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四耐微晶成功破解水电工程建设瓶颈


时间:2018-11-13 16:17 来源:中国建材报  作者:吴娱 王长林 李晓




      四川凉山坪头水电站位于金沙江左岸一级支流美姑河上,是美姑河“一库五级”梯级开发规划的第五级电站。电站为引水式开发,水库总库容62万m3,调节库容9.77万m3,具有日调节能力。水库采用重力混凝土闸坝作为档水建筑物,最大坝高33m,通过一孔冲沙闸、三孔泄洪闸实施泄洪工作。由于美姑河河床比降较大(约2.7%)、河床内块石堆积较多,在汛期泄洪期间洪水挟裹块石、泥沙通过泄洪闸,对闸底板造成极大破坏力。电站运行单位曾对泄洪闸底板采用不同材料对损毁部位进行修复,均在当年再次破坏。2018年初,运行单位引进晶牛集团首创的四耐微晶对3#泄洪闸底板进行修补,经过一个汛期的过流考验,新材料试验获得成功。

     水电工程急需高强耐磨材料

      坪头水电站枢纽工程位于四川省凉山州美姑、昭觉、雷波三县交界处,为美姑河流域规划“一库五级”的最后一级电站,为低闸引水式电站。闸址位于美姑县柳洪沟口下游600m,厂址位于坪头道班附近。坪头水电站开发任务为发电,大坝采用混凝土闸坝,闸顶高程915m,最大闸高33m。

      坪头水电站工程属三等中型工程,永久性主要建筑物按3级设计,次要建筑物按4级设计。电站主要建筑物包括首部枢纽(左岸挡水坝、取水口、冲沙闸、泄洪闸及右岸挡水坝)、引水建筑物、厂区建筑物等。

      水工建筑物在高速水流作用下,脉动压力和空蚀是破坏的主要因素,如果有水流挟沙、裹石,流道的工作条件则更为恶劣,通常流道抗冲层会被快速剥离,进而影响建筑物结构安全。因此,在设计初期,三级建筑物采用高强钢板衬护(寿命约5~8年),四级建筑物采用高强抗冲磨硅粉混凝土进行防护。

      随着水工建筑物的过流,流道开始遭受水流破坏,对抗冲磨面层进行修复也成为必然。上世纪六十年代开始,科研院所对多种抗冲磨材料开始了大量研究和工程试验,发明了多种抗冲磨新材料,如树脂类、聚脲类、环氧砂浆类等,在不同的建筑物上发挥了相当的作用。但由于紊流状态下脉动压力的强大破坏力,尚没有一种材料能够在各种水流条件下广泛适用。

       坪头水电站2006年主体工程开工建设,3#泄洪闸2007年汛期开始过流。由于天然河床陡峭、狭窄且富含块石,洪峰可达达1600m3/s,洪水通过时不仅有大量泥沙,还有重达几十千克的块石被水流推移而过,对闸底板的破坏力可谓巨大。

      闸坝三级建筑物底板和边墙(1.2m高度以下)均采用高强锰钢板进行衬护,四级建筑物(闸底板斜坡段)表层采用厚度40cm硅粉混凝土(HF C40)进行防护。3#泄洪闸经过三个汛期运行,硅粉混凝土抗冲磨层被完全破坏,下部结构层钢筋裸露,运行单位对该部位进行了等强同材质修补,一个汛期后修补层被全部冲毁。截至2017年底,闸底板冲蚀深度达96cm,结构破坏严重。

      为寻求可靠材料对抗冲部位进行修补,运行单位在2014~2015年枯水期连续两年对2#泄洪闸底板(破坏程度较3#闸轻微)进行了刚性材料修补,结果均在当年前两场洪水作用下被整体剥离,试验失败。

      微晶产品破解水电工程建设瓶颈

       在接下来的考察调研过程中,坪头水电站运行单位发现,晶牛集团首创的四耐微晶及施工主要施工材料物理性能技术指标非常适用于水力发电场所。

       经过详细周密的考察与咨询,以及现场试验,水电站运行单位得知,晶牛四耐微晶产品具有多个水力发电工程建设所需材料应该具备的特性:耐磨性,四耐微晶是以氮化硅、碳化硅、石英粉为主要成分,以特殊成分材料为结合剂,通过高温氧化反应,使结构微晶化而形成的一种高强、耐磨的新材料。在耐磨、耐腐部位使用中寿命是锰钢的7~8倍,是不锈钢的15~20倍;抗冲击,四耐微晶在现场经受重达19kg坚硬块石自30m高空坠落冲击无破损。

       泄洪闸底板修复采用环氧乳液砂浆作为胶粘介质。环氧乳液砂浆具有化学性能稳定,高抗压强度且不受结构形状限制,具有补强、加固的作用。

       NJ环氧乳液是以环氧树脂为基料的聚合物乳液A组分和B组分组成,施工时将A组分和B组分按比例均匀搅拌成胶液,再配以水泥、集填料(砂子)和外加剂搅拌均均而成。

       泄洪闸底板修复采用耐磨防腐强力胶作为缝隙填充剂,依靠其高强粘接性能,将四耐微晶形成坚固整体,对于抗击紊流脉动压力起到至关重要作用。

       在施工过程中,坪头水电站对3#泄洪闸破坏深槽采用C45混凝土进行建基面修补,预留出三耐微晶耐磨材料及粘接剂厚度,在混凝土龄期达到7天后进行四耐微晶抗冲层施工;在上游起始点、钢板结合处采用预埋钢板压条以保证水流平顺,在下游收口处同样采用高强钢板设立足趾,以保证四耐微晶版不至在紊流作用下脱落,在水流最恶劣的右边墙处用高强钢板设置压条。
在混凝土建基面修复7天后,首先用环氧乳液砂浆对建基面找平至设计高程,然后铺设四耐微晶板。微晶板设有两根锚拉筋与环氧乳液砂浆形成强力牵制,微晶板之间均匀预留缝隙,再用耐磨强力胶填塞缝隙,保持5℃以上温度和养护28天即可过流泄洪。

     四耐微晶应用超过预期

      四耐微晶产品在坪头水电站的应用试验于2018年3月初进场,3月26日全面完成,2018年6月开始经历洪水考验,期间经历了1360小时泄洪,其中经历洪峰流量826m3/s。2018年10月30日,经现场确认,四耐微晶板材整体完好,微晶板无磨损,试验结果超过预期,后续试验将在1#、2#孔泄洪闸继续推进,并进一步改善抗冲耐磨施工工艺。

      四耐微晶具有施工简单、快捷的特点,其超高抗冲磨物理指标已经广泛在冶金、矿山、化工等领域得到充分验证。坪头水电站的成功使用表明,该材料在大流量、多泥沙、坚硬推移质水流中的优异表现已经超越水电水利行业采用的经典抗冲磨材料,它在破解百年水力发电泄洪冲刷瓶颈的同时,一定能为水电水利工程修补加固翻开新的一页。