CN113323029A - 水工建筑物防空蚀装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水工建筑物防空蚀装置及施工方法，防空蚀装置包括预埋在混凝土中的固定框架，固定框架与承载层连接，防空蚀面板与承载层固定连接。防空蚀面板为抗空蚀合金材料，包括不锈钢材料或钛合金材料。或者防空蚀面板为橡胶材料。在衬砌台车的模板上粘贴双面胶，将防空蚀装置的防空蚀面板通过双面胶与模板粘接连接；将下一榀的衬砌台车与当前榀的衬砌台车连接，重复上述步骤，安装端头模板，浇筑混凝土，混凝土振捣密实；混凝土养护达到龄期后，拆模；通过以上步骤实现变截面段的防空蚀装置施工。通过在易出现空蚀破坏的过流部位上采用专用的防空蚀面板，减小发生空化的可能性并能够在发生空化时最大程度的减轻空蚀破坏。

Description

水工建筑物防空蚀装置及施工方法

技术领域

本发明涉及水工隧道防空蚀领域，特别是一种水工建筑物防空蚀装置及施工方法。

背景技术

在流动的液体中，由于某种原因局部区域的压力突然下降到低于该区域的液体温度所对应的蒸汽压力时，部分液体蒸发，溶解在液体中的气体逸出，并在液体流中形成空化泡的过程，称为空化。空化泡随液流进入压力较高的区域时，外界条件的骤然变化使得空化泡溃灭，原空化泡周围的液体运动使局部区域的压力骤增。如果液流中不断形成、长大的空化泡在固体壁面附近频频溃灭，壁面就会遭受巨大压力的反复冲击，经发明人研究，在空化泡破裂的过程中会产生高速射流进入到材料内部，从而引起材料的疲劳破坏甚至表面剥蚀，称为空蚀。在高流速大流量的泄水建筑物设计和运行管理中，空化与空蚀是研究、设计和运行管理人员重点关注的关键问题之一。空蚀是大型水利水电工程中最常见的破坏方式之一。国内外大量的高、中水头水利水电工程的泄水建筑物中，经常会在一些过流部位出现空蚀破坏的情况。空蚀破坏将直接影响水利水电工程中建筑物正常使用及使用寿命，甚至使整个建筑物发生事故，造成极大的生命财产安全，所以空化与空蚀问题一直是水利工程领域研究的重点和难点。目前尚未见较好的解决方案。一种思路是在混凝土中添加一些特殊材料来提高抗冲磨效果，例如中国专利文献CN100396638C一种混凝土添加剂及其制备方法与应用该添加剂的混凝土中记载的方案，该方案虽然能提高耐空蚀效果，但是仍难以避免空蚀损坏，而且混凝土材质不同也容易发生开裂的问题。

发明人拟在易发生空化与空蚀问题的过流位置设置防空蚀面板，但是要使阵列布置的防空蚀面板平整也是施工难度较大的问题。而不平整的防空蚀面板反而会加剧空化与空蚀问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种水工建筑物防空蚀装置，能够解决水工隧道的空蚀问题，有效防护水工隧道内壁的空蚀破坏，大幅延长水工隧道内壁的使用寿命。优选的方案中，还便于后期维护。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种水工建筑物防空蚀装置的施工方法，能够确保防空蚀面板平整，施工效率高。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种水工建筑物防空蚀装置，防空蚀装置包括预埋在混凝土中的固定框架，固定框架与承载层连接，防空蚀面板与承载层固定连接。

优选的方案中，所述的防空蚀面板为抗空蚀合金材料，包括不锈钢材料或钛合金材料。

优选的方案中，所述的防空蚀面板为橡胶材料。

优选的方案中，防空蚀面板通过连接层与承载层连接，连接层为粘合剂，承载层为具有弹性的高分子材料或铝合金材料。

优选的方案中，承载层通过咬合槽与固定框架连接，固定框架通过连接筋与衬砌钢筋网连接。

优选的方案中，所述的咬合槽为燕尾槽。

优选的方案中，所述的防空蚀装置设置在水工隧道的变截面段，防空蚀装置沿着变截面段的内壁阵列布置；

在相邻的防空蚀装置的防空蚀面板的下游设有搭接斜面，搭接斜面的顶部向下游延伸，搭接斜面的底部向上游延伸。

优选的方案中，位于最下方一行的防空蚀装置的承载层与固定框架之间通过的陈列的螺钉连接，其他位置的承载层通过咬合槽与固定框架连接。

一种上述的水工建筑物防空蚀装置的施工方法，包括以下步骤：

S1、在变截面段选一单榀的衬砌台车，将衬砌台车按预设的轮廓形状将模板立模；

S2、在衬砌台车的模板上粘贴双面胶，将防空蚀装置的防空蚀面板通过双面胶与模板粘接连接；

S3、将防空蚀装置的固定框架通过连接筋与二衬的钢筋网固定连接；

S4、将下一榀的衬砌台车与当前榀的衬砌台车连接，重复步骤S1~S3，直至完成整个变截面段的防空蚀装置设置；

S5、安装端头模板，浇筑混凝土，混凝土振捣密实；

S6、混凝土养护达到龄期后，拆模；

通过以上步骤实现变截面段的防空蚀装置施工。

优选的方案中，衬砌台车的模板从上到下为多段结构，安装防空蚀装置时，从底部向顶部安装；

在安装防空蚀装置时，在双面胶内埋设钢丝，钢丝沿着变截面段的轴线方向布置，用于在拆模时割开双面胶。

本发明提供了一种水工建筑物防空蚀装置及施工方法，能够适用于不同类型的泄水建筑物过流部位，通过在易出现空蚀破坏的过流部位上采用专用的防空蚀面板，减小发生空化的可能性并能够在发生空化时最大程度的减轻空蚀破坏，保护水工隧道的内壁，尤其是易发生空化空蚀的变截面段。本发明采用拼装的结构，施工难度低，可靠性高，便于批量化加工和生产，也便于运输以及后期的维护。

附图说明

下面结合附图和实施例作进一步说明。

图1为本发明施工时的俯视图。

图2为本发明施工时的主视图。

图3为本发明施工时水工隧道的局部立面图。

图4为本发明的防空蚀装置的局部截面视图。

图5为本发明中固定框架的优选结构示意图。

图6为本发明实验例中对照侧的空化图像。

图7为本发明实验例2中对照侧的空蚀表面图像。

图8为本发明实验例2中实验侧的表面图像。

图中：变截面段1，水工隧道2，端头模板3，模板4，防空蚀装置5，防空蚀面板501，搭接斜面502，连接层503，固定框架504，连接筋505，承载层506，咬合槽507，连接螺钉508，衬砌台车6。

具体实施方式

实施例1：

如图1、3、4中，一种水工建筑物防空蚀装置，防空蚀装置5包括预埋在混凝土中的固定框架504，固定框架504与承载层506连接，防空蚀面板501与承载层506固定连接。由此结构，使防空蚀面板501被可靠的固定在水工隧道2的内壁，以减轻该位置的空蚀破坏。

优选的方案如图4中，所述的防空蚀面板501为抗空蚀合金材料，包括不锈钢材料或钛合金材料。当过流流速低于14m/s。例如当过流流速为8m/s时，采用光滑平整无缺陷抗空蚀合金材料，本例中优选采用钛合金材料。承载层506则采用具有一定弹性的高分子材料。例如超高分子量聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等材料。

优选的方案如图4中，所述的防空蚀面板501为橡胶材料，优选的弹性模量为50MPa。当过流流速高于14m/s时，采用光滑平整无缺陷的橡胶材料，承载层506则采用具有一定弹性的高分子材料。例如超高分子量聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等材料。

优选的方案如图4中，防空蚀面板501通过连接层503与承载层506连接，连接层503为粘合剂，承载层506为具有弹性的高分子材料或铝合金材料。连接层503优选采用AB胶或聚乙烯胶水。

优选的方案如图4中，承载层506通过咬合槽507与固定框架504连接，固定框架504通过连接筋505与衬砌钢筋网连接。衬砌钢筋网是指水工隧道2在二衬混凝土中预埋的钢筋网。

优选的方案如图4中，所述的咬合槽507为燕尾槽。由此结构，便于后期维护。优选的方案如图5中，咬合槽507为断续的结构，咬合槽507断开位置的长度大于连接位置的长度，以便于承载层506仅需沿竖直布置的咬合槽507滑动较小的距离，即可取出整个承载层506，以减少维护工作的工作强度。

优选的方案如图1中，所述的防空蚀装置5设置在水工隧道2的变截面段1，防空蚀装置5沿着变截面段1的内壁阵列布置；经发明人研究，空化发生较为剧烈的位置，主要在由大截面段进入小截面段的位置，由于流速变化生产大量的空泡结构。因此将防空蚀装置5以阵列布置的方式设置在变截面段1的内壁。

如图3、4中，在相邻的防空蚀装置5的防空蚀面板501的下游设有搭接斜面502，搭接斜面502的顶部向下游延伸，搭接斜面502的底部向上游延伸。由此结构，在上下游相邻的防空蚀面板501之间形成顺流向的搭接缝，避免因直缝结构更容易产生空泡。

优选的方案如图3中，位于最下方一行的防空蚀装置5的承载层506与固定框架504之间通过的陈列的螺钉连接，其他位置的承载层506通过咬合槽507与固定框架504连接。

由此结构，当需要维护时，可以先拆下最下方一行的防空蚀装置5，然后将上方各行的承载层506从咬合槽507脱离即可。

实施例2：

如图1、2中，一种上述的水工建筑物防空蚀装置的施工方法，包括以下步骤：

S1、在变截面段1选一单榀的衬砌台车6，将衬砌台车6按预设水工隧道2内壁的轮廓形状将模板4立模；

S2、在衬砌台车6的模板上粘贴双面胶，将防空蚀装置5的防空蚀面板501通过双面胶与模板粘接连接；优选的方案中，在安装防空蚀装置5时，在双面胶内埋设钢丝，钢丝沿着变截面段1的轴线方向布置，用于在拆模时利用钢丝割开双面胶，以便于拆模。

S3、将防空蚀装置5的固定框架504通过连接筋505与二衬的钢筋网固定连接；连接方式为焊接连接或者绑扎连接。具体为，在固定框架504背面设有多个连接座，连接座上设有螺纹，连接筋505的一端通过螺纹固定安装在连接座上。连接筋505的另一端与二衬的钢筋网焊接或者绑扎连接，通常位于固定框架504中间位置的连接筋505点焊连接，而位于边缘位置的连接筋505采用绑扎连接。以便于操作。

S4、将下一榀的衬砌台车6与当前榀的衬砌台车6连接，重复步骤S1~S3，直至完成整个变截面段1的防空蚀装置5设置；采用各榀的衬砌台车6分别固定的方案，便于防空蚀装置5与二衬的钢筋网连接。各榀的衬砌台车6可以采用例如挖掘机、卷扬机、电动葫芦等设备进行牵引移动。

S5、安装端头模板3，浇筑混凝土，混凝土振捣密实；优选的，优选的方案中，衬砌台车6的模板从上到下为多段结构，安装防空蚀装置5时，从底部向顶部安装；可以采用从上到下分层安装防空蚀装置5，分层浇筑施工、分层振捣的方案，以提高浇筑质量。

S6、混凝土养护达到龄期后，拆模，拆模时，沿着模板的轮廓拉动钢丝，将不干胶割开，以便于模板4缩回；

通过以上步骤实现变截面段1的防空蚀装置5施工。

本发明根据需要防护的基层材质、过流特性，骨架层、防护层材料类型有不同的组合方式，可根据场景需求灵活搭配组合，达到更优的防护效果。

与对比文件CN 107587968 B相比，本发明与混凝土的基底结合更牢固，防空蚀面板501材料类型可根据场景需求进行选择；当防护层材料老化或损坏时不需要全部替换，仅需更新受损承载层506和防空蚀面板501。

与对比文件CN 202895813 U相比，本发明模块化阵列布置结构对基层材质、粗糙度等要求宽松，过流部位无需预处理。

与对比文件CN 107605874 B相比，本发明在防护空蚀的原理更具优势。对比文件提出微凹槽中含有空气而形成气膜用于抗空蚀的气膜层。根据空化的原理可知，微凹槽中含有的气核会使空化加剧，同时微凹槽增大了表面不平整度，亦会使空化加剧，因此该结构表面层的防护空蚀效果非常有限。本发明中防护层光滑平整无缺陷，从原理上降低了发生空化的可能性，具有更佳的防护空蚀效果。

实验例1：

在过流流速为8m/s的变截面段1的过流断面一侧，作为实验侧，安装阵列布置的防空蚀装置5，防空蚀面板501采用钛合金材料，承载层506采用具有一定弹性的高分子材料；另一侧为具有一定粗糙度的混凝土原始过流断面，作为对照侧。使用水听器和高速摄像机分别监测两侧的空化初生及发展情况，如图6中所示，当对照侧监测到空化出现时，实验侧未发生空化。

实验例2：

在过流流速为14m/s的变截面段1的过流断面一侧，作为实验侧，安装阵列布置的防空蚀装置5，防空蚀面板501采用光滑平整无缺陷的抗空蚀弹性橡胶材料，厚度16mm，弹性模量50MPa，承载层506采用铝合金材料。经过一定时长的水流冲击，对照侧表面观察到凹坑或孔洞，即出现明显空蚀破坏特征，实验侧表面无明显变化，未出现空蚀破坏。参见图7、8。图7中采用铝合金材料，在表面可见大量的空蚀结构。图8采用橡胶材料，表面无空蚀。

由此上述的实验例，证明本发明能够用于抑制不同流速下的空化或减轻空蚀破坏，非常有效地实现防护空蚀的作用，从而保护水工隧道2的关键过流部位。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水工建筑物防空蚀装置，其特征是：防空蚀装置（5）包括预埋在混凝土中的固定框架（504），固定框架（504）与承载层（506）连接，防空蚀面板（501）与承载层（506）固定连接。

2.根据权利要求1所述一种水工建筑物防空蚀装置，其特征是：所述的防空蚀面板（501）为抗空蚀合金材料，包括不锈钢材料或钛合金材料。

3.根据权利要求1所述一种水工建筑物防空蚀装置，其特征是：所述的防空蚀面板（501）为橡胶材料。

4.根据权利要求1~3任一项所述一种水工建筑物防空蚀装置，其特征是：防空蚀面板（501）通过连接层（503）与承载层（506）连接，连接层（503）为粘合剂，承载层（506）为具有弹性的高分子材料或铝合金材料。

5.根据权利要求4所述一种水工建筑物防空蚀装置，其特征是：承载层（506）通过咬合槽（507）与固定框架（504）连接，固定框架（504）通过连接筋（505）与衬砌钢筋网连接。

6.根据权利要求5所述一种水工建筑物防空蚀装置，其特征是：所述的咬合槽（507）为燕尾槽。

7.根据权利要求1~3、5~6任一项所述一种水工建筑物防空蚀装置，其特征是：所述的防空蚀装置（5）设置在水工隧道（2）的变截面段（1），防空蚀装置（5）沿着变截面段（1）的内壁阵列布置；

在相邻的防空蚀装置（5）的防空蚀面板（501）的下游设有搭接斜面（502），搭接斜面（502）的顶部向下游延伸，搭接斜面（502）的底部向上游延伸。

8.根据权利要求7所述一种水工建筑物防空蚀装置，其特征是：位于最下方一行的防空蚀装置（5）的承载层（506）与固定框架（504）之间通过的陈列的螺钉连接，其他位置的承载层（506）通过咬合槽（507）与固定框架（504）连接。

9.一种权利要求1~8任一项所述的水工建筑物防空蚀装置的施工方法，其特征是包括以下步骤：

S1、在变截面段（1）选一单榀的衬砌台车（6），将衬砌台车（6）按预设的轮廓形状将模板（4）立模；

S2、在衬砌台车（6）的模板上粘贴双面胶，将防空蚀装置（5）的防空蚀面板（501）通过双面胶与模板粘接连接；

S3、将防空蚀装置（5）的固定框架（504）通过连接筋（505）与二衬的钢筋网固定连接；

S4、将下一榀的衬砌台车（6）与当前榀的衬砌台车（6）连接，重复步骤S1~S3，直至完成整个变截面段（1）的防空蚀装置（5）设置；

S5、安装端头模板（3），浇筑混凝土，混凝土振捣密实；

S6、混凝土养护达到龄期后，拆模；

通过以上步骤实现变截面段（1）的防空蚀装置（5）施工。

10.根据权利要求9所述一种水工建筑物防空蚀装置的施工方法，其特征是：衬砌台车（6）的模板从上到下为多段结构，安装防空蚀装置（5）时，从底部向顶部安装；

在安装防空蚀装置（5）时，在双面胶内埋设钢丝，钢丝沿着变截面段（1）的轴线方向布置，用于在拆模时割开双面胶。

Images