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(kù)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(lèi)號(hào)：TV431 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1006 - 3951（2006）02 - 0053 - 02

1 概述

　　我國(guó)的江河，以含沙量而著稱(chēng)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(dòng)，所挾泥沙以懸移質(zhì)為主，對(duì)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(dòng)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(kù)泄洪時(shí)懸移質(zhì)顆粒細(xì)小，在水流紊動(dòng)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(dòng)，對(duì)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(guò)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(shí)，普通碳素鋼表面無(wú)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(shí)，經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用，不但鋼材會(huì)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(shí)，20 mm 厚鋼板歷時(shí)2 540 h 即被磨穿。四川省南椏河石棉二級(jí)電站沖砂閘、都江堰工程飛砂堰和漁子溪一級(jí)電站、黃河三門(mén)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(guó)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(kù)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(wú)壓隧洞，城門(mén)形斷面。隧洞全長(zhǎng)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(mén)兩道（分別為工作閘、檢修閘），經(jīng)計(jì)算在各種開(kāi)度下的設(shè)計(jì)流量時(shí)最大流速見(jiàn)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(huì)不會(huì)引起空蝕破壞、空蝕和磨損破壞會(huì)不會(huì)影響水工建筑物的安全、現(xiàn)場(chǎng)施工的難易、經(jīng)濟(jì)性以及施工過(guò)程中是否危害工人健康等。

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

2 .2 抗沖磨層混凝土強(qiáng)度等級(jí)

　　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(hào)混凝土，但混凝土抗壓強(qiáng)度高于45 ～ 50 MPa 時(shí)，混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工有一定困難：混凝土標(biāo)號(hào)高，水泥用量多，水化熱高，施工過(guò)程中混凝土容易產(chǎn)生裂縫。為此，雨補(bǔ)水庫(kù)導(dǎo)流泄洪隧洞抗沖磨層混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(kù)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(jiàn)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(duì)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%?？紤]到防磨損層厚度的尺寸，采用骨料粒徑為4 cm 的二級(jí)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(duì)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(hào)高，水泥用量大，施工過(guò)程中容易產(chǎn)生裂縫，故必須嚴(yán)格控制混凝土入倉(cāng)溫度，為了使表面層抗沖耐磨，必須與其接觸的低標(biāo)號(hào)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(cāng)，若有停倉(cāng)情況，應(yīng)在兩層混凝土之間埋插筋。

　　抗磨鋼砂混凝土入倉(cāng)應(yīng)加強(qiáng)振搗，根據(jù)氣溫掌握好閘底板的抹面時(shí)間，及時(shí)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(yǔ)

　　彌勒縣雨補(bǔ)水庫(kù)導(dǎo)流泄洪隧洞工程，自1998 年投入運(yùn)行以來(lái)，經(jīng)過(guò)了攔河壩截流通水和2003 年、2004 年沖砂泄洪的考驗(yàn)，說(shuō)明閘體鋼砂混凝土抗磨性能好，在外觀(guān)檢查中符合規(guī)范要求，于2005 年8月通過(guò)了省級(jí)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(cè)和處理〔M〕. 中國(guó)水利水電出版社，1999.

　　〔2〕黃國(guó)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(guó)水利水電出版社，