肯斯瓦特水利樞紐工程抗沖耐磨混凝土設(shè)計(jì)及應(yīng)用

姜 波，王 軍

（新疆農(nóng)八師肯斯瓦特水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 石河子 832000）

1 工程概況

肯斯瓦特水庫位于瑪納斯河中游河段，壩址東距烏魯木齊市192 km，北距石河子市50 km。該工程是以防洪、兼顧灌溉、發(fā)電的為大（2）型Ⅱ等工程。水庫正常蓄水位990 m，設(shè)計(jì)洪水位992.98 m，校核洪水位993.49 m，最大壩高129.40 m，總庫容1.88億m3，調(diào)節(jié)庫容0.39億m3，為日調(diào)節(jié)水庫?？刂齐娬狙b機(jī)容量100 MW（3臺單機(jī)容量30 MW，1臺單機(jī)容量10 MW），設(shè)計(jì)年發(fā)電量2.7億kW·h，工程總工期52個月?？纤雇咛厮麡屑~工程是由攔河壩、右岸溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等主要建筑物組成。

2 工程泄洪形式

工程泄洪建筑物有溢洪道和泄洪洞。溢洪道位于右岸壩肩處，開敞式布置。設(shè)計(jì)泄量1895.0 m3/s，校核泄量2122.0 m3/s，下游消能防沖標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)泄量為532 m3/s。溢洪道由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段、消力池、出水渠組成。溢洪道泄槽段為矩形斷面，按設(shè)計(jì)流量、校核流量及消能防沖標(biāo)準(zhǔn)3種工況進(jìn)行計(jì)算，采用分段求和法逐段推算水力要素，見表1。

由表1可以看出，最大流速發(fā)生在泄槽段末端上，最大流速42.49 m/s。

泄洪洞在樞紐中的作用是渲泄洪水、沖砂、水庫放空。泄洪洞進(jìn)水塔及泄洪洞軸線與導(dǎo)流洞軸線在平面上重合，兩洞高程相差50.0 m，采用龍?zhí)ь^與導(dǎo)流洞結(jié)合，為無壓洞泄洪洞，總長900.14 m，由引渠段、進(jìn)水塔、龍?zhí)ь^、洞身結(jié)合段、出口泄槽段、消力池及護(hù)坦段組成，設(shè)計(jì)泄量為500 m3/s?！褒?zhí)ь^”曲線段泄洪洞斷面尺寸6 m×6.7 m，為城門洞型，頂拱角為120°。根據(jù)能量方程用分段求和法計(jì)算沿程的水深及流速，見表2。

表1 溢洪道泄槽水力計(jì)算表

表2 泄洪洞洞身水力計(jì)算表

由表2可以看出，最大流速發(fā)生在反弧段上，最大流速37.84 m/s。

3 抗沖耐磨材料選擇

該工程泄洪建筑物最大流速接近42.5 m/s，按規(guī)范要求須進(jìn)行抗沖耐磨材料設(shè)計(jì)。目前，國內(nèi)高流速的工程中抗沖耐磨材料用的較多的有：硅粉混凝土、鋼纖維混凝土、環(huán)氧砂漿及HF混凝土等。HF混凝土主要為在混凝土中添加HF抗沖耐磨劑與粉煤灰，以提高混凝土抗沖磨性能的混凝土。HF抗沖耐磨劑摻入混凝土中后，可有效激發(fā)粉煤灰的活性。HF混凝土在和易性方面，由于粉煤灰的微集料效應(yīng)，使粉煤灰混凝土的抗剪力顯著減小，在外力作用下，易產(chǎn)生流動，因此，在施工方面混凝土易于振搗密實(shí)出漿和收光抹面。

在水利水電工程中，硅粉混凝土和HF混凝土應(yīng)用最為廣泛，在許多工程中得到成功應(yīng)用。這里重點(diǎn)分析硅粉混凝土和HF混凝土的材料的抗沖磨性。

4 原材料性能

4.1 水泥

此次混凝土試驗(yàn)采用了屯河水泥股份有限公司P.O42.5和P.O52.5水泥，其物理力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表3，化學(xué)成份見表4。

表3 水泥物理力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

表4 水泥化學(xué)成份檢測結(jié)果

4.2 粉煤灰

粉煤灰采用瑪納斯電廠生產(chǎn)的I級粉煤灰，其物理性能檢驗(yàn)結(jié)果為：密度2.2 g/cm3，燒失量2.24%，細(xì)度4.6%，需水量比95%，SO3含量1.41%；化學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO，K2O，Na2O，R2O 含量分別為 59.58%，22.14%，5.60%，3.51%，2.28%，2.25%，1.13%，2.61%。

4.3 骨料

混凝土所用粗、細(xì)骨料均采用瑪納斯河當(dāng)?shù)靥烊还橇希黜?xiàng)指標(biāo)均符合混凝土用骨料的技術(shù)規(guī)范要求。

4.4 外加劑

HF外加劑主要采用了甘肅巨才電力技術(shù)公司的HF抗沖磨劑和株洲中鐵橋梁外加劑有限責(zé)任公司生產(chǎn)的高效減水劑。

表5 現(xiàn)澆二級配C40硅粉、C40HF混凝土試驗(yàn)配合比

5 抗沖磨混凝土配合比設(shè)計(jì)

肯斯瓦特泄洪洞及溢洪道抗沖磨混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)為：二級配、強(qiáng)度等級C40，抗凍等級F200?，F(xiàn)澆二級配C40硅粉、C40HF混凝土試驗(yàn)配合比見表5。

6 抗沖磨試驗(yàn)結(jié)果

此試驗(yàn)采用圓環(huán)沖刷儀，葉輪轉(zhuǎn)速14.3 m/s，圓環(huán)試件厚度為60 mm，外徑400 mm，內(nèi)徑290 mm。試件分別于28 d養(yǎng)護(hù)天后放入圓環(huán)中，加水與不同材料組成的磨料，在高速水流作用下進(jìn)行抗沖刷試驗(yàn)?？箾_磨性能是以單位面積上單位時間的磨耗量為指標(biāo)，磨耗量愈小，抗沖磨強(qiáng)度愈高，其混凝土抗沖磨性愈佳。其試驗(yàn)結(jié)果見表6，由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，C40現(xiàn)澆混凝土中HF混凝土抗磨性能與硅粉混凝土性能基本一致，均能滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 C40硅粉及HF混凝土抗沖磨試驗(yàn)結(jié)果

7 抗沖磨混凝土的確定

硅粉混凝土與HF混凝土物理力學(xué)性能均能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，拌和物性能滿足施工要求?？箾_磨試驗(yàn)表明，在膠凝材料基本相同的條件下，硅粉混凝土、HF混凝土28 d抗磨強(qiáng)度分別比普通混凝土提高82%、73%?？紤]到HF混凝土后期抗磨強(qiáng)度增長速度會大于硅粉混凝土，可以達(dá)到與硅粉混凝土相當(dāng)?shù)目鼓?qiáng)度，而硅粉混凝土中抗磨劑摻量大(8%)，拌和系統(tǒng)需改造，成本較高，其拌和物呈粘稠狀，在相同坍落度下流動性較小，給施工帶來不便。所以確定以C40HF混凝土作為抗沖耐磨混凝土的施工配合比。

8 結(jié)語

由于硅粉混凝土在施工過程中粘聚性及保水性極強(qiáng)，流動性較差，施工振搗困難，操作不當(dāng)極易產(chǎn)生質(zhì)量隱患。根據(jù)此次試驗(yàn)及現(xiàn)場施工表明：采用HF混凝土抗沖磨外加劑與硅粉混凝土相比較混凝土粘聚性明顯降低，易于振搗密實(shí)及收光抹面，易于現(xiàn)場施工質(zhì)量的控制。

[1]新疆兵團(tuán)設(shè)計(jì)院.肯斯瓦特水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報告[R].2009.

[2]支拴喜.HF型高強(qiáng)耐磨粉煤灰砂漿(混凝土)的特性[J].甘肅水利水電技術(shù)，1997(2)：72—72.

[3]新疆水利水電科學(xué)研究院.新疆瑪納斯河肯斯瓦特水利樞紐工程混凝土配合比試驗(yàn)研究報告[R].2010.