四耐微晶成功破解水電工程建設瓶頸

      四川涼山坪頭水電站位于金沙江左岸一級支流美姑河上，是美姑河“一庫五級”梯級開發規劃的第五級電站。電站為引水式開發，水庫總庫容62萬m3，調節庫容9.77萬m3，具有日調節能力。水庫采用重力混凝土閘壩作為檔水建筑物，最大壩高33m，通過一孔沖沙閘、三孔泄洪閘實施泄洪工作。由于美姑河河床比降較大（約2.7%）、河床內塊石堆積較多，在汛期泄洪期間洪水挾裹塊石、泥沙通過泄洪閘，對閘底板造成極大破壞力。電站運行單位曾對泄洪閘底板采用不同材料對損毀部位進行修復，均在當年再次破壞。2018年初，運行單位引進晶牛集團研發的四耐微晶對3#泄洪閘底板進行修補，經過一個汛期的過流考驗，新材料試驗獲得成功。

     水電工程急需高強耐磨材料

      坪頭水電站樞紐工程位于四川省涼山州美姑、昭覺、雷波三縣交界處，為美姑河流域規劃“一庫五級”的最后一級電站，為低閘引水式電站。閘址位于美姑縣柳洪溝口下游600m，廠址位于坪頭道班附近。坪頭水電站開發任務為發電，大壩采用混凝土閘壩，閘頂高程915m，最大閘高33m。

      坪頭水電站工程屬三等中型工程，永久性主要建筑物按3級設計，次要建筑物按4級設計。電站主要建筑物包括首部樞紐（左岸擋水壩、取水口、沖沙閘、泄洪閘及右岸擋水壩）、引水建筑物、廠區建筑物等。

      水工建筑物在高速水流作用下，脈動壓力和空蝕是破壞的主要因素，如果有水流挾沙、裹石，流道的工作條件則更為惡劣，通常流道抗沖層會被快速剝離，進而影響建筑物結構安全。因此，在設計初期，三級建筑物采用高強鋼板襯護（壽命約5~8年），四級建筑物采用高強抗沖磨硅粉混凝土進行防護。

      隨著水工建筑物的過流，流道開始遭受水流破壞，對抗沖磨面層進行修復也成為必然。上世紀六十年代開始，科研院所對多種抗沖磨材料開始了大量研究和工程試驗，發明了多種抗沖磨新材料，如樹脂類、聚脲類、環氧砂漿類等，在不同的建筑物上發揮了相當的作用。但由于紊流狀態下脈動壓力的強大破壞力，尚沒有一種材料能夠在各種水流條件下廣泛適用。

       坪頭水電站2006年主體工程開工建設，3#泄洪閘2007年汛期開始過流。由于天然河床陡峭、狹窄且富含塊石，洪峰可達達1600m3/s，洪水通過時不僅有大量泥沙，還有重達幾十千克的塊石被水流推移而過，對閘底板的破壞力可謂巨大。

      閘壩三級建筑物底板和邊墻（1.2m高度以下）均采用高強錳鋼板進行襯護，四級建筑物（閘底板斜坡段）表層采用厚度40cm硅粉混凝土（HF C40）進行防護。3#泄洪閘經過三個汛期運行，硅粉混凝土抗沖磨層被完全破壞，下部結構層鋼筋裸露，運行單位對該部位進行了等強同材質修補，一個汛期后修補層被全部沖毀。截至2017年底，閘底板沖蝕深度達96cm，結構破壞嚴重。

      為尋求可靠材料對抗沖部位進行修補，運行單位在2014~2015年枯水期連續兩年對2#泄洪閘底板（破壞程度較3#閘輕微）進行了剛性材料修補，結果均在當年前兩場洪水作用下被整體剝離，試驗失敗。

      微晶產品破解水電工程建設瓶頸

       在接下來的考察調研過程中，坪頭水電站運行單位發現，晶牛集團研發的四耐微晶及施工主要施工材料物理性能技術指標非常適用于水力發電場所。

       經過詳細周密的考察與咨詢，以及現場試驗，水電站運行單位得知，晶牛四耐微晶產品具有多個水力發電工程建設所需材料應該具備的特性：耐磨性，四耐微晶是以氮化硅、碳化硅、石英粉為主要成分，以特殊成分材料為結合劑，通過高溫氧化反應，使結構微晶化而形成的一種高強、耐磨的新材料。在耐磨、耐腐部位使用中壽命是錳鋼的7~8倍，是不銹鋼的15~20倍；抗沖擊，四耐微晶在現場經受重達19kg堅硬塊石自30m高空墜落沖擊無破損。

       泄洪閘底板修復采用環氧乳液砂漿作為膠粘介質。環氧乳液砂漿具有化學性能穩定，高抗壓強度且不受結構形狀限制，具有補強、加固的作用。

       NJ環氧乳液是以環氧樹脂為基料的聚合物乳液A組分和B組分組成，施工時將A組分和B組分按比例均勻攪拌成膠液，再配以水泥、集填料（砂子）和外加劑攪拌均均而成。

       泄洪閘底板修復采用耐磨防腐強力膠作為縫隙填充劑，依靠其高強粘接性能，將四耐微晶形成堅固整體，對于抗擊紊流脈動壓力起到至關重要作用。

       在施工過程中，坪頭水電站對3#泄洪閘破壞深槽采用C45混凝土進行建基面修補，預留出三耐微晶耐磨材料及粘接劑厚度，在混凝土齡期達到7天后進行四耐微晶抗沖層施工；在上游起始點、鋼板結合處采用預埋鋼板壓條以保證水流平順，在下游收口處同樣采用高強鋼板設立足趾，以保證四耐微晶版不至在紊流作用下脫落，在水流最惡劣的右邊墻處用高強鋼板設置壓條。
在混凝土建基面修復7天后，首先用環氧乳液砂漿對建基面找平至設計高程，然后鋪設四耐微晶板。微晶板設有兩根錨拉筋與環氧乳液砂漿形成強力牽制，微晶板之間均勻預留縫隙，再用耐磨強力膠填塞縫隙，保持5℃以上溫度和養護28天即可過流泄洪。

     四耐微晶應用超過預期

      四耐微晶產品在坪頭水電站的應用試驗于2018年3月初進場，3月26日全面完成，2018年6月開始經歷洪水考驗，期間經歷了1360小時泄洪，其中經歷洪峰流量826m3/s。2018年10月30日，經現場確認，四耐微晶板材整體完好，微晶板無磨損，試驗結果超過預期，后續試驗將在1#、2#孔泄洪閘繼續推進，并進一步改善抗沖耐磨施工工藝。

      四耐微晶具有施工簡單、快捷的特點，其高抗沖磨物理指標已經廣泛在冶金、礦山、化工等領域得到充分驗證。坪頭水電站的成功使用表明，該材料在大流量、多泥沙、堅硬推移質水流中的優異表現已經超越水電水利行業采用的經典抗沖磨材料，它在破解百年水力發電泄洪沖刷瓶頸的同時，一定能為水電水利工程修補加固翻開新的一頁。