HF抗沖磨混凝土在河口村水庫2#泄洪洞中的應用

陳 攀 孫永波 羅 暢

（黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003）

1 工程概況

河口村水庫位于黃河一級支流沁河最后一段峽谷出口處，控制流域面積9223km2，占沁河流域面積的68.2%，占黃河小浪底至花園口無工程控制區間面積的34%。水庫是以防洪、供水為主，兼顧灌溉、發電、改善生態，并進一步完善黃河下游調水調沙運行條件的水庫，水庫最大壩高122.5m，總庫容3.17億m3，工程屬大（2）型，工程等別為Ⅱ等；水庫按500年一遇設計，2000年一遇校核，設計洪水時下泄流量7650 m3/s，校核下泄流量為10560 m3/s。水庫主要建筑物有：混凝土面板堆石壩、泄洪洞、溢洪道、發電洞等。

2 2#泄洪洞的基本布置

泄洪洞布置有1#泄洪洞和2#泄洪洞，兩洞最大泄流能力為3918.37m3/s。2#泄洪洞由導流洞增設一龍抬頭洞段改建形成。導流洞洞長740.0m，最大泄量1956.7m3/s，洞身斷面均為城門洞型，尺寸為9.0m×13.5m（寬×高），全斷面鋼筋混凝土襯砌，水庫運行期均為明流洞。

2#泄洪洞在正常庫水位下，洞內水流流速除洞出口局部樁號段外，其他樁號段流速均大于30m/s；在設計（校核）水位下，洞內水流流速均大于30m/s，最高水流流速達到36.5 m/s。洞內水流流態為高速水流，存在空蝕危險，除結構上需要考慮摻氣和提高過流面平整度要求外，還需考慮采用抗沖耐磨混凝土材料，以減少空蝕對結構的破壞。

高速水流對洞身斷面底板及邊墻下部空蝕危害較大，本設計在洞身斷面底板和邊墻下部3.0m以下范圍采用抗沖耐磨混凝土材料，其他為普通C30混凝土。

3 抗沖磨混凝土方案比選

目前應用較多的抗沖磨材料按膠凝材料不同主要分為兩類，即為有機膠凝類和無機膠凝類。有機膠凝類主要有高分子聚合物的聚合物膠結混凝土、呋喃混凝土、環氧樹脂混凝土等；無機膠凝類主要有硅粉混凝土、纖維混凝土、粉煤灰混凝土、鐵鋼砂混凝土等；其他還有鑄石板、條石、鋼板等。

環氧樹脂等有機膠凝類混凝土雖然有很高的抗沖磨能力，但材料成本高，固化劑有一定的毒性，與基底混凝土的線膨脹系數不一致，在自然條件下會逐漸老化、開裂、脫空。

其他如鋼材具有良好的抗沖擊韌性，但很難牢固地錨固于混凝土中，而且造價較高；鑄石板抗高速懸移質泥沙沖磨能力較好，但材料脆性，抗沖擊強度低，極易被擊碎；花崗巖等條石質地堅硬，抗沖磨性能好，只是韌性差，開采加工難，施工費時費力。

鑒于上述各種原因，結合本工程特點，主要對無機膠凝材料類抗沖耐磨混凝土材料做比選研究，具體選擇對目前常用的硅粉混凝土和HF混凝土優缺點進行比選。

3.1 硅粉抗沖磨混凝土

混凝土的抗沖磨、抗氣蝕性能，并顯著提高混凝土的力學性能、密實性、抗凍性和耐久性。

但是硅粉混凝土存有如下缺點：

（1）硅粉混凝土的干縮裂縫問題未能解決。硅粉砼的干縮率尤其是早期干縮率較大，使硅粉混凝土在應用中易于出現干縮裂縫，影響其整體強度和使用效果。

（2）硅粉混凝土施工難度大。由于硅粉顆粒極細，比表面積很大，加入混凝土中后，可使混凝土粘聚性增大，流動性變差，施工和易性不好，使砼混凝土不易振搗密實，不易收光抹面。如果采用泵送澆筑，易發生粘管和堵管現象，泵送性能差。

（3）硅粉混凝土易產生溫度裂縫。硅粉混凝土早期強度發展很快，相應的混凝土的水化熱放熱速度很快，致使混凝土水化熱溫升高，在混凝土中容易產生較大的溫度應力，這一應力在干縮裂縫的頂端產生應力集中，使干縮裂縫擴展延伸甚至形成貫通性的裂縫。

3.2 HF 抗沖磨混凝土

HF混凝土是由HF外加劑、優質粉煤灰（或其它優質摻合料如硅粉、磨細礦渣等）、符合要求的砂石骨料和水泥等組成，并按規定的要求進行設計和組織施工澆筑的混凝土。

HF作用機理：HF混凝土通過HF外加劑減水、改善混凝土和易性并激發優質粉煤灰的活性，使粉煤灰可以起到與硅粉同樣的活性作用，能顯著提高混凝土的整體強度并使混凝土的膠凝產物致密、堅硬、耐磨，改善膠材與骨料間的界面性能，使混凝土形成一種較均勻的整體，提高了混凝土的抗裂性和混凝土的整體強度，提高混凝土抵抗高速水流空蝕和脈動壓力的能力，達到提高混凝土抗沖耐磨性能。

3.3 HF抗沖磨混凝土與硅粉混凝土比選

硅粉混凝土價格較高，硅粉生產廠家較少，同時硅粉混凝土施工難度大，施工質量又不易保證。

HF混凝土與硅粉混凝土同樣具有高抗壓強度、抗沖磨、抗空蝕性能，其粘聚性和保水性介于硅粉混凝土和普通混凝土之間，既克服了硅粉混凝土粘聚性太大不泌水的缺點，又改善了普通混凝土粘聚性差易泌水的性能。摻加粉煤灰的HF混凝土其粉煤灰中含有大量的玻璃微珠，在拌合物種產生“滾珠效應”，不但使HF混凝土易于施工澆筑，易于振搗密實和收光抹面，并可進行泵送澆筑，克服了硅粉混凝土施工難度大的缺點。同時HF混凝土還具有良好的抗裂性能。

經過對比，本工程2#泄洪洞抗沖磨混凝土選用HF混凝土。

4 河口村水庫HF混凝土基本材料用量配合比及施工效果

HF混凝土材料：水泥為濟源五三一水泥廠P.O42.5級水泥；粉煤灰為濟源沁北電廠F類Ⅱ級粉煤灰；細骨料為金灘天然砂；外加劑為鄭州三聯化工建材有限公司的FDN-2引氣型高效減水劑、TM引氣型泵送劑、FL-HF引氣型抗沖耐磨減水劑。經過試驗確定，HF混凝土基本材料用量配合比見表1：HF混凝土基本材料用量配合比表，表2：

硅粉抗沖磨混凝土是以超高細活性硅粉為主，摻配有耐沖磨抗氣蝕助劑的復合粉體材料。它能大幅提高HF混凝土抗壓強度、抗滲性能及抗凍融循環性能試驗成果。

表1 HF混凝土基本材料用量配合比表

表2 HF混凝土抗壓強度、抗滲性能及抗凍融循環性能試驗成果

通過對HF混凝土試件性能測試，凍融循環次數達到100次時，試驗混凝土試件相對動彈性模量為87.1%，大于60%；重量損失率為1.5%，小于5%，說明抗凍融性能滿足設計要求，即HF混凝土的強度、抗滲性能等級及抗凍融性能均達到設計要求指標：C40W6F100。

HF混凝土的流動性性能滿足采用泵送澆筑施工技術條件，經過對2#泄洪洞的混凝土泵送澆筑實施，該混凝土易于施工澆筑，易于振搗密實和收光抹面，澆筑效果良好，沒有出現裂縫，過流面的平整度能達到設計要求。

5 結語

河口村水庫工程2#泄洪洞（導流洞）斷面邊墻下部及底板采用的HF抗沖磨混凝土，澆筑質量良好，澆筑速度較快，縮短工期，節約投資，經過導流運行期間驗證及測試，各項指標均達到設計要求。HF混凝土方便澆筑施工，且具有良好抗沖磨及抗裂性能，是一種值得推廣應用的抗沖磨混凝土材料。