三耐微晶在水力发电泄洪中的成功应用

1 工程概况

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。

                   图1 坪头水电站首部枢纽平面布置图

                   图2  坪头水电站3^#泄洪闸剖面图 （试验部位为HF抗冲磨斜坡段）

2水工建筑物流道破坏及防护措施

水工建筑物流在高速水流作用下，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，从大学到科研单位对多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。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。

3 坪头水电站泄洪闸破坏及修复

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，还有重达几十公斤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。截止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。

                   图3   2^#泄洪闸破坏现状

4  三耐微晶及施工主要施工材料物理性能技术指标

4.1三耐微晶产品特性

（1）耐磨性

三耐微晶是以氮化硅、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。

（2）抗冲击

三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。

表1    三耐微晶主要技术参数

4.2环氧乳液砂浆

    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组份和B组份组成，施工时将A组份和B组份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。

表2    环氧乳液砂浆基本性能

4.3耐磨防腐强力胶（微晶板材钢结构粘接专用胶）

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，将三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。

表3    耐磨防腐强力胶要技术参数

5  坪头水电站抗冲耐磨设计要点及三耐微晶施工

5.1设计要点

    （1）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天后进行三耐微晶抗冲层施工。

    （2）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，以保证三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。

5.2三耐微晶施工

    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，然后铺设三耐微晶板。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。

            图4 2017年底3^#闸底板破坏原状                      图5  2018年10月三耐微晶抗冲磨层现状

6  试验效果评价

    本试验于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，三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。

7 结  语

    三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。

参考文献：xxxx

作者简介：

吴娱（1964—）湖南湘乡人，高级工程师，从事水电水利勘测设计、水电站建设和运行管理工作；

王长林（1955.2—）高级工程师，中国《工业微晶板材标准》编制人，享受国务院特殊津贴；

李晓峰（1972—）工程师，国家微晶粘结剂专利发明人。