挟沙水流对混凝土的冲磨机理研究及冲磨试验机研发.pdf

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 ， 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 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 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 an 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 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 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 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 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 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 、 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 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 ， 磨损作用较强。一般认为 ， 圆球 形 、 棱角形、 尖角形 的泥沙磨损能力之 比为 1 ： 2 ： 3 。 另外 ， 泥沙中硬矿物成分越多 ， 硬度越大 ， 对过水边 壁的磨损也越严重。 根据前人的研究成果 ， 式 中各参数 的大小为 ：m =0 7 1 0，r ,=2 7 3 2，P = 一 1 1 0 5， = =1 0 。可见 ， 在影响泥沙磨 损深度的因素中，以过流流 速的影响最为显著 ， 大约为 3次方关系； 而在相 同的 材料强度条件下 ， 泥沙磨损强度与含沙量、 颗粒粒径 及过流历时成线形关系。 3 混凝土冲磨试验方法 目前 ， 混凝土材料磨损试验研究工作 中所采用 的 试验研究方法主要有以下几种。 ( 1 )气流挟沙喷射法 以压缩空气为动力、 造成 高速挟沙气流对试件的冲磨。美国规定此法为混凝 土抗磨性的标准试验方法。按试件的磨蚀情况来相 对评定材料的抗磨性。 ( 2 )高速挟沙水 流喷射法在二元文杜里空蚀 试验设备中， 利用浑水循环系统( 可调节含沙量) ， 对 安装在矩形工作段处的试件进行冲磨试验， 流速可达 2 5 3 0 m s ， 甚至更大。 ( 3 )含沙水流转动磨损法( 圆环冲磨仪 ) 在圆 环形试件 内放置磨损介质沙和水， 电动机带动一个金 属叶轮在圆环形试件 内转动， 使含沙水流产生线速度 和离心力 ， 从而使环形试件的内表面受到磨 损 ， 以试 件的磨损失重来评价材料 的抗冲磨性能。我 国原水 利电力部颁发 的 水工混凝土试验规程( S D 1 0 5 8 2 ) 列入该形式的混凝土抗含砂水流冲磨试验仪的 结构及作用原理。 ( 4 ) 现场模拟高速含沙水流冲磨试验法 长江 水利水电科学研究院在丹江口工程大坝的7号坝段 建成了我国第一个高速挟沙水 流试验基地 。试验场 包括引水管路系统( 利用预埋在坝内的 O 5 0 0 mm引 水钢管) 、 循环加沙系统 ( 包括沙的 回收和再利用) 、 试件安装槽及试验参数的监测系统 。由于高速挟沙 水流的流态及对试件表面的作用与材料在实际工作 时的状态较相似， 因此试验成果有较好的规律性 ， 模 拟性能与精度也较高， 不仅解决了工程的抗冲耐磨混 凝土设计的实际问题， 也为研究混凝土和其它材料的 耐磨性能积累了大量资料， 但也存在最大流速仅可达 到 2 0 m s 的局限性 问题。 ( 5 )水下钢球磨损法利用水携带磨粒( 以钢 机械研 究与应 用 球为冲磨介质) 向试件扫射 ， 用来研究在推移质作用 下的混凝土的抗冲磨性能。 4 旋转 喷射式 混凝土冲磨试验机设计 研究结果表明 ， ? 昆 凝土表面的磨损率主要与水流 速度、 含沙率、 沙石颗粒形状 、 粒径 、 硬度等多种 因素 有关 ， 过流流速的影响最为显著。因此 ， 在混凝土冲 磨试验机研制中， 要充分考虑到这些影 响因素 ， 尤其 要考虑过流流速的大小及变化范围， 使冲磨试验尽可 能模拟实际混凝土建筑物受冲刷工况 ， 能获取相对真 实 的冲磨数据 ， 为提高混凝土抗冲耐磨性能的研究提 供真实依据 。 4 1 混凝土冲磨试验原理 常用的材料磨损失重对 比试验 的室内试验方法 是利用空气或水携带磨粒( 一般为砂粒或钢球 ) 向试 件扫射 ， 从而检验材料的抗磨性。 目前抗冲耐磨试验 机常用 的试验原理有旋转射流式和旋转喷射式两种。 4 1 1 常用的混凝土冲磨试验机原理 目前 国内水工实验室普遍使用 的是采用旋 转射 流式试验原理 的混凝土冲磨试验机 ， 即含沙水流转动 磨损法( 圆环冲磨仪) 。原理如图 1所示。它的工 作原理是用螺旋轴 ( 或水泵) 将含砂水提升起来 ， 然 后通过高速旋转的冲刷 叶片带动将 水砂 以一定的速 度和压力扫射到 四周 固定好 的混凝 土试件表面使试 件受冲磨 ， 以达到模拟混凝土建筑物实 际冲刷状 况， 检验混凝土材料抗冲磨能力的试验 目的。 图 2为国内某水工 实验室 的旋转射流式 冲磨机 工作部分结构图。本装置采用的是机械传动方式 ， 结 构简单 ， 但是 冲刷方 向不易确定 ， 冲刷速度 只能进行 有级调速 ， 不能获得所需要 的任意速度 ， 且受 电机转 速和性 能的限制 ， 速 度较低 ， 一般只能 达到 2 0 m s 、 3 0 m s ， 最高 4 0 m s ， 调速范围狭窄。 图 1 旋转射流式 冲磨试验装置原理 图 4 1 2 旋转喷射式冲磨机试验原理 经过分析 比较 ， 该设计决定对采用旋转喷射式试 验原理 ， 该原理将高速挟沙水流喷射法和含沙水流转 动磨损法结合起来。根据该原理设计 的旋转喷射式 混凝土试验用冲磨机试验原理 ， 如图 3 所示。将试件 固定在一个可 以旋转的圆盘上 ， 通过喷嘴以一定速度 应用与试验 喷射含砂水流 ， 扫射 到混凝土试件表 面使试件受损 ， 达到检验混凝土材料抗冲磨能力的目的。 桶 图2 某实验室的旋转射流式冲磨机工作部分结构图 设计 中， 试件受冲刷的速度即试件表面承受的相 对水流速度是 由喷嘴喷射速度 和试件旋转 速度共 同 决定的， 为两者的矢量和。即： 刷 = 射 + 转 喷嘴喷射速度 射 和试件旋转速度 转均可调 节 ， 且喷嘴喷射速度通过调节水压可实现无级调速 ， 所以本试验机的试验速度 剧 可实现无级调速。同 时 ， 该装置冲刷速度大 ， 调速范 围大 ， 可 以达 到 l 0 9 0ms 。 图 3 旋 转喷射式冲磨试验装置原理图 4 2 喷射式混凝土冲磨机总体结构设计 初步设计完成 的喷射式混凝 土冲磨机 ( 以下简 称本机) 总体结构 由液压喷射系统 、 试件旋转传动系 统 、 箱体支撑系统三部分组成 。 液压喷射系统是完成试件喷射 冲击的主要部分 包括 ： 水泵、 浑水箱 、 流量计、 控制阀、 管道 、 喷射头等 ， 结构如图 4所示。喷射系统 主要通过喷射含砂水流 对试件进行 喷射 冲击 ， 可进行冲刷速度 的小范 围调 节 ， 为了保证适当的冲刷速度和冲击力， 一般 采用喷 射速度在 1 0 3 0 m s 范围内可调。喷射系统 动力采 用浑水水泵 ， 速度和压力调节通过节流阀控制 ， 喷射 速度可通过流量和喷头 口径计算得出 ， 进而通过控制 水 的流量达到调节喷射速度的 目的。 39 应用 与 试验 机械研究与应 用 图 4 液压喷射系统结构示意图 试件旋转传动系统包括电动机、 机械传动部分 、 试件托盘等部分 。该部分主要用于试验机试件的旋 转传动， 也就是进行主速度的传递与调节， 因而对其 传动速度和速度调节要求都 比较高。机械传动系统 为该试验装置托盘速度主调节部分 ， 传动采用电机通 过联轴器直接传递给托盘轴的形式。通过调节电机 的输出速度就可以在一定范围内对试件的旋转速度 进行调节。设计确定试件受冲刷面在从外表面向内 3 0 ra m处( 参考 S L T 1 9 1 9 6 水工钢筋泥凝土结构设 计规范， 标准混凝土试块为 1 5 0 m m立方体) ， 最大线 速度 6 0 m s 。 箱体支撑系统包括支撑箱体、 喷射箱、 浑水箱等 三大部分。主要用于支撑和包容机械传动系统、 喷射 系统、 水砂浑水系统等部分 。冲磨机的整体装 配结构 及箱体结构， 如图5 所示。含砂高速水流冲磨混凝土 试件时将产生大量热量 ， 因此在浑水箱底部设置循环 冷却水管， 冷却水由制冷装置产生， 用水泵经水管送 人浑水箱 内， 再送 回冷却箱 ， 形 成冷却水循环系统。 含砂水中的大部分热量通过循环冷却水带走， 保证喷 射腔温度控制在4 0 以下， 有效减少了热磨蚀的干 扰 ， 确保试验顺利进行。 屯 箱 图5 冲磨机整体装配示意图 5 结语 研究表 明， 混凝土的磨损率主要与水流速度、 含 沙率、 沙石颗粒形状、 粒径、 硬度等多种因素有关 ， 充 分考虑到这些因素的影响下， 设计 了混凝土喷射式冲 磨试验机。与传统冲磨试验装置相 比， 试验机调速范 围大 ， 冲刷速度高， 模拟冲刷过程更真实 ， 能够有效地 对不同冲刷速度、 不同沙石类型的不同骨料混凝土进 行抗冲磨性能试验， 试验效率高。 参考文献 ： 1 黄细彬 高速含沙掺气水流及磨蚀机理的研究 D 南京： 河海 大学 ， 2 0 0 1 2 杨春光。 水工混凝土抗冲磨机理及特性的研究 D 威阳： 西北 农林科技大学， 2 0 0 6 3 白福来， 李亚杰， 傅智 高速挟沙永流对水工建筑物的磨损机 理及估算 J 人民黄河 ， 1 9 8 7 ( 1 ) ： 1 9 2 2 4 孙双科， 周胜 ， 时启燧 三峡水利枢纽泄洪深孔的泥沙磨损 问题探析 J 水利学报 ， 2 0 0 1 ( 7 ) ： 7 3 7 8 5 】 田军涛 ， 姜福田 高速水 流冲刷仪 的研制和混 凝土 冲磨机理 的 研究 J 中国水利水电科学研究院学报， 2 O O 6 ( 6 ) ： 1 2 3 1 2 7 ( 上接 第 3 0页J ( 3 )当对链传动系统施加单侧激励时， 链条在其 各阶固有频率处发 生共振 ； 当施加双侧 同相位激励 时， 链条在其奇数阶固有频率处发生共振； 当施加双 侧相反相位激励时， 链条在其偶数阶固有频率处发生 共振。 参考文献 ： 1 M a h a l i n g a m s T r a n s v e r s e v i b r a ti o n o f p o w e r t ra n s m i s s i o n c h a i n s J B r i ti s h j o u r n a l o f a p p l l e d p h y s i c s 1 9 5 7 ( 8 ) ： 1 4 5 1 4 8 2 B i n d e r R C M e c h a n i c s 0 f t h e r o l l e r c h a i n d r i v e M E n g 【c n o o d 4 0 c l iffs，N J： P r e n ti c e Ha l l 。 1 9 5 6 3 T s u j i o k a Y S t r a n d v i b r a t i o n o f ro l l e r c h ai n J T r a n s a t i o n s o f J S ME， 1 9 7 6 ， 4 2 ( 3 5 6 )： 1 0 8 7 1 0 9 5 4 J S h i mi z u H， S u e o k a A N o n l i n e a r f o r c e d vi b r a ti o n o f r o l l e r c h a i n J B u l l e t i n o f J S ME， 1 9 7 5， 1 8 ( 1 2 4 ) ： 1 0 9 01 1 0 0 5 张广义， 王义行 滚子链传动的横向振动 J 吉林工业大学学 报 ， 1 9 8 3 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 5 71 6 3 6 Z h a n g W M A n a n a l y s i s o n v i b rat i o n 0 f mo v i n g s i l e n t c h a i n m u l ti b o d y d y n a mi c s A I n ： A S r d E I n t e r n a t i o n a l d e s i g n e n gieeri n g te c h n i c a l e o l l f e r e n e e s a n d c o mp u t e r s a n d i n f o r ma tio n i n e n g i n e e rin g c o n f c ro n c b 3 L o n g B e a c h ， C a l i f o rni a U S A 2 0 0 5 c N e w Y o r k ： AS ME c 2 0 0 5