高速水流作用下水工混凝土防冲磨设计

摘要：在高速水流的作用下，泥砂（推移质）的运移冲刷，是水工混凝土表面冲刷破坏的主要原因，而钢砂混凝土可增强混凝土的抗冲击韧性，是一种理想的抗冲磨材料，技术上可靠，经济上合理，值得大力推广。文章介绍了钢砂混凝土在雨补水库导流隧洞的使用情况。

关键词：高速水流；混凝土；防冲磨损

中图分类号：TV431 文献标识码：B 文章编号：1006 - 3951（2006）02 - 0053 - 02

1 概述

　　我国的江河，以含沙量而著称于世。水利工程多年淤积的泥沙，随着冲砂或泄洪的高速水流的运动，所挟泥沙以悬移质为主，对水工混凝土表产生了冲磨破坏。水工混凝土磨损破坏程度与泥砂运动状态、水流流速、河道含砂量、泥砂颗粒形状及粒径、硬度等有关。

　　水库泄洪时悬移质颗粒细小，在水流紊动作用下，能与水流一起均衡运行磨损混凝土表面，但不具备冲击能力，所以决定水工混凝土强度的是表面硬度而不是韧性，悬沙随水流运动，对水工混凝土表面进行摩擦，造成均匀冲磨剥离。随着磨损剥离程度的增加，由于混凝土非均质性，过流表面形成各种漩涡流，这些漩涡流的强度，随着流速的增大而加剧，继而出现空蚀破坏。

　　据有关资料统计，在水流流速不大于10 m/s时，普通碳素钢表面无明显磨损现象，C20混凝土表面磨损也十分轻微，而当水流流速达18 ～ 20 m/s 时，经较长时间运用，不但钢材会招至严重破坏，而且C20混凝土表面粗骨料裸骨，出现冲磨坑，当流速达20 m/s 时，20 mm 厚钢板历时2 540 h 即被磨穿。四川省南桠河石棉二级电站冲砂闸、都江堰工程飞砂堰和渔子溪一级电站、黄河三门峡电站泄洪建筑物等工程，在泥砂的磨损、冲击作用下都产生了严重的破坏，特别是刘家峡水电站泄洪洞成为全国大型泄洪洞中冲蚀磨损破坏最严重的典型。

2 工程实例

　　弥勒县雨补水库导流泄流隧洞，其主要任务是施工期导流，工程建成后担负着泄洪和冲砂任务。竖井前为有压隧洞，圆形断面，竖井后为无压隧洞，城门形断面。隧洞全长445 . 55 m，设计流量为81 . 3m3 /s，最大水头51 .69 m，竖井内安装2 . 5 m × 2 . 5 m平板钢闸门两道（分别为工作闸、检修闸），经计算在各种开度下的设计流量时最大流速见表1：

2 .1 抗磨材料选用

　　抗磨材料选用主要考虑的因素有：磨损后检修的难度、磨损后会不会引起空蚀破坏、空蚀和磨损破坏会不会影响水工建筑物的安全、现场施工的难易、经济性以及施工过程中是否危害工人健康等。

　　根据雨补水库导流泄洪隧洞的运用情况，抗磨层决定选用高标号钢砂混凝土。

2 .2 抗冲磨层混凝土强度等级

　　为了减少混凝土的磨损量以及当建筑表面被磨损后不发生空蚀，应力求采用高标号混凝土，但混凝土抗压强度高于45 ～ 50 MPa 时，混凝土现场施工有一定困难：混凝土标号高，水泥用量多，水化热高，施工过程中混凝土容易产生裂缝。为此，雨补水库导流泄洪隧洞抗冲磨层混凝土强度等级采用C30。

2 .3 闸体防磨损设计

　　根据导流隧洞的流速以及水库泥砂的特点，为防止导流泄洪隧洞闸体处产生磨损破坏，决定采用C30钢砂混凝土材料进行防磨损处理，具体方案如下：在闸孔及闸后10 m 的扩散段，设置厚度为0 .20 m的C30钢砂混凝土。详见图1“闸体防磨损结构图”。

2 .4 钢砂混凝土施工

2 .4 .1 钢砂混凝土设计

　　骨料是混凝土抗磨的主要材料，骨料强度较大，硬度越高，其抗磨性能也越高。为了减少泥砂（悬移质）对混凝土磨损后表面不平整引起的空蚀破坏，要求骨料中的软弱颗粒和超硬颗粒含量小于1%。考虑到防磨损层厚度的尺寸，采用骨料粒径为4 cm 的二级配混凝土；砂采用钢砂，其抗磨性能较一般砂抗磨性能好；水泥采用普通硅酸盐水泥；水灰比采用1 : 0 .35。

　　经对钢砂混凝土进行配合比试验，采用的配合比为：1 : 2 . 68 : 1 . 7，在每m3 混凝土中，水泥用量为517 kg、钢砂1 236 kg、碎石879 kg。

2 .4 .2 钢砂混凝土施工

　　抗冲磨混凝土标号高，水泥用量大，施工过程中容易产生裂缝，故必须严格控制混凝土入仓温度，为了使表面层抗冲耐磨，必须与其接触的低标号混凝土结合好，在接触区混凝土浇完后，立即进行浇筑抗冲磨的钢砂层，中间不得停仓，若有停仓情况，应在两层混凝土之间埋插筋。

　　抗磨钢砂混凝土入仓应加强振捣，根据气温掌握好闸底板的抹面时间，及时洒水养护28 d，还应在抗冲磨层内布置构造钢筋，以防施工期发生裂缝。

3 结语

　　弥勒县雨补水库导流泄洪隧洞工程，自1998 年投入运行以来，经过了拦河坝截流通水和2003 年、2004 年冲砂泄洪的考验，说明闸体钢砂混凝土抗磨性能好，在外观检查中符合规范要求，于2005 年8月通过了省级验收。实践证明，钢砂混凝土在高速水流作用下抗磨性能良好，是一种理想的抗磨材料。

参考文献：

　　〔1〕乔生祥，黄华平. 水工混凝土缺陷检测和处理〔M〕. 中国水利水电出版社，1999.

　　〔2〕黄国兴，陈改新. 水工混凝土建筑物修补技术及应用〔M〕. 中国水利水电出版社，