趙口引黃灌區渠道混凝土耐久性研究

李昭輝，婁本星，彭 鵬

（1.河南省趙口引黃灌區二期工程建設管理局，河南 開封 475000；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；3.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098）

黃河是一條含沙量較高的河流，多年平均年輸沙量為16億t，因此位于黃河流域的水工建筑物通常需要考慮含沙水流對混凝土結構的影響。黃河流域多屬大陸性季風氣候區，冬季干冷，夏季潮熱，凍融循環也是影響混凝土結構服役性能不可忽略的一個因素。在凍融循環與水流沖刷磨蝕的耦合作用下，混凝土的破壞往往會更加嚴重，影響水工建筑物的服役性能和使用壽命。在已有的研究中，混凝土的抗沖刷磨蝕性能引起廣泛關注，學者們研究了泥沙粒徑［1］、礦物摻合料［2－3］、混凝土強度［4－7］、沖磨速率和沖刷角度［8－10］等對混凝土磨蝕速率的影響。在此基礎上，何真［11］從泥沙磨蝕機理出發，指出沖刷磨蝕與其他影響因素耦合作用會加劇水工混凝土結構的破壞。劉明輝等［12］、馬金泉［13］的試驗結果表明，凍融－泥沙耦合作用下混凝土結構的服役壽命較單一凍融條件嚴重縮短，并建立了凍融循環作用下混凝土磨蝕速率的計算模型。由上述研究可以看出，泥沙沖刷對水工建筑物結構安全有較大影響，尤其是凍融－泥沙磨蝕條件下混凝土耐久性會顯著下降。

趙口引黃灌區工程位于黃河下游，灌區渠道混凝土設計時僅考慮了抗凍和抗滲性能。鑒于凍融－泥沙耦合作用下混凝土結構的服役壽命會大大縮短，本文主要研究了凍融－泥沙磨蝕作用下趙口引黃灌區渠道混凝土的耐久性能，以混凝土磨蝕厚度為評價指標，探討趙口引黃灌區渠道混凝土的服役壽命，并提出了修補加固的時間。

1 工程概況

趙口引黃灌區位于河南省黃河南岸的豫東平原。該灌區渠道典型的混凝土強度等級為C25、水膠比0.45、抗凍標號F150、抗滲標號W6。在此配合比下，混凝土立方體28 d抗壓強度為33.5 MPa。

趙口引黃灌區設有7座沉沙池，規劃引黃沉沙方式為集中沉沙，但沉沙池實際未使用，引黃泥沙一直是分散沉積在各級輸水線路上，因此分別對分散沉沙和集中沉沙兩種方式下的含沙量進行計算。在小浪底水庫攔沙期內，采用短系列泥沙資料；在小浪底水庫正常運用期，采用長系列泥沙資料，集中沉沙計算結果見表1。分散沉沙計算方法采用一維非恒定流水沙演進數學模型，分散沉沙計算結果見表2。

表1 集中沉沙計算結果

表2 分散沉沙計算結果（入河口含沙量） kg／m3

2 凍融作用下混凝土動彈性模量衰減規律

動彈性模量是衡量混凝土抗凍融循環性能的重要指標，由于動彈性模量測試方法簡單、適應性好，因此已被多個國家引入標準中。混凝土的相對動彈性模量可由式（1）確定：

式中：ΔEn為n次凍融循環后的相對動彈性模量，%；En為n次凍融循環后的動彈性模量，GPa；E0為凍融循環試驗前的動彈性模量，GPa。

根據趙口引黃灌區混凝土凍融循環試驗結果，混凝土質量損失、相對動彈性模量與凍融次數的關系見表3。由表3可以看出，混凝土的質量損失隨凍融次數的增加而增大，相對動彈性模量隨凍融次數的增加而減小。

表3 混凝土抗凍融試驗結果

混凝土凍融循環n次后的損傷度Dn計算公式為

當損傷度達到40%時，通常認為混凝土已經被破壞。損傷度與凍融次數的關系見圖1，損傷度與凍融次數具有良好的相關關系，通過對相對動彈性模量損傷度進行擬合，得出損傷度與凍融循環次數符合二次函數關系，當凍融次數n＝220次時，損傷度達到40%，此時認為混凝土已經被破壞。根據混凝土試驗規程中快凍法的有關規定，混凝土在凍融循環下室內與室外的關系一般在1∶（10～15），即在室內快凍法中循環1次相當于自然條件下循環10～15次。華北地區的平均凍融次數為84次／a，平均凍融期為120 d／a，故趙口灌區工程中選取年凍融次數為84次［13］。室內試驗與自然條件下的比例選取1∶12，即自然條件下每年的凍融次數對應室內凍融次數為7次，得出凍融條件下混凝土服役壽命大概為31 a，與設計年限（30 a）基本一致。

圖1 損傷度與凍融次數的關系

3 凍融－泥沙沖蝕耦合作用下混凝土磨蝕厚度計算

3.1 計算方法

通常認為，混凝土材料的表面磨損率與水流流速（沙速）、泥沙粒徑、沖磨時間、含沙量、混凝土強度等因素密切相關［1，14］。在凍融－泥沙磨蝕耦合作用下，混凝土強度在凍融作用下不斷降低，進而導致水流沖刷磨蝕速率加快。因此，凍融循環會促進含沙水流對混凝土的磨蝕。為此，文獻［13］提出一種考慮凍融循環的混凝土磨蝕率計算方法：

式中：K為系數；Er為磨蝕率，mm；m為含沙量，kg／m3；v為沙速，m／s；d為泥沙粒徑，mm；f（En）為動彈性模量函數。

3.2 參數選取

根據趙口引黃灌區運行方式，本文以總干渠段作為研究對象，分別對集中沉沙和分散沉沙兩種沉沙方式進行計算，兩種方式下的參數選取如下：

（1）集中沉沙方式。水流流速取設計流速1.32 m／s；過流時長取設計總引水時段58 d；各引水時段含沙量取相應時段計算的出口含沙量；根據表1計算結果，由于沉沙池沉沙效率高，各時段出池顆粒均小于0.05 mm，因此泥沙顆粒粒徑取0.03 mm。

（2）分散沉沙方式。水流流速取設計流速1.32 m／s；過流時長取設計總引水時段58 d；根據表2計算結果，總干渠段含沙量為0.42～16.95 kg／m3，因此選取4種典型含沙量（0.5、5、10、15 kg／m3）進行計算?；▓@口水文站是距離趙口引黃灌區工程總干渠最近的水文站，泥沙顆粒取花園口水文站在小浪底水庫建成運行后的實測數據（見表4），泥沙顆粒粒徑取平均粒徑0.1 mm。

表4 花園口水文站泥沙顆粒級配

3.3 計算結果分析

利用式（3）分別計算得出集中沉沙和分散沉沙方式下混凝土年均磨蝕速率和年磨蝕厚度，見圖2、圖3。

圖2 集中沉沙方式計算結果

圖3 分散沉沙方式計算結果

集中沉沙和分散沉沙方式下的累計磨蝕厚度隨時間的變化情況見圖4。

圖4 累計磨蝕厚度隨時間的變化

根據以上計算結果，可以得出以下結論：

在集中沉沙方式下，年均磨蝕速率和累計磨蝕厚度較小，在運行20 a后，使用短系列泥沙資料得出的磨蝕厚度為0.131 mm，磨蝕速率為0.007 mm／a；使用長系列泥沙資料得出的磨蝕厚度為0.524 mm，磨蝕速率為0.026 mm／a。可以看出，混凝土的磨蝕速率始終處于很低的狀態，受沖刷磨蝕的影響非常小。

在分散沉沙方式下，計算了4種典型泥沙含量下的磨蝕厚度。當泥沙含量為0.5 kg／m3時，年均磨蝕速率和累計磨蝕厚度比較小，運行20 a時的磨蝕速率為0.030 mm／a，磨蝕厚度為0.609 mm，略大于采用集中沉沙和長系列泥沙資料的計算值。當泥沙含量為5 kg／m3時，年均磨蝕速率和累計磨蝕厚度較小，運行20 a時的磨蝕速率為0.304 mm／a，磨蝕厚度為6.085 mm；當泥沙含量為10 kg／m3時，年均磨蝕速率和累計磨蝕厚度較大，運行20 a時的磨蝕速率為0.609 mm／a，磨蝕厚度為12.171 mm；當泥沙含量為15 kg／m3時，磨蝕速率和累計磨蝕厚度最大，運行20 a時的磨蝕速率為0.913 mm／a，磨蝕厚度為18.256 mm。

由集中沉沙和分散沉沙兩種方式下的磨蝕厚度計算結果可以看出，采用沉沙池集中沉沙對于渠道混凝土襯砌的保護作用較強，混凝土受泥沙磨蝕的速率一直處于很低的狀態，在考慮混凝土耐久性時只要考慮凍融作用即可。采用分散沉沙方式進行沉沙處理時，泥沙分布在各個渠道中，隨著泥沙含量和凍融次數的增加，混凝土磨蝕速率不斷加快；尤其當泥沙含量增加到10 kg／m3或者15 kg／m3時，混凝土磨蝕速率較大，對于渠道混凝土襯砌的危害也較大。

3.4 混凝土服役年限分析

在凍融－泥沙磨蝕耦合作用下會加速混凝土表面砂漿層的剝離，造成渠道襯砌板的糙率增大，導致過流能力降低。根據趙口引黃灌區工程中混凝土配合比設計方案，混凝土粗骨料粒徑為5～20 mm和20～40 mm的碎石按照一定比例混合而成，在磨蝕厚度達到10 mm時必然會出現嚴重的骨料外露現象，因此以沖刷厚度達到10 mm為渠道混凝土結構服役失效評價標準。根據分散沉沙計算結果，在泥沙含量分別為0.5、5 kg／m3時，混凝土磨蝕速率較低；在泥沙含量分別為10、15 kg／m3時，混凝土的磨蝕速率處于較高的狀態，可以預測得出泥沙含量為10 kg／m3時混凝土服役年限約為19 a，泥沙含量為15 kg／m3時混凝土服役年限約為15 a。

綜上，趙口引黃灌區混凝土襯砌在單一凍融環境下服役壽命約為31 a。當采用集中沉沙方式時，泥沙對混凝土的磨蝕作用可以忽略不計，只考慮凍融作用對混凝土服役性能的影響。當采用分散沉沙方式時，混凝土的磨蝕速率很大程度上取決于引水的泥沙含量，但在泥沙含量常年小于0.5 kg／m3的渠道，可忽略含沙水流對混凝土的磨蝕作用；在泥沙含量分別為10、15 kg／m3時，相比單一凍融環境下混凝土的服役年限大幅縮短。為防止因混凝土表面磨蝕而產生不必要的水頭損失，對于泥沙含量常年在0.5～5、5～10、10～15 kg／m3的渠道，建議在工程運行20、15、10 a左右時對渠道混凝土進行修補加固。

4 結 論

本文針對趙口引黃灌區工程，研究了在凍融－泥沙沖蝕耦合作用下渠道混凝土的耐久性能，得出如下結論：

（1）采用沉沙池集中沉沙時，混凝土受沖刷磨蝕的速率一直處于很低的狀態，可只考慮凍融作用對混凝土結構的影響。

（2）采用分散沉沙方式時，混凝土沖刷磨蝕速率取決于渠道中的泥沙含量和凍融次數；隨著含沙量和凍融次數的增加，混凝土的磨蝕速率顯著增大。

（3）單一凍融環境下混凝土的服役壽命約為31 a，在凍融－泥沙沖蝕耦合作用下，混凝土的服役年限大幅縮短，尤其當泥沙含量為10、15 kg／m3時混凝土服役年限約為19、15 a。

（4）為防止因混凝土表面磨蝕而產生不必要的水頭損失，對于泥沙含量常年在0.5～5、5～10、10～15 kg／m3的渠道，建議在工程運行20、15、10 a左右時對渠道混凝土進行修補加固。