挟沙水流对混凝土的冲磨机理研究及冲磨试验机研发.pdf
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1、 机械研究与应用 应用 与 试验 挟沙水流对 混凝 土的冲磨机理研究及冲磨试 验机研发 李浩平 ,李峰 ( 1 三峡 大学 机械 与材料 学院, 湖北 宜昌4 _4 3 o 0 2; 2 三峡大学 土木水 电学院 , 湖北 宜昌4 4 3 o o 2 ) 摘要: 研究了挟沙水流对混凝土的冲磨破坏机理及主要影响因素, 分析 了常用的混凝土冲磨试验方法, 提 出了旋转 喷射式冲磨试验原理, 并根据此原理研制了旋转喷射式混凝土抗冲耐磨试验机。与现有冲磨机相比较, 该试 验 机的模拟 冲刷过程 更接近混凝 土真 实工况, 并且 可 以实现不 同冲刷条件 下一 定冲刷速度 范 围内的任 意速 度 调节
2、, 冲刷速度 高, 冲磨效果好 , 能够有 效地对 不同配合 比混凝土的抗冲磨性能作 出比较。 关键词 : 挟 沙水流 ; 混凝 土 ; 冲磨机理 ; 旋转喷射 式冲磨试验机 中图分类号 : T V 3 2 ; T H 1 2 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 6 4 4 1 4 ( 2 0 1 1 ) 0 20 0 3 7一 o 4 St u d y on a br as i o n r e s i s t 【 nc e m e c ha n i s m o f c o nc r e t e o n s e di m e ntl a de n wa t e r flo w a nd
3、r o t a t i n g j e t mo d e c o n c r e t e a b r a s i o n r e s i s tan c e p e r f o r ma n c e t t ing ma c h i n e L i Ha op i n g ,L i F e n g ( 1 H u b e i 研 l a b o r a t o r y o fh y d r o e l e c t r ic m a c h i n e ry d e s i g n&m a i n t e n a n c e , T h r e e g o r g e s u n i v e r
4、 s i t y , Y i c h a n g H u b e i 4 4 3 0 0 2 , C h i n a ; 2 C o l le g e ofh y d r o e le c t r i c& e n v i r o n m e n t e n g i n e e r i n g, T h r e e g o r g e s u n i v e r s i t y , Y i c h a n g H u b e i 443 0 0 2 , C h i na ) Abs t r ac t :The a br a s i o n r e s i s t a nc e me c h a
5、n i s m a n d f a c t o r s o f c o nc r e t e a v e s t u di e d,c o mmo n c o n c r e t e ab r asi o n r e s i s t an c e pe r - f o r ma n c e t e s t m e t h o d s ave a n a l y z e d , t h e p r i n c i p l e o f r o t a t i n g j e t mo d e c o n c r e t e abr asi o n r e s i s t anc e p e r f
6、 o r manc e t e s t i s p u r - p o s ed ,a n d i n a c c o r d a n c e t I l t h i s p r i n c i p l e, t h e r o t a t i n gj e t mo d e c o n c r e t e abr a s i o n r e s i s t a n c e perfo r ma n c e t e s t i n g ma c h i n e i s d e v e l o p e d T h r o u g h c o mp a r i n g w i t h e x i
7、s t i n g t e s t i n g ma c h i n e ,t h e t e s t i n g ma c h i n e s i mu l a t i o n o f e r o s i o n p r o c e s s i s c l o s e r t o t h e r e al c o n d i t i o n,a n y s p e e d r e g u l a t i o n c a n b e a c h i e v e d u n d e r t h e d i ff e r e n t e r o s i o n c o n d i t i o n
8、s w i t h i n a c e r t a i n s pe e d r a n g e , v e r y hi s h er o s i o n s p e ed an d g o o d e r o s i o n e ffe c t ,a br a s i o n r e s i s t a n c e p e rfo r ma nc e c a n b e e ffe c t i v e l y c o mpa r e d f o r di ffe r e n t mi x pr o p o rti o n c o n c ret e Ke y w o r d s : s e
9、 d i me n t l a d e n w a t e r f l o w ;c o n c r e t e ;a b r a s i o n r e s i s t a n c e m e c h a n i s m;r o t a ti n gj e t mo d e abr a s i o n r e s i s t anc e p e rf o rm an c e t e s t i n g ma c h i n e 1前言 我国的江河水流特点之一是含沙量较大, 含沙高 速水流对水工建筑物过流面混凝 土的冲刷磨损 和气 蚀破坏是水工泄流建筑物如溢流坝、 泄洪洞( 槽) 、 泄 水闸
10、等常见的病害。尤其 当流速较高且水流 中又夹 带着悬移质或推移质时 , 建筑 物遭受 的冲磨、 气蚀就 更为严重。气蚀破坏一直是高速水力学方 面的研究 热点 , 国内外学者经过大量研究 , 提出了多种减免气 蚀破坏的措施并取得了很好的效果 , 但高速含沙水流 对水工混凝土的冲磨问题却无法避免。 含泥沙河流上水利建筑物多为混凝土结构, 其主 要失效形式之一是过流表面 由于高速含泥沙水流冲 刷磨损造成 的材料损失。由于水工混凝 土的冲磨问 题相对 比较复杂, 完全模拟实际工况下的冲磨破坏十 分困难 , 同时由于影 响因子多、 试验周期长以及试验 方法不统一等特点 , 致使 目前对水工混凝土冲磨机理
11、 及规律 、 冲磨试验方法及设备 的研究还不够深入。因 此 , 主要对水工混凝土的冲磨破坏机理及 冲磨试验方 法进行研究 , 以期获得影响混凝土冲磨能力的相关 因 素, 对探索混凝土的破坏机理和研究混凝 土冲磨实验 设备 , 以期达到寻找和配制 出更经济、 施工和易性更 好、 抗冲磨性能等耐久性更好 的抗 冲磨混凝土具有十 分重要的意义。 2 混凝土冲磨破坏机理 2 1 冲磨破坏的部位及形态特征 当挟沙水流 以较高 的速度流经泄水或排沙建筑 物时, 将造成磨蚀。磨蚀破坏主要 发生在水工 混凝 土建 筑物 的泄 流部 位 。如 大 坝 溢 流 面及 下 游 消 能 工 ( 护坦 、 趾墩、 鼻坎
12、 、 消力墩 ) 、 底 孔或隧洞 的进 口、 深 孔闸门及其后泄水段等易发生磨蚀破坏 ; 挟带悬移质 ( 北方河流) 和推移质 ( 西南山区河流 ) 河流上修建的 水工建筑物的泄洪、 排砂洞 , 水闸底板、 闸墩、 护坦、 消 力池等 , 易遭受 冲磨气蚀破坏 3 J 。冲磨和气蚀虽然 有时相伴而生 , 但是性质完全不 同, 研究 中不涉及气 项 目: 中国水利水 电科学研究院开放研究基金( I WH R K F 2 0 1 O 1 1 ) 收稿 日期 : 2 0 1 1 0 31 0 作者 简介 : 李浩平 ( 1 9 7 1一), 女 , 广东 台山人 , 副教授 , 研究方向 : 机械
13、制造 自动化。 3 7 应用与试验 机械研究与应用 蚀 ,只研究砂粒 冲磨破坏。 冲磨破坏 的形态特征 : 冲磨剥蚀一般面积较 大 , 并具有一定的连续性 。悬移质冲磨破坏表现为混 凝土的均匀磨损 , 而推移质冲磨破坏则会在其强烈输 送带处形成冲沟或冲坑 ; 冲磨剥蚀后剩余 的混凝土 仍然 比较坚硬; 冲磨剥蚀有可能诱发气蚀破坏; 冲磨和气蚀发展到一定程度, 可能诱发大面积的水力 冲刷破坏 。 所涉及到的泥沙磨损是属于磨蚀 中的液流磨粒 磨蚀, 主要研究泥沙颗粒在高速水流挟带运动时, 作 用于过流表面, 使其损坏的机理。 2 2泥沙磨损的机理 泥沙在水流中有悬移质与推移质两种存在形式 , 其对
14、水工建筑物的磨损机理也不尽相同。 悬移质泥沙以悬浮状态随水 流运动,由于颗粒 细小 , 在高速水流中往往会得到充分掺混而与水流 保持相近的运动速度 ,因此 , 悬 移质 泥沙对 过流建 筑物的磨损一般比较均匀, 磨损部位往往是整个过 流边界。从泥沙磨损 的形成过程看,含悬移质泥沙 的高速水流常常先剥离混凝土表面的砂浆层 ,然后 掏刷细骨料,待细骨料被水流 冲走 ,粗骨料裸露而 形成凹凸不平 的磨蚀坑时 ,在过 流表面会形成各种 类型的漩涡运动, 使磨损作用加剧。而磨蚀坑的加 深又进一步恶化水流条件, 加速磨损破坏进程- 4 。 可见 , 悬移质的磨损过程实际上是一个恶性循环过 程 , 在此过程
15、 中,实际上也包含 了因水流条件恶化 引起的气蚀破坏。 推移质泥沙对水 工建筑物 的磨损破坏除具有与 悬移质类似的磨损作用外, 还有颗粒以不同的轨迹 或角度碰撞、 冲击或磨削过流面, 其磨损破坏作用的 大小取决于流速、 流态、 推移质数量、 粒径、 硬度、 运动 方式等多方面因素的影响, 还与过流时间、 建筑物体 型、 材料的抗冲耐磨性能有关。由于重力作用的影 响, 推移质对水工建筑物的磨损破坏往往 以底边界 为甚。 2 3 泥沙磨损的影响因素 推移质及悬移质磨损, 都同时存在着沙粒微切削 和冲击变形磨损 总磨损量由这两种磨损量的叠加而 成。主要对悬移质泥沙磨损的影响因素进行分析。 悬移质泥沙
16、对水工建筑物边壁 的磨蚀作用取决 于水力因素与泥沙因素。前者包括水流流速、 过流历 时、 水流掺气、 流态等; 后者包括泥沙含量、 颗粒级配、 形状 、 矿物质含量及硬度、 建筑物边壁材料 的抗磨性 能等 。一般认为 ,悬移质泥沙磨损深度与下列 因子 呈 比例关系: o c K S D“ ( 1 ) 3 8 式中: 6为泥沙磨损深度 , m m; 5为含沙量 , k g m 。 ; V 为过流流速 , m s ; D为泥沙粒径 , n u n ; 为过流历时, h ; R为混凝土强度; K为系数 , 反映泥沙颗粒特性包 括级配、 形状、 比重、 硬矿物含量及硬度等的影响。泥 沙颗粒棱角尖利者
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