水電站泄洪隧洞抗沖耐磨混凝土施工技術(shù)研究

何 克

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司，四川 成都 610500）

由于水電站泄洪隧洞水流流速大、水壓力大且含有一定數(shù)量的固體顆粒（如沙子和水載碎屑）。在泄洪過程中，含有固體顆粒的高速水流（>40 m/s）使表面混凝土快速移除，易造成泄洪洞洞壁的侵蝕和磨損破壞[1-2]。這對泄洪隧洞的使用壽命和在運(yùn)行期間的可靠性造成嚴(yán)重影響。因此，為提高泄洪隧洞的抗沖耐磨能力及可靠性，必須加強(qiáng)對泄洪洞襯砌混凝土抗沖耐磨性能及施工工藝的研究。

在抗沖耐磨混凝土性能方面，文獻(xiàn)[3-5]基于實(shí)際工程對抗沖耐磨混凝土展開了配合比設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)及施工提供了必要的技術(shù)依據(jù)；陳喬[6]和尚立珍等[7]針對抗沖耐磨混凝土的溫升裂縫問題，結(jié)合實(shí)際工程探究了混凝土溫控防裂技術(shù)措施。而在施工技術(shù)方面，童志剛[8]介紹了抗沖耐磨混凝土與普通混凝土同倉澆筑的施工方法；文獻(xiàn)[9-12]基于實(shí)際工程對水電站抗沖耐磨混凝土施工技術(shù)進(jìn)行了研究，介紹了抗沖耐磨混凝土施工過程質(zhì)量控制措施，可為同類工程提供借鑒。

本文基于雙江口水電站泄洪隧道工程，通過試驗(yàn)方法對抗沖耐磨混凝土的配合比及振搗工藝展開研究，驗(yàn)證抗沖耐磨混凝土配合比方案的可行性，提出抗沖耐磨混凝土的最佳振搗參數(shù)組合，并對泄洪隧道抗沖耐磨混凝土施工工藝進(jìn)行介紹。

1 工程概況

1.1 雙江口水電站簡介

雙江口水電站為大渡河流域水電規(guī)劃“3 庫22 級”的第5 級，位于大渡河上源足木足河與綽斯甲河交匯口以下2 km 河段處，是國家規(guī)劃的十三大水能基地之一。

雙江口水電站樞紐工程由攔河大壩、泄洪建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。其中，樞紐泄水建筑物右岸包括設(shè)有洞式溢洪道、深孔泄洪洞和利用施工中期導(dǎo)流洞改建的水庫放空洞，左岸設(shè)有利用施工后期導(dǎo)流洞改建的豎井泄洪洞。雙江口水電站泄水建筑物布置圖如圖1 所示。

圖1 雙江口水電站泄水建筑物布置圖

1.2 泄洪系統(tǒng)襯砌混凝土概況

洞式溢洪道進(jìn)、出口洞段采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，其中，Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌厚1.5 m，Ⅲa、Ⅲb類圍巖襯砌厚1.2 m，過流面采用C9040 或C9050 抗沖耐磨混凝土。

深孔泄洪洞的橫斷面型式為城門洞型，典型隧洞面寬11 m，高16 m。洞身段采用雙層鋼筋混凝土襯砌，Ⅱ、Ⅲ類襯砌厚度0.8 m，Ⅳ類襯砌厚度1.0 m，帷幕之前及Ⅴ類襯砌厚度1.2 m。過流面采用C9040 或C9050 抗沖耐磨混凝土。

放空洞龍?zhí)ь^段、短緩坡段和長無壓段Ⅲ類圍巖的襯砌厚度為0.8 m，Ⅳ類圍巖的襯砌厚度為1.0 m，Ⅴ類圍巖的襯砌厚度為1.2 m。龍?zhí)ь^段、短緩坡段頂拱及頂拱以下1 m 邊墻范圍內(nèi)采用C25 混凝土，其余部位采用C50 混凝土，長無壓段底板及底板以上6 m 邊墻范圍內(nèi)采用C9050 抗沖耐磨混凝土，其余部位采用C25 混凝土。

泄洪洞豎井過流面采用C9050 硅粉抗沖耐磨混凝土，下平段無壓隧洞過流斷面采用圓拱直墻式，凈斷面寬12.0 m，高16.0 m，底板及邊墻下部6 m 過流面擬采用C9040 硅粉抗沖耐磨混凝土。

2 抗沖耐磨混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 第一階段抗沖耐磨混凝土配合比試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)過程

第一階段試驗(yàn)保持砂石骨料及砂石粉含量不變，其中砂石粉含量為17.3%，調(diào)整混凝土水膠比，確定低熱水泥+粉煤灰+硅粉與低熱水泥+粉煤灰+HB7-1 型抗沖磨劑方案能夠滿足施工性能與強(qiáng)度要求的基準(zhǔn)配合比，并與普硅水泥+粉煤灰+HB7-1 型抗沖磨劑方案進(jìn)行對比，以研究其配合比方案的可行性。

2.1.2 成果分析

通過第一階段初步試驗(yàn)，從90d 抗壓強(qiáng)度與抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可得出如下結(jié)論：（1）C9040、C9050 強(qiáng)度等級的混凝土均可配制出，但C9050 混凝土水膠比小，且混凝土粘稠，不利于施工；（2）對于水下鋼球法抗沖磨強(qiáng)度，28d 抗沖磨強(qiáng)度在5.4～6.6 h/（m2·kg），預(yù)估90d 抗沖磨強(qiáng)度約為6～8 h/（m2·kg），處于同類工程經(jīng)驗(yàn)值的下限值；（3）硅粉摻入后，坍落度約為180 mm，流動(dòng)性及施工性能較差，減水劑摻量與推薦摻量相差較遠(yuǎn)，后期需同步動(dòng)態(tài)調(diào)整；（4）與摻入硅粉的混凝土相比，摻入HB7-1 的混凝土施工性能大幅提高，且可降低用水量9～10 kg/m3。

2.2 第二階段抗沖耐磨混凝土配合比試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)過程

第二階段試驗(yàn)采用兩種方案實(shí)施，方案一，低熱硅酸鹽水泥+F 類I 級粉煤灰+人工砂石骨料+高性能減水劑+引氣劑的方案，配制出C9040W10F100（二級配的混凝土配合比）。方案二，低熱硅酸鹽水泥+F 類I 級粉煤灰+硅粉+人工砂石骨料+高性能減水劑+引氣劑的方案，配制出C9050W10F100（二級配的混凝土配合比）；其中，試驗(yàn)砂石粉含量為16.8%，低熱硅酸鹽水泥28d 抗壓強(qiáng)度為45.3 MPa，硅粉摻量為3%、5%。

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)束后，在工藝性試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)混凝土拌合物和易性較粘稠且水膠比較小，因此進(jìn)行新材料的研究。即摻加一種具有增強(qiáng)（度）降粘（稠）的新型摻合料的試拌試驗(yàn)。

2.2.2 結(jié)果分析

細(xì)骨料：人工砂石粉含量16.3%，接近規(guī)范規(guī)定（6%～18%）的上限。

粗骨料：人工碎石，其壓碎指標(biāo)為17.7%。根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，該骨料只適宜于配制強(qiáng)度等級小于40 MPa 的混凝土。

混凝土的性能：本次試驗(yàn)中，不論是否摻加硅粉，混凝土均較為粘稠，無泌水，排氣較慢，振搗時(shí)間約30 s，混凝土振搗泛漿時(shí)間比一般混凝土的振搗泛漿時(shí)間長，混凝土施工性能有待進(jìn)一步改善。

混凝土摻加硅粉后，減水劑摻量從0.7%增加至1.0%～1.05%，混凝土的抗沖磨強(qiáng)度及其他性能指標(biāo)均隨著硅粉摻量的增加有所提高，但提高的幅度相對較小。

采用現(xiàn)有原材料、配合比配制出的混凝土滿足設(shè)計(jì)要求，但混凝土的水膠比比其他工程同強(qiáng)度等級混凝土的水膠比小0.01～0.02，致使混凝土的總膠凝材料較多，特別是坍落度120～140 mm 的C9050 混凝土，總膠凝材料可達(dá)500 kg/m3，這將對混凝土的溫控防裂造成極為不利的影響。

混凝土工藝性試驗(yàn)：對比現(xiàn)場已進(jìn)行的0.28、0.32、0.36 水膠比的混凝土配合比，相同水膠比情況下，與不添加HDC 高性能摻合料的混凝土相比，使用HDC 高性能摻合料時(shí)，7d 混凝土抗壓強(qiáng)度提升30%~50%；28d 混凝土抗壓強(qiáng)度提升20%~45%；90d 混凝土抗壓強(qiáng)度提升25%。此外，相同水膠比情況下，配合比中膠凝材料用量降低，水膠比為0.32 時(shí)，膠材總量降低6~12 kg/m3，水泥用量降低5~10 kg/m3；水膠比為0.28 時(shí)，膠材用量降低7.8 kg/m3；水膠比為0.32 時(shí)，膠材用量降低6.54 kg/m3。在混凝土抗壓強(qiáng)度滿足要求情況下，總膠材用量降低能夠減少混凝土溫升放熱，提升結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性能。

3 混凝土振搗工藝試驗(yàn)

采用鋼化玻璃作為模板進(jìn)行試驗(yàn)，從振搗機(jī)具、振搗時(shí)間、振搗工藝等方面進(jìn)行對比試驗(yàn)，尋求解決氣泡問題的關(guān)鍵因素，得到當(dāng)前配合比氣泡排出的最佳振搗參數(shù)組合，同時(shí)驗(yàn)證混凝土和易性和90d 抗壓強(qiáng)度。

試驗(yàn)研究表明；C9040 抗沖耐磨混凝土最佳工藝參數(shù)為：φ80 硬軸式振搗棒初振45~55 s，然后間隔25 min 開始復(fù)振，單點(diǎn)復(fù)振45~55 s；振點(diǎn)距模板邊緣距離為20 cm，振點(diǎn)間、排距為40 cm；坯層厚度控制到40~50 cm，振搗時(shí)要插入下一坯層10~15 cm，禁止以振搗代替平倉。

4 抗沖耐磨混凝土施工工藝

傳統(tǒng)洞身襯砌施工順序按照先底板、再邊墻、后頂拱的順序進(jìn)行。根據(jù)兩河口、白鶴灘水電站調(diào)研經(jīng)驗(yàn)，傳統(tǒng)的洞身襯砌施作混凝土施工質(zhì)量難以控制。主要表現(xiàn)為邊墻、頂拱結(jié)合部位產(chǎn)生約束裂縫多，底板摻氣坎體型無法控制，且混凝土成品保護(hù)難度大。從混凝土質(zhì)量控制方面考慮，本文提出先邊墻、再頂拱、后底板的施工工藝，大大減少了邊墻、頂拱結(jié)合部位的約束裂縫。

深孔泄洪洞抗沖耐磨混凝土施工工藝，以邊墻施工工藝為例，具體流程如圖2 所示。

圖2 邊墻混凝土施工工藝流程圖

4.1 邊墻鋼筋安裝

鋼筋由加工廠統(tǒng)一加工運(yùn)送至現(xiàn)場，利用鋼筋臺車上的起重設(shè)備吊裝至各層作業(yè)平臺，人工進(jìn)行安裝、綁扎，鋼筋接頭采取機(jī)械套筒連接，安裝效果如圖3 所示。

圖3 深孔泄洪洞鋼筋綁扎效果

4.2 邊墻縫面處理

采用人工高壓風(fēng)水槍將已噴混凝土墻面縫面沖洗干凈，并將兩側(cè)邊墻雙層鋼筋內(nèi)雜物人工清理或者沖洗干凈。

4.3 邊墻立模

邊墻采用鋼模臺車施工，邊墻臺車均在洞內(nèi)進(jìn)行安裝，現(xiàn)場布置25 t 汽車吊，并利用卷揚(yáng)機(jī)等配合安裝。邊墻臺車就位后，由液壓系統(tǒng)將邊墻模板支撐到位，并采用全站儀進(jìn)行模板的校核、定位。邊墻模板表面在澆筑前需清理干凈，并涂刷脫模劑。

4.4 混凝土運(yùn)輸、入倉及振搗

邊墻混凝土施工主要通過自卸汽車改裝平板車運(yùn)輸至現(xiàn)場，平板車倒料至料斗內(nèi)，上料系統(tǒng)通過傳送帶將混凝土送入邊墻臺車頂部轉(zhuǎn)料系統(tǒng)，頂部轉(zhuǎn)料系統(tǒng)通過下料口和串筒將混凝土送入倉內(nèi)，在邊墻鋼模臺車頂部進(jìn)料，人工進(jìn)入邊墻內(nèi)進(jìn)行振搗。混凝土在倉內(nèi)下落垂直高度應(yīng)控制在1.5 m 以內(nèi)，兩側(cè)邊墻下料高差控制在50 cm 內(nèi)。

4.5 邊墻脫模和縫面處理

邊墻模板應(yīng)在混凝土強(qiáng)度超過2.5 MPa 以上時(shí)拆模，一般不少于48 h 進(jìn)行拆模。鋼模臺車再脫模后，需在混凝土終凝后對環(huán)向施工縫進(jìn)行鑿毛處理，鑿毛處理的施工縫應(yīng)無乳皮，粗骨料出露1/3 且無松動(dòng)骨料。

4.6 混凝土養(yǎng)護(hù)

在混凝土終凝后，應(yīng)對其進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，過流面養(yǎng)護(hù)至蓄水。當(dāng)溫度高于25℃時(shí)，邊墻襯砌混凝土表面應(yīng)實(shí)行不間斷的流水養(yǎng)護(hù)；當(dāng)溫度低于25℃時(shí)，夜間可實(shí)行間隔1 h 的間斷流水養(yǎng)護(hù)。為防止混凝土內(nèi)外溫差過大，在混凝土澆筑之前應(yīng)預(yù)埋冷卻水管，采用制冷水設(shè)備給冷卻管通冷水，以減小混凝土內(nèi)外溫差。在混凝土澆筑時(shí)開始通水，澆筑完成后，通水試件不少于15d，為防止降溫過大，混凝土與冷卻水之間的溫差應(yīng)小于20℃，混凝土的降溫速度不應(yīng)過快，應(yīng)小于0.5~1℃/d，且冷卻水的進(jìn)出口應(yīng)24 h 交換一次。

4.7 洞室實(shí)施效果

通過最佳振搗參數(shù)組合的抗沖耐磨混凝土澆筑的深孔泄洪洞邊墻表面平整度、氣泡數(shù)量及表觀質(zhì)量均達(dá)到了預(yù)期效果，如圖4 所示。

圖4 深孔泄洪洞現(xiàn)場圖

5 結(jié)論

通過對深孔泄洪洞抗沖耐磨混凝土的配合比設(shè)計(jì)、振搗施工工藝進(jìn)行研究，結(jié)果表明，硅粉摻入后，混凝土的流動(dòng)性及施工性能較差；與摻入硅粉混凝土相比，摻入HB7-1 的混凝土施工性能大幅提高；添加HDC 高性能摻合料時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度增加20%以上，相同水膠比情況下，配合比中膠凝材料用量降低。通過混凝土振搗工藝試驗(yàn)得出最佳振搗參數(shù)組合；采用最佳振搗參數(shù)組合的抗沖耐磨混凝土澆筑的深孔泄洪洞邊墻表面平整度、氣泡數(shù)量及表觀質(zhì)量均達(dá)到了預(yù)期效果。隨著混凝土強(qiáng)度的不斷提高，國內(nèi)外對于超高性能混凝土抗沖耐磨性能的研究較少，未來應(yīng)探究超高性能混凝土與目前使用的抗沖耐磨混凝土兩者性能的優(yōu)劣。