龚嘴水电站泄洪排沙底孔磨损研究
2008-01-18 14:32:16 来源:
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电力18讯: 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<
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<
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