水電站泄洪隧洞抗沖耐磨混凝土施工技術研究

何 克

（中鐵建大橋工程局集團第五工程有限公司，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行期間的可靠性造成嚴重影響。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[3-5]基于實際工程對抗沖耐磨混凝土展開了配合比設計及性能試驗，為后續工程設計及施工提供了必要的技術依據；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，結合實際工程探究了混凝土溫控防裂技術措施。而在施工技術方面，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[9-12]基于實際工程對水電站抗沖耐磨混凝土施工技術進行了研究，介紹了抗沖耐磨混凝土施工過程質量控制措施，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，通過試驗方法對抗沖耐磨混凝土的配合比及振搗工藝展開研究，驗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組合，并對泄洪隧道抗沖耐磨混凝土施工工藝進行介紹。

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電系統等組成。其中，樞紐泄水建筑物右岸包括設有洞式溢洪道、深孔泄洪洞和利用施工中期導流洞改建的水庫放空洞，左岸設有利用施工后期導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 泄洪系統襯砌混凝土概況

洞式溢洪道進、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。

放空洞龍抬頭段、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。龍抬頭段、短緩坡段頂拱及頂拱以下1 m 邊墻范圍內采用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計

2.1 第一階段抗沖耐磨混凝土配合比試驗

2.1.1 試驗過程

第一階段試驗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度要求的基準配合比，并與普硅水泥+粉煤灰+HB7-1 型抗沖磨劑方案進行對比，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，從90d 抗壓強度與抗沖磨強度試驗結果，可得出如下結論：（1）C9040、C9050 強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度，28d 抗沖磨強度在5.4～6.6 h/（m2·kg），預估90d 抗沖磨強度約為6～8 h/（m2·kg），處于同類工程經驗值的下限值；（3）硅粉摻入后，坍落度約為180 mm，流動性及施工性能較差，減水劑摻量與推薦摻量相差較遠，后期需同步動態調整；（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

2.2.1 試驗過程

第二階段試驗采用兩種方案實施，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，試驗砂石粉含量為16.8%，低熱硅酸鹽水泥28d 抗壓強度為45.3 MPa，硅粉摻量為3%、5%。

室內試驗結束后，在工藝性試驗時發現混凝土拌合物和易性較粘稠且水膠比較小，因此進行新材料的研究。即摻加一種具有增強（度）降粘（稠）的新型摻合料的試拌試驗。

2.2.2 結果分析

細骨料：人工砂石粉含量16.3%，接近規范規定（6%～18%）的上限。

粗骨料：人工碎石，其壓碎指標為17.7%。根據規范的規定，該骨料只適宜于配制強度等級小于40 MPa 的混凝土。

混凝土的性能：本次試驗中，不論是否摻加硅粉，混凝土均較為粘稠，無泌水，排氣較慢，振搗時間約30 s，混凝土振搗泛漿時間比一般混凝土的振搗泛漿時間長，混凝土施工性能有待進一步改善。

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

采用現有原材料、配合比配制出的混凝土滿足設計要求，但混凝土的水膠比比其他工程同強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：對比現場已進行的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，7d 混凝土抗壓強度提升30%~50%；28d 混凝土抗壓強度提升20%~45%；90d 混凝土抗壓強度提升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，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，膠材用量降低7.8 kg/m3；水膠比為0.32 時，膠材用量降低6.54 kg/m3。在混凝土抗壓強度滿足要求情況下，總膠材用量降低能夠減少混凝土溫升放熱，提升結構混凝土抗裂性能。

3 混凝土振搗工藝試驗

采用鋼化玻璃作為模板進行試驗，從振搗機具、振搗時間、振搗工藝等方面進行對比試驗，尋求解決氣泡問題的關鍵因素，得到當前配合比氣泡排出的最佳振搗參數組合，同時驗證混凝土和易性和90d 抗壓強度。

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

4 抗沖耐磨混凝土施工工藝

傳統洞身襯砌施工順序按照先底板、再邊墻、后頂拱的順序進行。根據兩河口、白鶴灘水電站調研經驗，傳統的洞身襯砌施作混凝土施工質量難以控制。主要表現為邊墻、頂拱結合部位產生約束裂縫多，底板摻氣坎體型無法控制，且混凝土成品保護難度大。從混凝土質量控制方面考慮，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

鋼筋由加工廠統一加工運送至現場，利用鋼筋臺車上的起重設備吊裝至各層作業平臺，人工進行安裝、綁扎，鋼筋接頭采取機械套筒連接，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

采用人工高壓風水槍將已噴混凝土墻面縫面沖洗干凈，并將兩側邊墻雙層鋼筋內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，邊墻臺車均在洞內進行安裝，現場布置25 t 汽車吊，并利用卷揚機等配合安裝。邊墻臺車就位后，由液壓系統將邊墻模板支撐到位，并采用全站儀進行模板的校核、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輸至現場，平板車倒料至料斗內，上料系統通過傳送帶將混凝土送入邊墻臺車頂部轉料系統，頂部轉料系統通過下料口和串筒將混凝土送入倉內，在邊墻鋼模臺車頂部進料，人工進入邊墻內進行振搗?；炷猎趥}內下落垂直高度應控制在1.5 m 以內，兩側邊墻下料高差控制在50 cm 內。

4.5 邊墻脫模和縫面處理

邊墻模板應在混凝土強度超過2.5 MPa 以上時拆模，一般不少于48 h 進行拆模。鋼模臺車再脫模后，需在混凝土終凝后對環向施工縫進行鑿毛處理，鑿毛處理的施工縫應無乳皮，粗骨料出露1/3 且無松動骨料。

4.6 混凝土養護

在混凝土終凝后，應對其進行灑水養護，過流面養護至蓄水。當溫度高于25℃時，邊墻襯砌混凝土表面應實行不間斷的流水養護；當溫度低于25℃時，夜間可實行間隔1 h 的間斷流水養護。為防止混凝土內外溫差過大，在混凝土澆筑之前應預埋冷卻水管，采用制冷水設備給冷卻管通冷水，以減小混凝土內外溫差。在混凝土澆筑時開始通水，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小于20℃，混凝土的降溫速度不應過快，應小于0.5~1℃/d，且冷卻水的進出口應24 h 交換一次。

4.7 洞室實施效果

通過最佳振搗參數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、氣泡數量及表觀質量均達到了預期效果，如圖4 所示。

圖4 深孔泄洪洞現場圖

5 結論

通過對深孔泄洪洞抗沖耐磨混凝土的配合比設計、振搗施工工藝進行研究，結果表明，硅粉摻入后，混凝土的流動性及施工性能較差；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，混凝土抗壓強度增加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得出最佳振搗參數組合；采用最佳振搗參數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、氣泡數量及表觀質量均達到了預期效果。隨著混凝土強度的不斷提高，國內外對于超高性能混凝土抗沖耐磨性能的研究較少，未來應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劣。