚀率w大致与掺气浓度的立方根成反比,此式定量肯定了对高速含沙水流,掺气有助于边壁材料抗磨,但此式不适用于C=0或S0=0的情况。

5 龚嘴泄洪排沙洞磨损原因分析

作为脆性材料的典型代表混凝土和柔性材料的代表钢材,其抗冲磨的机理有很大的差别,从图1和图3中我们可看出,混凝土类脆性材料抵抗小角度的微切削磨损的能力大大强于钢材等柔性材料,而对于大角度的冲击变形磨损,钢材的抗冲磨性能则明显优于混凝土,从环氧砂浆和钢板在龚嘴泄洪排沙底孔的应用及破坏情况来看,环氧砂浆使用3 a的磨损深度约为10 cm,而20 mm的钢板却用了30 a左右,平均年磨损深度还不到1 mm,这说明此处的磨损特性应类似于大角度的冲击变形磨损。

另一方面,龚嘴泄洪排沙洞中的平均流速高达25～28 m/s,远远超过了前述空化空蚀的界限流速,就空化数而言,龚嘴排沙洞明流段的静水压强为0～8 m水柱,可算得其水流空化数变化范围σ=0.24～0.55,大连理工大学结合“八五”攻关所做的实验研究得出,3 mm高等腰三角形突体的初生空化数为σi=2.91,远远大于龚嘴排沙洞的水流空化数,水工设计规范也规定,当水流空化数小于0.3时即应严格控制过流面的不平整度,注意空蚀问题。在流速达25～30 m/s时,过水面的垂直突体高度不得大于3 mm,不平整突体的迎水面坡度不得大于1/30。龚嘴过流面经泥沙磨损后,表面不平整度已不能达到上述规定。龚嘴水电站运行初期,水流清彻,过流壁面平整度良好,能达到相应流速的抗空蚀要求。后来,水流含沙量增加,含沙水流的磨蚀使过流面的平整度大大降低,就很可能产生空化与空蚀,龚嘴的水流含沙量比较低,约为5 kg/m3,根据文献［2］它将促进空化的发生。空蚀与磨蚀相互促进,致使磨损达到了十分严重的程度。此外,龚嘴排沙洞存在空蚀的理由还有以下两条佐证:第一,空蚀破坏的主要特征是,无论壁面材料的强度高低和软硬程度如何,空蚀均无例外地使其破坏。龚嘴水流磨损既可以使环氧砂浆严重磨损,又可以把坚硬的河卵石切掉一半,这一现象呈现出空蚀与磨损联合作用的特征。第二,龚嘴排沙洞的磨损,主要集中在底部4～5 m范围内,由于排沙洞水深约为8 m左右,边墙上部3～4 m范围内磨损稳定,不再发展。这一方面是由于底部含沙浓度大,也可能是由于表层水流自掺气起了掺气减蚀的作用,抑制、甚至消除了空蚀破坏,切断了空蚀与磨蚀的恶性循环,从而使磨蚀不再发展。