高水頭大流速臨時(shí)導(dǎo)流底孔抗沖耐磨方案優(yōu)化

張 敬， 劉小強(qiáng)

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

1 工程概況

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的溪洛渡峽谷，是金沙江下游河段開發(fā)規(guī)劃的第三個(gè)梯級。電站距離下游宜賓市河道里程184 km，是一座以發(fā)電為主，兼有攔沙、防洪和改善下游航運(yùn)等綜合利用效益的巨型水電工程，其中攔河大壩采用雙曲拱壩，壩頂高程610.0 m，最大壩高285.50 m。水庫正常蓄水位600.0 m，總庫容115.7億m3，總裝機(jī)容量12 600 MW。

2 導(dǎo)流底孔布置

為滿足施工期導(dǎo)流要求，溪洛渡拱壩壩身分兩個(gè)高程，共設(shè)置10個(gè)臨時(shí)導(dǎo)流底孔，后期下閘封堵，其中1～6號導(dǎo)流底孔位于高程410 m的13～16號壩段，7～10號導(dǎo)流底孔位于高程450 m的11號及20號壩段，底孔孔身斷面分別為5 m×11 m、3.5 m×9 m(寬×高)，如圖1、2所示。導(dǎo)流底孔均按有壓流設(shè)計(jì)，出口采用洞頂壓坡，洞頂壓坡坡度為1 ∶6。各導(dǎo)流底孔進(jìn)水口設(shè)平板閘門，3號、4號、7～10號出口設(shè)弧形閘門。

圖1 導(dǎo)流底孔平面布置示意

圖2 導(dǎo)流底孔上游示意

3 導(dǎo)流底孔運(yùn)行條件

3.1 過流時(shí)間

根據(jù)導(dǎo)流規(guī)劃，2012年7月1～6號導(dǎo)流底孔開始運(yùn)行，與2～5號導(dǎo)流洞聯(lián)合泄洪。

1、2、5、6號導(dǎo)流底孔2012年12月中旬下閘封堵，過流時(shí)段約6個(gè)月，跨1個(gè)汛期，最大運(yùn)行水位457.21 m，下閘水位425.54 m。

3、4號導(dǎo)流底孔從2012年7月啟用，至2013年5月初下閘，運(yùn)行時(shí)段約10個(gè)月，含1個(gè)汛期及1個(gè)枯期，最大運(yùn)行水位465.0 m，下閘水位465.00 m。

7～10號導(dǎo)流底孔從2012年12月運(yùn)行，2013年11月中旬下閘，2013年11月～2014年4月進(jìn)行封堵，運(yùn)行時(shí)段約10個(gè)月，含1個(gè)枯期及1個(gè)汛期，最大運(yùn)行水位587.47 m。

3.2 水頭及過流流速

2012年汛期不同度汛標(biāo)準(zhǔn)下，1～10號導(dǎo)流底孔運(yùn)行特征值見表1。根據(jù)施工導(dǎo)流規(guī)劃：1、2、5、6號導(dǎo)流底孔過流時(shí)間6個(gè)月，主要運(yùn)行工況下流速不太大，最大水頭約45.26 m，最大流速27.80 m/s， 對應(yīng)1%度汛標(biāo)準(zhǔn)，流量34 800 m3/s，在高流速下運(yùn)行的時(shí)間短，且同時(shí)出現(xiàn)的概率較?。?、4號導(dǎo)流底孔過流時(shí)間10個(gè)月，主要運(yùn)行工況下流速不大，最大水頭53.75 m，最大流速為28.08 m/s，高流速下運(yùn)行時(shí)間較短，約1個(gè)月；7～10號導(dǎo)流底孔在2013年汛期最大水頭137.47 m，最大流速41.78 m/s，運(yùn)行時(shí)間約3個(gè)月。

表1 2012年汛期不同度汛標(biāo)準(zhǔn)下導(dǎo)流底孔運(yùn)行特征值

3.3 過流水流沖刷條件

溪洛渡上游圍堰距大壩水平約150 m，拆除頂高程為410.00 m，根據(jù)圍堰拆除方式，僅對其頂部開口泄流，拆除物不進(jìn)入下游，仍保留大部分圍堰體，可對水流中泥沙有一定攔截作用，并可減緩水流流速，故導(dǎo)流底孔內(nèi)含碎塊石過流的可能性較小，導(dǎo)流底孔流道磨損主要來源于懸砂等顆粒較小的懸移質(zhì)，隨著時(shí)間推移，導(dǎo)流底孔將清水過流。

4 導(dǎo)流底孔抗沖耐磨設(shè)計(jì)

4.1 提高過流表面抗沖耐磨性能主要措施

目前提高泄流建筑物過流表面抗沖耐磨性能的主要措施如下文所述。

4.1.1 提高混凝土材料抗沖耐磨性能

(1)采取高強(qiáng)度混凝土。根據(jù)建筑物所處環(huán)境及水流沖刷特性，選用C35、C40、C45、C50、C60，以及大于C60等高強(qiáng)度混凝土。

(2)提高骨料的耐磨性能。為提高骨料的抗沖耐磨性能，可選用質(zhì)地致密與堅(jiān)硬的花崗巖、輝綠巖、石灰?guī)r等粗骨料，根據(jù)需要還可選用鑄石、鐵鋼砂、鐵礦石等硬度更高、耐磨性更好的粗骨料。對于細(xì)骨料，可選用質(zhì)地堅(jiān)硬的礦物顆粒、保證級配良好等措施。

(3)提高水泥結(jié)石強(qiáng)度等級。為避免因沖刷導(dǎo)致水泥結(jié)石被磨損，可選用抗沖磨強(qiáng)度高的水泥。

(4)提高骨料與水泥結(jié)石的黏結(jié)強(qiáng)度。增大骨料表面粗糙度，與表面平滑的卵石相比，表面粗糙的骨料與水泥石間機(jī)械咬合作用更大，黏結(jié)強(qiáng)度更高；降低水膠比，可以減少水泥石與骨料界面的空隙，提高界面密實(shí)度，從而提高界面黏結(jié)強(qiáng)度；摻加硅灰，其超細(xì)顆粒的物理填充作用，可以提高界面密實(shí)度，顯著提高界面黏結(jié)強(qiáng)度。

(5)摻合料。用于抗沖磨混凝土的摻合料有兩類：一類是直接用于增強(qiáng)耐磨性的摻合料，這部分摻合料可以代替部分細(xì)骨料，如鋼屑、鋼纖維、金鋼砂等。另一類是用于增強(qiáng)混凝土的致密性和強(qiáng)度的摻合料，常用的有硅灰、粉煤灰及細(xì)礦渣粉等。更多是把兩種或兩種以上的摻合料同時(shí)摻合到混凝土中，各自發(fā)揮優(yōu)點(diǎn)，形成優(yōu)勢互補(bǔ)。

4.1.2 混凝土過流面表層采用特種材料涂層

采用新型有機(jī)高分子復(fù)合材料抗沖磨技術(shù)，利用特種高分子材料的高強(qiáng)度、高韌性特點(diǎn)來解決高速含沙水流的沖擊磨損。常采用特種材料，如：環(huán)氧樹脂材料、聚脲材料、聚氨酯材料等，將特種材料噴涂在混凝土表面，不僅具有較好的抗沖耐磨性能，與混凝土表面有較好的黏結(jié)能力，施工方便且便于修復(fù)。

4.1.3 鋼板襯砌

在孔口或隧洞流道表面鋪設(shè)鋼板，安裝與混凝土澆筑同時(shí)進(jìn)行，后期進(jìn)行接觸灌漿，保證鋼襯與混凝土表面的緊密黏結(jié)。常規(guī)的鋼板由于長期運(yùn)行易發(fā)生銹蝕，現(xiàn)在開始采用不銹鋼復(fù)合鋼板，如：溪洛渡深孔、三峽排砂底孔等，既能保證抗沖耐磨要求，又能保證長期運(yùn)行安全。

4.2 溪洛渡導(dǎo)流底孔抗沖耐磨方案選擇

可研～招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)溪洛渡導(dǎo)流底孔運(yùn)行條件、水流沖刷條件等，研究了以下幾種抗沖耐磨方案。

4.2.1 鋼板襯砌

可研設(shè)計(jì)時(shí)，研究了導(dǎo)流底孔全斷面采用鋼板襯砌的方案。鋼板襯砌具有抗沖耐磨性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)高，制作安裝工藝復(fù)雜，且后期封堵時(shí)鋼襯拆除、接觸灌漿難度大，施工工期相對較長。

4.2.2 高強(qiáng)度混凝土

考慮到鋼板襯砌的不利因素，招標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)研究了高強(qiáng)度混凝土的方案，采取導(dǎo)流底孔過流表面四周采用0.6 m厚的C50抗沖耐磨混凝土，0.6 m以外混凝土強(qiáng)度等級同大壩混凝土，孔身過流面鋼筋混凝土保護(hù)層15 cm。

由于導(dǎo)流底孔主要運(yùn)行工況下水流流速不太大，在高流速下運(yùn)行的時(shí)間短，且同時(shí)出現(xiàn)的概率較小。根據(jù)有限元計(jì)算分析成果，導(dǎo)流底孔冬季過流為最不利工況，溫度荷載是孔身應(yīng)力變形的控制因素，因此需要在導(dǎo)流底孔周邊一定范圍的混凝土溫控措施中增加一控溫階段，確?？咨聿怀霈F(xiàn)或少出現(xiàn)溫度裂縫。高強(qiáng)度混凝土方案具有施工方便，節(jié)省工期的優(yōu)點(diǎn)，但對抗沖耐磨能力的提高有一定局限。

4.2.3 高強(qiáng)度混凝土+聚氨酯

為保證安全度汛的可靠性，并結(jié)合孔口溫控保溫的要求，施工階段對導(dǎo)流底孔抗沖耐磨措施進(jìn)行優(yōu)化，研究底孔流道高強(qiáng)度混凝土+聚氨酯混合材料的方案。

聚氨酯是由多異氰酸酯與多羥基低聚物等原料形成的聚合物，具有優(yōu)異的物理性能，最突出的是耐磨性優(yōu)異、耐沖擊、耐彎折、耐疲勞，混凝土表面附著力高。聚氨酯噴涂技術(shù)施工快捷方便，無論是施工期間，還是材料投入使用后，涂層均不產(chǎn)生有害物質(zhì)和刺激性氣味，屬環(huán)境友好型材料，后期底孔封堵前容易鑿除，方便底孔封堵施工。同時(shí)，噴涂聚氨酯后，表明對底孔流道覆蓋封閉，能有效緩解導(dǎo)流底孔冬季過流時(shí)溫度荷載對孔口開裂的影響。

綜合考慮導(dǎo)流底孔運(yùn)行水頭、流速、時(shí)段、孔口溫控、工程投資、施工方便等方面的因素，導(dǎo)流底孔抗沖耐磨選擇高強(qiáng)度混凝土+聚氨酯方案。

4.3 溪洛渡導(dǎo)流底孔抗沖耐磨設(shè)計(jì)

4.3.1 聚氨酯混合材料性能

聚氨酯材料由噴涂材料及發(fā)泡劑、催化劑、助燃劑、抗老劑等外加劑材料組成。

(1)聚氨酯泡沫塑料性能指標(biāo)見表2。

表2 聚氨酯泡沫塑料主要性能指標(biāo)

(2)發(fā)泡劑。發(fā)泡劑在反應(yīng)時(shí)加入低沸點(diǎn)氯氟烴，受熱揮發(fā)形成氣體，被聚氨酯料液包裹形成泡沫。

(3)催化劑。催化劑主要是用來控制主反應(yīng)的快慢，催化劑加入量可以將反應(yīng)時(shí)間控制在1～15 s，噴涂條件的反應(yīng)時(shí)間一般為3～5 s。

(4)穩(wěn)定劑。穩(wěn)定劑主要用來控制泡孔的均勻程度以及泡孔的大小，穩(wěn)定劑可以促進(jìn)乳狀液與溶液之間的混溶，同時(shí)可以降低體系的表面張力，增加泡沫的穩(wěn)定性。

(5)阻燃劑。阻燃劑是針對泡沫表面積大，易燃而做出的防范措施。

4.3.2 施工要求

(1)底孔混凝土模板拆除后，5～7 d內(nèi)即進(jìn)行聚氨酯保溫材料噴涂。

(2)噴涂施工前應(yīng)保證混凝土面潔凈、無污物、無濕潤水、干燥。

(3)噴涂用空氣壓力0.3～0.4 MPa。噴涂時(shí)噴槍對準(zhǔn)混凝土面，噴槍與混凝土面垂直，距混凝土面40～80 cm距離，最大噴涂距離可達(dá)到3 m，噴槍移動(dòng)速度0.5～0.8 m/s。

(4)噴涂層物料噴涂到被噴物表面上，顏色變白的時(shí)間，一般控制在3～7 s。

(5)噴涂物表面溫度低時(shí)乳白時(shí)間較長，發(fā)泡后底層密度大，黏合不牢，泡沫容易從混凝土表面脫落，此時(shí)需增加催化劑用量，或者加熱噴霧壓縮空氣，加熱溫度至50～60℃。

(6)噴涂完成后24 h內(nèi)禁止流水沖刷，要求表面平整。不準(zhǔn)出現(xiàn)起伏波浪；不準(zhǔn)出現(xiàn)漏噴、多噴；不準(zhǔn)出現(xiàn)收縮變形，發(fā)脆、發(fā)酥、發(fā)泡量小、密度不均，大孔開裂和燒心現(xiàn)象；不準(zhǔn)出現(xiàn)聚氨酯保溫材料與混凝土脫離現(xiàn)象。

4.4 溪洛渡導(dǎo)流底孔抗沖耐磨應(yīng)用效果

通過汛后檢查，底孔流道聚氨酯材料與混凝土結(jié)合緊密，混凝土保護(hù)較好，未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模沖刷破壞現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)大范圍開裂現(xiàn)象。通過實(shí)踐證明，采取“高強(qiáng)度混凝土+聚氨酯混合材料”方案，考慮適當(dāng)工程措施，能滿足導(dǎo)流底孔安全運(yùn)行要求。

5 結(jié) 論

(1)進(jìn)行抗沖耐磨方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑物運(yùn)行條件、沖刷條件等初擬方案，從滿足抗沖耐磨要求，兼顧經(jīng)濟(jì)有效、節(jié)約工期、方便施工等綜合考慮確定。

(2)從設(shè)計(jì)理念看，大壩及流道均存在局部開裂的風(fēng)險(xiǎn)，但通過一些合理的、必要的處理措施，可以有效地減少或避免開裂。在導(dǎo)流底孔施工中，將采用加強(qiáng)溫度控制、優(yōu)化鋼筋配置、過流前全面檢查修補(bǔ)等方式，有效解決孔身開裂等問題。

(3)通過對導(dǎo)流底孔抗沖耐磨設(shè)計(jì)優(yōu)化，取消鋼襯保護(hù)，采用“高強(qiáng)度混凝土+聚氨酯混合材料”，既保證底孔結(jié)構(gòu)抗沖耐磨安全，又能有效緩解導(dǎo)流底孔冬季過流時(shí)溫度荷載對孔口開裂的影響，節(jié)省工程造價(jià)，加快工程施工進(jìn)度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊春光.水工混凝土抗沖磨機(jī)理及特性的研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2006.

[2] 劉益軍，王家順，黃國泓.噴涂聚氨酯技術(shù)在水工耐磨防腐中的應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展，2006，26(3).

[3] 李紹雄，劉益軍.聚氨酯樹脂及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:670-700.

[4] 黃微波，楊字潤，徐德喜，等.噴涂聚脲彈性體技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].化工進(jìn)展，2000，19(5):24-28.

[5] 趙波.彈性聚氨酯材料在寶雞峽加閘工程沖砂底孔抗沖磨防護(hù)上的應(yīng)用[J].陜西水力發(fā)電，2001，17(3):39-41.

[6] 吳懷國，趙德海，孫志恒.噴涂聚脈彈性體技術(shù)應(yīng)用展望[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2003(3):232-235.