趙口引黃灌區(qū)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(qū)二期工程建設(shè)管理局，河南 開封 475000；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；3.河海大學(xué) 水利水電學(xué)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響。黃河流域多屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季干冷，夏季潮熱，凍融循環(huán)也是影響混凝土結(jié)構(gòu)服役性能不可忽略的一個(gè)因素。在凍融循環(huán)與水流沖刷磨蝕的耦合作用下，混凝土的破壞往往會(huì)更加嚴(yán)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(guān)注，學(xué)者們研究了泥沙粒徑［1］、礦物摻合料［2－3］、混凝土強(qiáng)度［4－7］、沖磨速率和沖刷角度［8－10］等對(duì)混凝土磨蝕速率的影響。在此基礎(chǔ)上，何真［11］從泥沙磨蝕機(jī)理出發(fā)，指出沖刷磨蝕與其他影響因素耦合作用會(huì)加劇水工混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。劉明輝等［12］、馬金泉［13］的試驗(yàn)結(jié)果表明，凍融－泥沙耦合作用下混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命較單一凍融條件嚴(yán)重縮短，并建立了凍融循環(huán)作用下混凝土磨蝕速率的計(jì)算模型。由上述研究可以看出，泥沙沖刷對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)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(huì)顯著下降。

趙口引黃灌區(qū)工程位于黃河下游，灌區(qū)渠道混凝土設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮了抗凍和抗?jié)B性能。鑒于凍融－泥沙耦合作用下混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命會(huì)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(qū)渠道混凝土的耐久性能，以混凝土磨蝕厚度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探討趙口引黃灌區(qū)渠道混凝土的服役壽命，并提出了修補(bǔ)加固的時(shí)間。

1 工程概況

趙口引黃灌區(qū)位于河南省黃河南岸的豫東平原。該灌區(qū)渠道典型的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25、水膠比0.45、抗凍標(biāo)號(hào)F150、抗?jié)B標(biāo)號(hào)W6。在此配合比下，混凝土立方體28 d抗壓強(qiáng)度為33.5 MPa。

趙口引黃灌區(qū)設(shè)有7座沉沙池，規(guī)劃引黃沉沙方式為集中沉沙，但沉沙池實(shí)際未使用，引黃泥沙一直是分散沉積在各級(jí)輸水線路上，因此分別對(duì)分散沉沙和集中沉沙兩種方式下的含沙量進(jìn)行計(jì)算。在小浪底水庫(kù)攔沙期內(nèi)，采用短系列泥沙資料；在小浪底水庫(kù)正常運(yùn)用期，采用長(zhǎng)系列泥沙資料，集中沉沙計(jì)算結(jié)果見表1。分散沉沙計(jì)算方法采用一維非恒定流水沙演進(jìn)數(shù)學(xué)模型，分散沉沙計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 集中沉沙計(jì)算結(jié)果

表2 分散沉沙計(jì)算結(jié)果（入河口含沙量） kg／m3

2 凍融作用下混凝土動(dòng)彈性模量衰減規(guī)律

動(dòng)彈性模量是衡量混凝土抗凍融循環(huán)性能的重要指標(biāo)，由于動(dòng)彈性模量測(cè)試方法簡(jiǎn)單、適應(yīng)性好，因此已被多個(gè)國(guó)家引入標(biāo)準(zhǔn)中?；炷恋南鄬?duì)動(dòng)彈性模量可由式（1）確定：

式中：ΔEn為n次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量，%；En為n次凍融循環(huán)后的動(dòng)彈性模量，GPa；E0為凍融循環(huán)試驗(yàn)前的動(dòng)彈性模量，GPa。

根據(jù)趙口引黃灌區(qū)混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，混凝土質(zhì)量損失、相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融次數(shù)的關(guān)系見表3。由表3可以看出，混凝土的質(zhì)量損失隨凍融次數(shù)的增加而增大，相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融次數(shù)的增加而減小。

表3 混凝土抗凍融試驗(yàn)結(jié)果

混凝土凍融循環(huán)n次后的損傷度Dn計(jì)算公式為

當(dāng)損傷度達(dá)到40%時(shí)，通常認(rèn)為混凝土已經(jīng)被破壞。損傷度與凍融次數(shù)的關(guān)系見圖1，損傷度與凍融次數(shù)具有良好的相關(guān)關(guān)系，通過對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量損傷度進(jìn)行擬合，得出損傷度與凍融循環(huán)次數(shù)符合二次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)凍融次數(shù)n＝220次時(shí)，損傷度達(dá)到40%，此時(shí)認(rèn)為混凝土已經(jīng)被破壞。根據(jù)混凝土試驗(yàn)規(guī)程中快凍法的有關(guān)規(guī)定，混凝土在凍融循環(huán)下室內(nèi)與室外的關(guān)系一般在1∶（10～15），即在室內(nèi)快凍法中循環(huán)1次相當(dāng)于自然條件下循環(huán)10～15次。華北地區(qū)的平均凍融次數(shù)為84次／a，平均凍融期為120 d／a，故趙口灌區(qū)工程中選取年凍融次數(shù)為84次［13］。室內(nèi)試驗(yàn)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(shù)對(duì)應(yīng)室內(nèi)凍融次數(shù)為7次，得出凍融條件下混凝土服役壽命大概為31 a，與設(shè)計(jì)年限（30 a）基本一致。

圖1 損傷度與凍融次數(shù)的關(guān)系

3 凍融－泥沙沖蝕耦合作用下混凝土磨蝕厚度計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

通常認(rèn)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(shí)間、含沙量、混凝土強(qiáng)度等因素密切相關(guān)［1，14］。在凍融－泥沙磨蝕耦合作用下，混凝土強(qiáng)度在凍融作用下不斷降低，進(jìn)而導(dǎo)致水流沖刷磨蝕速率加快。因此，凍融循環(huán)會(huì)促進(jìn)含沙水流對(duì)混凝土的磨蝕。為此，文獻(xiàn)［13］提出一種考慮凍融循環(huán)的混凝土磨蝕率計(jì)算方法：

式中：K為系數(shù)；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(dòng)彈性模量函數(shù)。

3.2 參數(shù)選取

根據(jù)趙口引黃灌區(qū)運(yùn)行方式，本文以總干渠段作為研究對(duì)象，分別對(duì)集中沉沙和分散沉沙兩種沉沙方式進(jìn)行計(jì)算，兩種方式下的參數(shù)選取如下：

（1）集中沉沙方式。水流流速取設(shè)計(jì)流速1.32 m／s；過流時(shí)長(zhǎng)取設(shè)計(jì)總引水時(shí)段58 d；各引水時(shí)段含沙量取相應(yīng)時(shí)段計(jì)算的出口含沙量；根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，由于沉沙池沉沙效率高，各時(shí)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(shè)計(jì)流速1.32 m／s；過流時(shí)長(zhǎng)取設(shè)計(jì)總引水時(shí)段58 d；根據(jù)表2計(jì)算結(jié)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(jìn)行計(jì)算?；▓@口水文站是距離趙口引黃灌區(qū)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(kù)建成運(yùn)行后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（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(jí)配

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

利用式（3）分別計(jì)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(jì)算結(jié)果

圖3 分散沉沙方式計(jì)算結(jié)果

集中沉沙和分散沉沙方式下的累計(jì)磨蝕厚度隨時(shí)間的變化情況見圖4。

圖4 累計(jì)磨蝕厚度隨時(shí)間的變化

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

在集中沉沙方式下，年均磨蝕速率和累計(jì)磨蝕厚度較小，在運(yùn)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(zhǎng)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?？梢钥闯?，混凝土的磨蝕速率始終處于很低的狀態(tài)，受沖刷磨蝕的影響非常小。

在分散沉沙方式下，計(jì)算了4種典型泥沙含量下的磨蝕厚度。當(dāng)泥沙含量為0.5 kg／m3時(shí)，年均磨蝕速率和累計(jì)磨蝕厚度比較小，運(yùn)行20 a時(shí)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(zhǎng)系列泥沙資料的計(jì)算值。當(dāng)泥沙含量為5 kg／m3時(shí)，年均磨蝕速率和累計(jì)磨蝕厚度較小，運(yùn)行20 a時(shí)的磨蝕速率為0.304 mm／a，磨蝕厚度為6.085 mm；當(dāng)泥沙含量為10 kg／m3時(shí)，年均磨蝕速率和累計(jì)磨蝕厚度較大，運(yùn)行20 a時(shí)的磨蝕速率為0.609 mm／a，磨蝕厚度為12.171 mm；當(dāng)泥沙含量為15 kg／m3時(shí)，磨蝕速率和累計(jì)磨蝕厚度最大，運(yùn)行20 a時(shí)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(jì)算結(jié)果可以看出，采用沉沙池集中沉沙對(duì)于渠道混凝土襯砌的保護(hù)作用較強(qiáng)，混凝土受泥沙磨蝕的速率一直處于很低的狀態(tài)，在考慮混凝土耐久性時(shí)只要考慮凍融作用即可。采用分散沉沙方式進(jìn)行沉沙處理時(shí)，泥沙分布在各個(gè)渠道中，隨著泥沙含量和凍融次數(shù)的增加，混凝土磨蝕速率不斷加快；尤其當(dāng)泥沙含量增加到10 kg／m3或者15 kg／m3時(shí)，混凝土磨蝕速率較大，對(duì)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(huì)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(dǎo)致過流能力降低。根據(jù)趙口引黃灌區(qū)工程中混凝土配合比設(shè)計(jì)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(dá)到10 mm時(shí)必然會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的骨料外露現(xiàn)象，因此以沖刷厚度達(dá)到10 mm為渠道混凝土結(jié)構(gòu)服役失效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)分散沉沙計(jì)算結(jié)果，在泥沙含量分別為0.5、5 kg／m3時(shí)，混凝土磨蝕速率較低；在泥沙含量分別為10、15 kg／m3時(shí)，混凝土的磨蝕速率處于較高的狀態(tài)，可以預(yù)測(cè)得出泥沙含量為10 kg／m3時(shí)混凝土服役年限約為19 a，泥沙含量為15 kg／m3時(shí)混凝土服役年限約為15 a。

綜上，趙口引黃灌區(qū)混凝土襯砌在單一凍融環(huán)境下服役壽命約為31 a。當(dāng)采用集中沉沙方式時(shí)，泥沙對(duì)混凝土的磨蝕作用可以忽略不計(jì)，只考慮凍融作用對(duì)混凝土服役性能的影響。當(dāng)采用分散沉沙方式時(shí)，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(duì)混凝土的磨蝕作用；在泥沙含量分別為10、15 kg／m3時(shí)，相比單一凍融環(huán)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(chǎn)生不必要的水頭損失，對(duì)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(yùn)行20、15、10 a左右時(shí)對(duì)渠道混凝土進(jìn)行修補(bǔ)加固。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)趙口引黃灌區(qū)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(jié)論：

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

（2）采用分散沉沙方式時(shí)，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(shù)；隨著含沙量和凍融次數(shù)的增加，混凝土的磨蝕速率顯著增大。

（3）單一凍融環(huán)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(dāng)泥沙含量為10、15 kg／m3時(shí)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(chǎn)生不必要的水頭損失，對(duì)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(yùn)行20、15、10 a左右時(shí)對(duì)渠道混凝土進(jìn)行修補(bǔ)加固。