纖維混凝土在高流速輸水渠道防沖耐磨襯砌中的設計與應用

張寅寅

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

石羊河流域是甘肅省河西走廊三大內陸河流域之一，位于甘肅省河西走廊東部，由于區域內氣候干燥、降水稀少，蒸發量大，歷來農業生產完全依靠灌溉。近年來隨著石羊河上、中游工農業生產的快速發展，用水量大量增加，致使石羊河下游水資源嚴重匱乏，引發了嚴重的生態環境問題，綠洲面積逐年萎縮，進而危及當地人民的生存。

為了遏制石羊河流域生態環境惡化趨勢，“決不讓民勤成為第二個‘羅布泊’”，2007年12月國家發展改革委和水利部以發改農經[2007]3378號文批復通過的《石羊河流域重點治理規劃》，確定通過實施產業結構的調整、水資源配置保障工程、灌區節水改造工程、生態環境建設與保護工程、水資源保護工程等5部分流域重點治理措施，實現六河水系中下游地下水采補平衡，地下水位停止下降，有效遏制生態系統惡化趨勢。

西營河專用輸水渠工程屬水資源配置保障工程之一，也是2010年前優先安排的實施工程，其建設目的就是通過提高輸水效率，確保在P=50%來水情況下，實現西營河向石羊河干流蔡旗斷面輸水量不小于1.1億m3這一水量目標。工程起點為西營河上游出山口處原灌區總干渠渠首，終點為石羊河蔡旗水文站上游，線路總長50.3km，其中，改擴建渠道總長12km，新建段渠道總長38.3km。

新建段渠道主要位于上游西營河洪積扇區和下游細土平原區，經多方案比較后，確定上游西營河洪積扇區渠道垂直等線布置，平均縱坡為1/168，最陡縱坡為1/66，縱坡較陡，渠道水流最大設計流速接近或超過6.0m/s，設計均采用鋼筋混凝土襯砌。因西營河專用輸水渠引水時段主要集中在7—10月份，與西營河汛期相重合，大部分時段天然河道水流含沙量較高，渠道水流含沙量也較高，挾沙高速水流對渠道的沖刷磨損就成為工程運行期必須高度重視的一個問題。

2 新建段渠道襯砌設計及存在的磨損問題

2.1 新建段渠道襯砌設計

西營河專用輸水渠新建段渠道斷面型式主要采用梯形明渠及箱形暗渠，前期設計選擇渠道襯砌時，綜合考慮斷面大小、工程占地、投資、施工等因素，結合GB/T 50600《渠道防滲工程技術規范》中關于防滲渠道襯砌材料允許不沖流速的相關規定，經技術經濟比較后確定為：當梯形明渠渠道流速不小于3m/s時，均采用現澆C20鋼筋混凝土襯砌；當梯形明渠渠道流速小于3m/s時，均采用預制混凝土板襯砌；對于箱形暗渠，均采用現澆C20鋼筋混凝土襯砌。

2.2 渠道襯砌磨損問題

西營河專用輸水渠工程于2009年3月9日正式開工建設，于2010年3月10日建成并通水試運行。試運時通水時，發現新建現澆鋼筋混凝土梯形明渠及暗渠底板磨損情況比較嚴重，主要表現為底板表面混凝土沖蝕剝落、蜂窩麻面、起伏不平，多段渠底鋼筋出露，如圖1所示。

圖1 梯形明渠及暗渠底板磨損情況

經分析底板磨損的主要原因為：①調水時段主要集中在汛期，渠內水流含沙量較高，且主要為水流底層的推移質泥沙，并含有大量的粒徑較大的卵石，在挾沙高速水流的沖刷下，對渠道底板造成沖擊和磨損。②近年來，隨著施工工藝和手段的進步，渠道實際糙率多小于設計糙率，造成實際流速往往比設計流速快。經實測西營河專用輸水渠磨損比較嚴重的渠段道流速在5～7m/s之間，比設計流速快1～2m/s，挾沙能力更強，也加劇了渠道底板的磨損。

2.3 初步改進措施及存在的問題

針對鋼筋混凝土底板在高含沙水流條件下抭沖刷能力不良的問題，需對底板采取改進及加強措施，以保證結構及運行安全。通過調研，石羊河流域現有灌區的輸水渠道水流條件與本工程相近，多采用細粒混凝土砌卵石襯砌，實際運行表明其抗沖磨效果較好。為防止底板進一步磨損，采用在底板上部增設一層現澆C30細粒混凝土砌卵石護面層厚度15cm，如圖2所示。經進一步的通水運行驗證，效果較好，有效提高了底板的抗沖刷能力，但隨著輸水時段的延長，也暴露出一些問題，主要表現為細粒混凝土砌卵石護面層與原有混凝土襯砌層結合不佳，在兩側邊緣及伸縮縫處與原有襯砌結合部位易形成縫隙，隨著水流的沖刷，縫隙會擴大，在推移質泥沙的沖擊下，細粒混凝土砌卵石護面層兩側出現斷裂及破損，且逐漸會向中部發展(如圖2所示)。此問題表明，底板增加細粒混凝土砌卵石護面層的耐久性較差，不適合長期運行。如采用對梯形明渠全斷面套砌護面處理(暗渠不適合進行全斷面套砌)，可以解決上述問題，但由于細粒混凝土砌卵石護面層糙率較大，會導致渠道輸水能力不能滿足設計要求，不能在本工程采用。

圖2 細粒混凝土砌卵石護面層及典型破損情況

3 纖維混凝土抗沖耐磨優化設計方案

3.1 抗沖耐磨材料的選擇

在既有的條件下，要想徹底解決渠道底板在抗沖耐磨環節存在問題，底板護面層必須選擇采用抗滲、抗裂、抗沖擊和耐磨性能好且與原有襯砌性能相近、易結合的材料，同時還應具有施工簡單且經濟性好的優點。通過對省內、國內類似工程的了解考察及研究，符合上述要求、適合并可供本工程選擇采用的材料主要有HF高強耐磨粉煤灰混凝土(專利技術)和各類纖維混凝土、合成纖維混凝土。

經過對各種材料性能及應用情況進行研究，HF高強耐磨粉煤灰混凝土及鋼纖維混凝土造價較高、施工難度較大，不適合本工程。經進一步對各類纖維混凝土及合成纖維混凝土進行研究比較后，決定采用三元共聚纖維混凝土。三元共聚纖維是一種易于添加、混合及攤鋪的特種混凝土工程纖維，它是由三種成綹單絲纖化合成纖維組合而成的百分百純合成聚合物纖維，依據最佳配比混合，經特殊方法改性處理后拉絲捻搓復合而成，是針對鋼纖維而研制的最佳更新換代產品。可用于減少混凝土龜裂和強化混凝土收縮，改善其撞擊強度和增強混凝土的抗疲勞性和堅韌性。三元共聚纖維不腐蝕、不老化、而且抗酸堿，對結構整體提供了增強混凝土的抗折、抗撞擊和抗磨損性能，完全適用于水利水電工程的溢洪道、消力池、閘底板等高速水流部位。與鋼纖維相比具有耐腐蝕、易分散、易施工、拌合設備無損傷等特點。它的截面形狀及比表面積和鋼纖維相似，三元共聚纖維的比重為1.38kg/cm3，鋼的比重為7.8kg/cm3，同樣體積摻量下，鋼纖維重量是三元共聚纖維重量的8.0倍。因此，用三元共聚纖維代替鋼纖維可較大幅度降低成本。一般建議水利工程中每立方米混凝土三元共聚纖維摻量為3～6kg，最高摻量不得大于8kg。

3.2 三元共聚纖維混凝土抗沖耐磨護面層優化設計方案

現澆鋼筋混凝土梯形渠及箱形暗渠底板護面層采用現澆C30三元共聚纖維混凝土，設計處理厚度為10cm，寬度與底板寬度同寬。推薦每立方米混凝土中三元共聚纖維摻量為3.5kg，為防止混凝土因收縮、干縮和溫度變化等因素造成微小裂縫，同時在混凝土中添加lkg聚丙烯單絲纖維配合使用。本工程應用的三元共聚纖維性能技術指標見表1，聚丙烯單絲纖維性能技術指標見表2。添加三元共聚纖維后C30混凝土的等級配合比參數不需改變。

表1 三元共聚纖維性能技術指標表

表2 聚丙烯單絲纖維性能技術指標表

底板護面層澆筑前需對現有渠道底板進行表面處理，清除表面松動層，同時進行清洗處理，處理后的表面為干凈的麻面。

4 應用效果

現澆鋼筋混凝土梯形渠及箱形暗渠底板護面層在2011年進行了施工，在隨后的7年輸水運行期間，表現出了良好的抗沖耐磨性能，底板再未出現磨損情況，且與原襯砌混凝土結合緊密，未發現結合面出現裂隙及邊緣破損情況。運行后的底板面層狀況如圖3所示。

圖3 現澆C30三元共聚纖維混凝土渠底護面層運行后狀況

5 結語

西營河專用輸水渠工程是石羊河流域重點治理規劃所確定的水資源配置保障工程之一，其新建段渠道縱坡陡、水流流速快，加之調水時段主要集中在汛期，渠內水流含沙量較高，在挾沙高速水流的沖刷下，渠道底板沖刷和磨損比較嚴重。針對原鋼筋混凝土渠道底板及細粒混凝土砌卵石護面層存在的磨損問題，經研究比較，采用三元共聚纖維混凝土抗沖耐磨護面層對渠道底板進行處理后，有效解決了存在的問題。經工程運行實踐證明，抗沖耐磨性能良好，可確保工程長久運行安全。