高速水流作用下水工混凝土防沖磨設(shè)計(jì)

摘要：在高速水流的作用下，泥砂（推移質(zhì)）的運(yùn)移沖刷，是水工混凝土表面沖刷破壞的主要原因，而鋼砂混凝土可增強(qiáng)混凝土的抗沖擊韌性，是一種理想的抗沖磨材料，技術(shù)上可靠，經(jīng)濟(jì)上合理，值得大力推廣。文章介紹了鋼砂混凝土在雨補(bǔ)水庫導(dǎo)流隧洞的使用情況。

關(guān)鍵詞：高速水流；混凝土；防沖磨損

中圖分類號：TV431 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1006 - 3951（2006）02 - 0053 - 02

1 概述

　　我國的江河，以含沙量而著稱于世。水利工程多年淤積的泥沙，隨著沖砂或泄洪的高速水流的運(yùn)動，所挾泥沙以懸移質(zhì)為主，對水工混凝土表產(chǎn)生了沖磨破壞。水工混凝土磨損破壞程度與泥砂運(yùn)動狀態(tài)、水流流速、河道含砂量、泥砂顆粒形狀及粒徑、硬度等有關(guān)。

　　水庫泄洪時懸移質(zhì)顆粒細(xì)小，在水流紊動作用下，能與水流一起均衡運(yùn)行磨損混凝土表面，但不具備沖擊能力，所以決定水工混凝土強(qiáng)度的是表面硬度而不是韌性，懸沙隨水流運(yùn)動，對水工混凝土表面進(jìn)行摩擦，造成均勻沖磨剝離。隨著磨損剝離程度的增加，由于混凝土非均質(zhì)性，過流表面形成各種漩渦流，這些漩渦流的強(qiáng)度，隨著流速的增大而加劇，繼而出現(xiàn)空蝕破壞。

　　據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在水流流速不大于10 m/s時，普通碳素鋼表面無明顯磨損現(xiàn)象，C20混凝土表面磨損也十分輕微，而當(dāng)水流流速達(dá)18 ～ 20 m/s 時，經(jīng)較長時間運(yùn)用，不但鋼材會招至嚴(yán)重破壞，而且C20混凝土表面粗骨料裸骨，出現(xiàn)沖磨坑，當(dāng)流速達(dá)20 m/s 時，20 mm 厚鋼板歷時2 540 h 即被磨穿。四川省南椏河石棉二級電站沖砂閘、都江堰工程飛砂堰和漁子溪一級電站、黃河三門峽電站泄洪建筑物等工程，在泥砂的磨損、沖擊作用下都產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞，特別是劉家峽水電站泄洪洞成為全國大型泄洪洞中沖蝕磨損破壞最嚴(yán)重的典型。

2 工程實(shí)例

　　彌勒縣雨補(bǔ)水庫導(dǎo)流泄流隧洞，其主要任務(wù)是施工期導(dǎo)流，工程建成后擔(dān)負(fù)著泄洪和沖砂任務(wù)。豎井前為有壓隧洞，圓形斷面，豎井后為無壓隧洞，城門形斷面。隧洞全長445 . 55 m，設(shè)計(jì)流量為81 . 3m3 /s，最大水頭51 .69 m，豎井內(nèi)安裝2 . 5 m × 2 . 5 m平板鋼閘門兩道（分別為工作閘、檢修閘），經(jīng)計(jì)算在各種開度下的設(shè)計(jì)流量時最大流速見表1：

2 .1 抗磨材料選用

　　抗磨材料選用主要考慮的因素有：磨損后檢修的難度、磨損后會不會引起空蝕破壞、空蝕和磨損破壞會不會影響水工建筑物的安全、現(xiàn)場施工的難易、經(jīng)濟(jì)性以及施工過程中是否危害工人健康等。

　　根據(jù)雨補(bǔ)水庫導(dǎo)流泄洪隧洞的運(yùn)用情況，抗磨層決定選用高標(biāo)號鋼砂混凝土。

2 .2 抗沖磨層混凝土強(qiáng)度等級

　　為了減少混凝土的磨損量以及當(dāng)建筑表面被磨損后不發(fā)生空蝕，應(yīng)力求采用高標(biāo)號混凝土，但混凝土抗壓強(qiáng)度高于45 ～ 50 MPa 時，混凝土現(xiàn)場施工有一定困難：混凝土標(biāo)號高，水泥用量多，水化熱高，施工過程中混凝土容易產(chǎn)生裂縫。為此，雨補(bǔ)水庫導(dǎo)流泄洪隧洞抗沖磨層混凝土強(qiáng)度等級采用C30。

2 .3 閘體防磨損設(shè)計(jì)

　　根據(jù)導(dǎo)流隧洞的流速以及水庫泥砂的特點(diǎn)，為防止導(dǎo)流泄洪隧洞閘體處產(chǎn)生磨損破壞，決定采用C30鋼砂混凝土材料進(jìn)行防磨損處理，具體方案如下：在閘孔及閘后10 m 的擴(kuò)散段，設(shè)置厚度為0 .20 m的C30鋼砂混凝土。詳見圖1“閘體防磨損結(jié)構(gòu)圖”。

2 .4 鋼砂混凝土施工

2 .4 .1 鋼砂混凝土設(shè)計(jì)

　　骨料是混凝土抗磨的主要材料，骨料強(qiáng)度較大，硬度越高，其抗磨性能也越高。為了減少泥砂（懸移質(zhì)）對混凝土磨損后表面不平整引起的空蝕破壞，要求骨料中的軟弱顆粒和超硬顆粒含量小于1%。考慮到防磨損層厚度的尺寸，采用骨料粒徑為4 cm 的二級配混凝土；砂采用鋼砂，其抗磨性能較一般砂抗磨性能好；水泥采用普通硅酸鹽水泥；水灰比采用1 : 0 .35。

　　經(jīng)對鋼砂混凝土進(jìn)行配合比試驗(yàn)，采用的配合比為：1 : 2 . 68 : 1 . 7，在每m3 混凝土中，水泥用量為517 kg、鋼砂1 236 kg、碎石879 kg。

2 .4 .2 鋼砂混凝土施工

　　抗沖磨混凝土標(biāo)號高，水泥用量大，施工過程中容易產(chǎn)生裂縫，故必須嚴(yán)格控制混凝土入倉溫度，為了使表面層抗沖耐磨，必須與其接觸的低標(biāo)號混凝土結(jié)合好，在接觸區(qū)混凝土澆完后，立即進(jìn)行澆筑抗沖磨的鋼砂層，中間不得停倉，若有停倉情況，應(yīng)在兩層混凝土之間埋插筋。

　　抗磨鋼砂混凝土入倉應(yīng)加強(qiáng)振搗，根據(jù)氣溫掌握好閘底板的抹面時間，及時灑水養(yǎng)護(hù)28 d，還應(yīng)在抗沖磨層內(nèi)布置構(gòu)造鋼筋，以防施工期發(fā)生裂縫。

3 結(jié)語

　　彌勒縣雨補(bǔ)水庫導(dǎo)流泄洪隧洞工程，自1998 年投入運(yùn)行以來，經(jīng)過了攔河壩截流通水和2003 年、2004 年沖砂泄洪的考驗(yàn)，說明閘體鋼砂混凝土抗磨性能好，在外觀檢查中符合規(guī)范要求，于2005 年8月通過了省級驗(yàn)收。實(shí)踐證明，鋼砂混凝土在高速水流作用下抗磨性能良好，是一種理想的抗磨材料。

參考文獻(xiàn)：

　　〔1〕喬生祥，黃華平. 水工混凝土缺陷檢測和處理〔M〕. 中國水利水電出版社，1999.

　　〔2〕黃國興，陳改新. 水工混凝土建筑物修補(bǔ)技術(shù)及應(yīng)用〔M〕. 中國水利水電出版社，