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高速水流作用下水工混凝土防沖磨設(shè)計(jì)
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摘要:在高速水流的作用下,泥砂的運(yùn)移沖刷,是水工混凝土表面沖刷破壞的主要原因,而鋼砂混凝土可增強(qiáng)混凝土的抗沖擊韌性,是一種理想的抗沖磨材料,技術(shù)上可靠,經(jīng)濟(jì)上合理,值得大力推廣。文章介紹了鋼砂混凝土在雨補(bǔ)水庫(kù)導(dǎo)流隧洞的使用情況。 關(guān)鍵詞:高速水流;混凝土;防沖磨損 中圖分類(lèi)號(hào):TV431 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1006 - 395102 - 0053 - 02 1 概述 我國(guó)的江河,以含沙量而著稱于世。水利工程多年淤積的泥沙,隨著沖砂或泄洪的高速水流的運(yùn)動(dòng),所挾泥沙以懸移質(zhì)為主,對(duì)水工混凝土表產(chǎn)生了沖磨破壞。水工混凝土磨損破壞程度與泥砂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、水流流速、河道含砂量、泥砂顆粒形狀及粒徑、硬度等有關(guān)。 水庫(kù)泄洪時(shí)懸移質(zhì)顆粒細(xì)小,在水流紊動(dòng)作用下,能與水流一起均衡運(yùn)行磨損混凝土表面,但不具備沖擊能力,所以決定水工混凝土強(qiáng)度的是表面硬度而不是韌性,懸沙隨水流運(yùn)動(dòng),對(duì)水工混凝土表面進(jìn)行摩擦,造成均勻沖磨剝離。隨著磨損剝離程度的增加,由于混凝土非均質(zhì)性,過(guò)流表面形成各種漩渦流,這些漩渦流的強(qiáng)度,隨著流速的增大而加劇,繼而出現(xiàn)空蝕破壞。 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),在水流流速不大于10 m/s時(shí),普通碳素鋼表面無(wú)明顯磨損現(xiàn)象,C20混凝土表面磨損也十分輕微,而當(dāng)水流流速達(dá)18 ~ 20 m/s 時(shí),經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用,不但鋼材會(huì)招至嚴(yán)重破壞,而且C20混凝土表面粗骨料裸骨,出現(xiàn)沖磨坑,當(dāng)流速達(dá)20 m/s 時(shí),20 mm 厚鋼板歷時(shí)2 540 h 即被磨穿。四川省南椏河石棉二級(jí)電站沖砂閘、都江堰工程飛砂堰和漁子溪一級(jí)電站、黃河三門(mén)峽電站泄洪建筑物等工程,在泥砂的磨損、沖擊作用下都產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞,特別是劉家峽水電站泄洪洞成為全國(guó)大型泄洪洞中沖蝕磨損破壞最嚴(yán)重的典型。 2 工程實(shí)例 彌勒縣雨補(bǔ)水庫(kù)導(dǎo)流泄流隧洞,其主要任務(wù)是施工期導(dǎo)流,工程建成后擔(dān)負(fù)著泄洪和沖砂任務(wù)。豎井前為有壓隧洞,圓形斷面,豎井后為無(wú)壓隧洞,城門(mén)形斷面。隧洞全長(zhǎng)445 . 55 m,設(shè)計(jì)流量為81 . 3m3 /s,最大水頭51 .69 m,豎井內(nèi)安裝2 . 5 m × 2 . 5 m平板鋼閘門(mén)兩道,經(jīng)計(jì)算在各種開(kāi)度下的設(shè)計(jì)流量時(shí)最大流速見(jiàn)表1:
2 .1 抗磨材料選用 抗磨材料選用主要考慮的因素有:磨損后檢修的難度、磨損后會(huì)不會(huì)引起空蝕破壞、空蝕和磨損破壞會(huì)不會(huì)影響水工建筑物的安全、現(xiàn)場(chǎng)施工的難易、經(jīng)濟(jì)性以及施工過(guò)程中是否危害工人健康等。 根據(jù)雨補(bǔ)水庫(kù)導(dǎo)流泄洪隧洞的運(yùn)用情況,抗磨層決定選用高標(biāo)號(hào)鋼砂混凝土。 2 .2 抗沖磨層混凝土強(qiáng)度等級(jí) 為了減少混凝土的磨損量以及當(dāng)建筑表面被磨損后不發(fā)生空蝕,應(yīng)力求采用高標(biāo)號(hào)混凝土,但混凝土抗壓強(qiáng)度高于45 ~ 50 MPa 時(shí),混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工有一定困難:混凝土標(biāo)號(hào)高,水泥用量多,水化熱高,施工過(guò)程中混凝土容易產(chǎn)生裂縫。為此,雨補(bǔ)水庫(kù)導(dǎo)流泄洪隧洞抗沖磨層混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30。 2 .3 閘體防磨損設(shè)計(jì) 根據(jù)導(dǎo)流隧洞的流速以及水庫(kù)泥砂的特點(diǎn),為防止導(dǎo)流泄洪隧洞閘體處產(chǎn)生磨損破壞,決定采用C30鋼砂混凝土材料進(jìn)行防磨損處理,具體方案如下:在閘孔及閘后10 m 的擴(kuò)散段,設(shè)置厚度為0 .20 m的C30鋼砂混凝土。詳見(jiàn)圖1“閘體防磨損結(jié)構(gòu)圖”。
2 .4 鋼砂混凝土施工 2 .4 .1 鋼砂混凝土設(shè)計(jì) 骨料是混凝土抗磨的主要材料,骨料強(qiáng)度較大,硬度越高,其抗磨性能也越高。為了減少泥砂對(duì)混凝土磨損后表面不平整引起的空蝕破壞,要求骨料中的軟弱顆粒和超硬顆粒含量小于1%??紤]到防磨損層厚度的尺寸,采用骨料粒徑為4 cm 的二級(jí)配混凝土;砂采用鋼砂,其抗磨性能較一般砂抗磨性能好;水泥采用普通硅酸鹽水泥;水灰比采用1 : 0 .35。 經(jīng)對(duì)鋼砂混凝土進(jìn)行配合比試驗(yàn),采用的配合比為:1 : 2 . 68 : 1 . 7,在每m3 混凝土中,水泥用量為517 kg、鋼砂1 236 kg、碎石879 kg。 2 .4 .2 鋼砂混凝土施工 抗沖磨混凝土標(biāo)號(hào)高,水泥用量大,施工過(guò)程中容易產(chǎn)生裂縫,故必須嚴(yán)格控制混凝土入倉(cāng)溫度,為了使表面層抗沖耐磨,必須與其接觸的低標(biāo)號(hào)混凝土結(jié)合好,在接觸區(qū)混凝土澆完后,立即進(jìn)行澆筑抗沖磨的鋼砂層,中間不得停倉(cāng),若有停倉(cāng)情況,應(yīng)在兩層混凝土之間埋插筋。 抗磨鋼砂混凝土入倉(cāng)應(yīng)加強(qiáng)振搗,根據(jù)氣溫掌握好閘底板的抹面時(shí)間,及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)28 d,還應(yīng)在抗沖磨層內(nèi)布置構(gòu)造鋼筋,以防施工期發(fā)生裂縫。 3 結(jié)語(yǔ) 彌勒縣雨補(bǔ)水庫(kù)導(dǎo)流泄洪隧洞工程,自1998 年投入運(yùn)行以來(lái),經(jīng)過(guò)了攔河壩截流通水和2003 年、2004 年沖砂泄洪的考驗(yàn),說(shuō)明閘體鋼砂混凝土抗磨性能好,在外觀檢查中符合規(guī)范要求,于2005 年8月通過(guò)了省級(jí)驗(yàn)收。實(shí)踐證明,鋼砂混凝土在高速水流作用下抗磨性能良好,是一種理想的抗磨材料。 參考文獻(xiàn): 〔1〕喬生祥,黃華平. 水工混凝土缺陷檢測(cè)和處理〔M〕. 中國(guó)水利水電出版社,1999. 〔2〕黃國(guó)興,陳改新. 水工混凝土建筑物修補(bǔ)技術(shù)及應(yīng)用〔M〕. 中國(guó)水利水電出版社, |
原作者: 袁黎明 |
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