CF60鋼纖維高性能混凝土在尼泊爾高泥沙地區(qū)水電站的應(yīng)用

李志崗

（中國(guó)電建集團(tuán)海外投資有限公司,北京 100044）

0 引言

尼泊爾上馬相迪A水電站是由中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)海外投資公司和尼泊爾薩格馬塔電力公司合資開(kāi)發(fā)的水電站,該電站位于尼泊爾西部LAMJUNG地區(qū)馬相迪河的上游,是一座以發(fā)電為主的徑流引水式水電樞紐工程,電站主要由大壩、沉沙池、引水隧道、廠房等建筑物構(gòu)成,工程級(jí)別為Ⅲ等。該電站泄水建筑物從建設(shè)期開(kāi)始就受到高泥沙洪水的磨蝕破壞,先后進(jìn)行了三次修復(fù),最終選用了CF60 鋼纖維混凝土方案,該方案抗磨蝕效果和經(jīng)濟(jì)性較好。

1 背景介紹

1.1 水文泥沙情況

根據(jù)設(shè)計(jì)資料,壩址最大含沙量發(fā)生在2009年8月8日,最大含沙量為27.3 kg/m3。汛期懸移質(zhì)年均含沙量2.49 kg/m3,年總輸沙量為912 萬(wàn)t,多年平均懸移質(zhì)年輸沙總量為701萬(wàn)t,推移質(zhì)年輸沙總量211 萬(wàn)t,輸沙模數(shù)2558 t/（km2·a）。根據(jù)設(shè)計(jì)含沙量和庫(kù)容計(jì)算,庫(kù)沙比僅0.06,屬泥沙問(wèn)題比較嚴(yán)重的水庫(kù)。

1.2 過(guò)程修復(fù)和方案論證

2014 年汛期尼泊爾上馬相迪A水電站大壩左岸泄水結(jié)構(gòu)物過(guò)水后被嚴(yán)重磨蝕,當(dāng)時(shí)正處于主體工程施工期,設(shè)計(jì)采取了“環(huán)氧細(xì)石混凝土+復(fù)合型彈性環(huán)氧砂漿”的設(shè)計(jì)方案,2015 年底完成。經(jīng)歷了2016 年~2018 年三個(gè)汛期后,泄洪道表面磨蝕嚴(yán)重,2019 年汛期采用“C40 混凝土+2 cm厚環(huán)氧砂漿”方案再次修復(fù),經(jīng)歷當(dāng)年汛期后,再次磨蝕嚴(yán)重,不得不再次修改修復(fù)方案。

考慮到上馬迪河在汛期流量陡增,河床的大量推移質(zhì)和部分卵石、漂石從泄洪道沖向下游,對(duì)泄洪道表面產(chǎn)生巨大磨蝕和撞擊破壞。因此首先是提高過(guò)流面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（原設(shè)計(jì)為C25F50,Ⅱ級(jí)混凝土）,其次是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗磨蝕能力。為此,項(xiàng)目公司組織設(shè)計(jì)和專家多次論證,選用了“30 cm厚CF60鋼纖維混凝土+局部鋪鋼板”,設(shè)計(jì)壽命3 年。

2 CF60鋼纖維高性能混凝土的選擇

混凝土標(biāo)號(hào)設(shè)計(jì)為CF2860 W4 F50 鋼纖維混凝土,Ⅰ級(jí)配,坍落度80 mm~120 mm。

2.1 主要原材料

水泥選用紅獅水泥公司的OPC-43 普通硅酸鹽水泥,其28 天強(qiáng)度達(dá)到69.0 MPa。粗骨料采用當(dāng)?shù)刂旭R和博卡拉骨料廠生產(chǎn)的人工灰?guī)r、石英巖骨料,骨料強(qiáng)度達(dá)到80 MPa以上,為硬巖骨料。細(xì)骨料采用當(dāng)?shù)刂旭R骨料廠生產(chǎn)的、細(xì)度模數(shù)為2.86 中粗砂。外加劑采用印度生產(chǎn)的Sika10 R（Sika2004 NS）改性聚羧鹽酸水溶液高效減水劑。鋼纖維選用印度FIBREZONE公司的碳鋼端鉤形纖維,直徑0.75 mm,長(zhǎng)度35 mm,長(zhǎng)徑比49.3,抗拉強(qiáng)度等級(jí)1000 MPa。

拌和水抽取天然河道流水。

2.2 混凝土比設(shè)計(jì)

2.2.1混凝土配置強(qiáng)度

混凝土配制強(qiáng)度參照《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T 5330-2015）進(jìn)行計(jì)算。即：

式中：fcu,0為混凝土配制強(qiáng)度,MPa；fcu,k為混凝土設(shè)計(jì)齡期立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,為60 MPa；t為概率度系數(shù),依據(jù)保證率P=95%選定為1.645；σ為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差,取5.5 MPa。

2.2.2混凝土設(shè)計(jì)配合比

根據(jù)試拌和質(zhì)量檢測(cè)得到最終的CF60 混凝土配合比見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比表 單位：kg/m3

2.3 混凝土性能

設(shè)計(jì)混凝土坍落度80 mm~120 mm,實(shí)際拌和的混凝土坍落度檢測(cè)值為84 mm~120 mm之間。

3 施工過(guò)程

3.1 混凝土拌和

混凝土采用SANY公司生產(chǎn)的SBP30 型（拌和機(jī)容量500 L）強(qiáng)制式混凝土拌和站生產(chǎn),鋼纖維和硅粉經(jīng)人工稱量后投放在骨料斗內(nèi),其它材料均自動(dòng)稱量、填料。

為保證鋼纖維的均勻性（不結(jié)團(tuán)）,先將鋼纖維、粗細(xì)骨料和水泥干拌30 s,再加入水拌制90 s后出罐。

3.2 混凝土運(yùn)輸

由于鋼纖維混凝土坍落度損失很快,控制拌和站坍落度在120 mm~140 mm,并且在拌和后20 min內(nèi)用6 m3混凝土罐車運(yùn)動(dòng)到施工現(xiàn)場(chǎng)。由于拌和機(jī)容量較小,一般單車運(yùn)輸2 m3鋼纖維混凝土。

3.3 分倉(cāng)和模板

護(hù)坦混凝土早期劃分為6.0 m×4.0 m×0.3 m（長(zhǎng)×寬×厚）倉(cāng)號(hào)施工,后來(lái)為了控制裂縫調(diào)整為3.0 m×4.0 m×0.3 m（長(zhǎng)×寬×厚）的小型倉(cāng)號(hào)。

沿倉(cāng)號(hào)長(zhǎng)邊安裝30 cm高的定型鋼模板,為保證緩坡（泄水閘護(hù)坦坡比1∶25）頂面混凝土成形和滿足平整性要求,在側(cè)模頂安裝單塊寬度50 cm鋼制壓頂模板（模板上開(kāi)排氣兼觀察孔,間距20 cm×20 cm）,模板上放塊石或沙袋壓重。澆筑前先安裝2塊壓頂模板,隨澆筑、隨安裝。

水平面鋼纖維混凝土施工僅安裝側(cè)模。

3.4 混凝土澆筑施工和收面

首先需在倉(cāng)號(hào)內(nèi)澆筑2 cm厚混凝土同配比砂漿（由于普通砂漿難以達(dá)到CF60 混凝土強(qiáng)度等級(jí),故用混凝土同配比砂漿替代）。混凝土運(yùn)輸?shù)絺}(cāng)號(hào)后直接卸料入倉(cāng),局部輔助用“長(zhǎng)溜槽+振搗棒卸料”從壓頂模板上游側(cè)入倉(cāng)（由于混凝土內(nèi)含鋼纖維鐵鍬無(wú)法鏟入,人工甩料困難）［1］。

用φ70型軟軸振搗棒從倉(cāng)號(hào)一側(cè)開(kāi)始振搗,讓混凝土從高處向下緩慢流動(dòng)直至充滿壓頂模板且排氣孔內(nèi)微露漿后換位置振搗,直至同一高程所有排氣孔都露漿后進(jìn)行下一循環(huán),并逐個(gè)安裝下一塊壓頂模板直到整個(gè)倉(cāng)號(hào)混凝土全部完成。

在混凝土澆筑完成后約140 min（混凝土初凝前30 min左右）開(kāi)始拆除首個(gè)壓頂模板,并用混凝土同配比砂漿對(duì)拆模后結(jié)構(gòu)面進(jìn)行人工抹面［2］。

3.5 養(yǎng)護(hù)

首先在混凝土表面覆蓋一層土工布和2 cm厚保溫泡沫板,在土工布上布置花管流水養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)水為邊坡滲水,水溫12℃~15℃,花管養(yǎng)護(hù)水流量約25 L/min,并保持混凝土表面溫度恒定。流水養(yǎng)護(hù)7 天后改為覆蓋土工膜灑水養(yǎng)護(hù)至標(biāo)準(zhǔn)齡期。

3.6 其它細(xì)節(jié)

（1）必須嚴(yán)格控制拌和物摻水量,高強(qiáng)度混凝土對(duì)用水量特別敏感,摻水過(guò)量極易造成強(qiáng)度不滿足要求,摻水偏少則對(duì)和易性產(chǎn)生明顯影響。

（2）混凝土結(jié)構(gòu)厚度不宜過(guò)大。CF60 混凝土水泥摻量大、水化熱高,在混凝土表層沒(méi)有配筋情況下,混凝土澆筑厚度不宜大于40 cm,否則混凝土內(nèi)部溫度過(guò)高導(dǎo)致內(nèi)外溫差超過(guò)規(guī)范要求極易誘發(fā)裂縫。

（3）壓頂模板的拆除時(shí)間很關(guān)鍵。先澆筑區(qū)域的壓頂模板拆除時(shí)間要嚴(yán)格控制好,如果拆模時(shí)間過(guò)早在后續(xù)混凝土振搗時(shí)已拆模的混凝土在壓力下會(huì)向外流淌形成臺(tái)階且人工極難處理；如果拆模時(shí)間過(guò)晚會(huì)導(dǎo)致收面困難。

（4）砂漿抹面操作一定要輕。抹面的目的是將表面由氣泡和水泡形成的凹坑填平。抹面要輕。

4 質(zhì)量控制

4.1 標(biāo)準(zhǔn)試塊質(zhì)量成果

根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T 5144-2015）中混凝土質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求,對(duì)施工的鋼纖維混凝土進(jìn)行了28 d齡期150×150 mm標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可見(jiàn)混凝土抗壓強(qiáng)度的平均值Mfcu、最小值fcu,min和強(qiáng)度保證率P均能滿足規(guī)范要求。

4.2 混凝土裂縫控制

經(jīng)統(tǒng)計(jì)整個(gè)混凝土表面共發(fā)現(xiàn)62 條裂縫,裂縫總長(zhǎng)度148 m,其中貫穿性裂縫占44%左右,裂縫走向以平行于結(jié)構(gòu)分塊短邊方向?yàn)橹鳌Ｈ缧柽M(jìn)一步控制裂縫的數(shù)量還需要從結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計(jì)（例如增加配筋、裂縫和分縫的關(guān)系）開(kāi)展更深入的研究。

5 使用效果評(píng)價(jià)

5.1 抗沖蝕效果評(píng)價(jià)

此次修復(fù)完成后經(jīng)歷了一個(gè)完整的2020 年汛期檢驗(yàn),并在2020 年12 月份對(duì)大壩溢流壩段護(hù)坦沖蝕情況進(jìn)行了測(cè)量檢查（測(cè)點(diǎn)間距2.0 m×2.0 m）,結(jié)果表明最大沖蝕厚度43 mm,最小沖蝕厚度3 mm,平均沖蝕厚度22 mm,按照整體結(jié)構(gòu)厚度300 mm考慮,使用年限可大于10 年,遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)的計(jì)劃使用壽命3 年。

5.2 存在的問(wèn)題和改進(jìn)意見(jiàn)

（1）由于高強(qiáng)度混凝土水泥摻量大、水化熱高,極易誘發(fā)溫度和干縮裂縫,應(yīng)合理規(guī)劃分倉(cāng)尺寸和做好混凝土表面養(yǎng)護(hù)工作。

（2）抗沖耐磨混凝土結(jié)構(gòu)未配置鋼筋網(wǎng)也是造成裂縫較多的原因之一（從現(xiàn)場(chǎng)看,裂縫對(duì)抗磨蝕無(wú)顯著不利影響）,如果考慮配筋既能控制裂縫也能延長(zhǎng)混凝土抗磨蝕壽命。

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于尼泊爾高泥沙河流電站運(yùn)行中出現(xiàn)的泄水建筑物嚴(yán)重磨蝕現(xiàn)象,經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐終于探索出技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上更為合理的處理方案,從經(jīng)歷的第一個(gè)完整汛期看,修復(fù)工程的實(shí)際效果明顯好于以往,是可肯定、可推薦的較理想措施。