CF60鋼纖維高性能混凝土在尼泊爾高泥沙地區水電站的應用

李志崗

（中國電建集團海外投資有限公司,北京 100044）

0 引言

尼泊爾上馬相迪A水電站是由中國電力建設集團海外投資公司和尼泊爾薩格馬塔電力公司合資開發的水電站,該電站位于尼泊爾西部LAMJUNG地區馬相迪河的上游,是一座以發電為主的徑流引水式水電樞紐工程,電站主要由大壩、沉沙池、引水隧道、廠房等建筑物構成,工程級別為Ⅲ等。該電站泄水建筑物從建設期開始就受到高泥沙洪水的磨蝕破壞,先后進行了三次修復,最終選用了CF60 鋼纖維混凝土方案,該方案抗磨蝕效果和經濟性較好。

1 背景介紹

1.1 水文泥沙情況

根據設計資料,壩址最大含沙量發生在2009年8月8日,最大含沙量為27.3 kg/m3。汛期懸移質年均含沙量2.49 kg/m3,年總輸沙量為912 萬t,多年平均懸移質年輸沙總量為701萬t,推移質年輸沙總量211 萬t,輸沙模數2558 t/（km2·a）。根據設計含沙量和庫容計算,庫沙比僅0.06,屬泥沙問題比較嚴重的水庫。

1.2 過程修復和方案論證

2014 年汛期尼泊爾上馬相迪A水電站大壩左岸泄水結構物過水后被嚴重磨蝕,當時正處于主體工程施工期,設計采取了“環氧細石混凝土+復合型彈性環氧砂漿”的設計方案,2015 年底完成。經歷了2016 年~2018 年三個汛期后,泄洪道表面磨蝕嚴重,2019 年汛期采用“C40 混凝土+2 cm厚環氧砂漿”方案再次修復,經歷當年汛期后,再次磨蝕嚴重,不得不再次修改修復方案。

考慮到上馬迪河在汛期流量陡增,河床的大量推移質和部分卵石、漂石從泄洪道沖向下游,對泄洪道表面產生巨大磨蝕和撞擊破壞。因此首先是提高過流面的結構強度（原設計為C25F50,Ⅱ級混凝土）,其次是增強結構抗磨蝕能力。為此,項目公司組織設計和專家多次論證,選用了“30 cm厚CF60鋼纖維混凝土+局部鋪鋼板”,設計壽命3 年。

2 CF60鋼纖維高性能混凝土的選擇

混凝土標號設計為CF2860 W4 F50 鋼纖維混凝土,Ⅰ級配,坍落度80 mm~120 mm。

2.1 主要原材料

水泥選用紅獅水泥公司的OPC-43 普通硅酸鹽水泥,其28 天強度達到69.0 MPa。粗骨料采用當地中馬和博卡拉骨料廠生產的人工灰巖、石英巖骨料,骨料強度達到80 MPa以上,為硬巖骨料。細骨料采用當地中馬骨料廠生產的、細度模數為2.86 中粗砂。外加劑采用印度生產的Sika10 R（Sika2004 NS）改性聚羧鹽酸水溶液高效減水劑。鋼纖維選用印度FIBREZONE公司的碳鋼端鉤形纖維,直徑0.75 mm,長度35 mm,長徑比49.3,抗拉強度等級1000 MPa。

拌和水抽取天然河道流水。

2.2 混凝土比設計

2.2.1混凝土配置強度

混凝土配制強度參照《水工混凝土配合比設計規程》（DL/T 5330-2015）進行計算。即：

式中：fcu,0為混凝土配制強度,MPa；fcu,k為混凝土設計齡期立方體抗壓強度標準值,為60 MPa；t為概率度系數,依據保證率P=95%選定為1.645；σ為混凝土立方體抗壓強度標準差,取5.5 MPa。

2.2.2混凝土設計配合比

根據試拌和質量檢測得到最終的CF60 混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比表 單位：kg/m3

2.3 混凝土性能

設計混凝土坍落度80 mm~120 mm,實際拌和的混凝土坍落度檢測值為84 mm~120 mm之間。

3 施工過程

3.1 混凝土拌和

混凝土采用SANY公司生產的SBP30 型（拌和機容量500 L）強制式混凝土拌和站生產,鋼纖維和硅粉經人工稱量后投放在骨料斗內,其它材料均自動稱量、填料。

為保證鋼纖維的均勻性（不結團）,先將鋼纖維、粗細骨料和水泥干拌30 s,再加入水拌制90 s后出罐。

3.2 混凝土運輸

由于鋼纖維混凝土坍落度損失很快,控制拌和站坍落度在120 mm~140 mm,并且在拌和后20 min內用6 m3混凝土罐車運動到施工現場。由于拌和機容量較小,一般單車運輸2 m3鋼纖維混凝土。

3.3 分倉和模板

護坦混凝土早期劃分為6.0 m×4.0 m×0.3 m（長×寬×厚）倉號施工,后來為了控制裂縫調整為3.0 m×4.0 m×0.3 m（長×寬×厚）的小型倉號。

沿倉號長邊安裝30 cm高的定型鋼模板,為保證緩坡（泄水閘護坦坡比1∶25）頂面混凝土成形和滿足平整性要求,在側模頂安裝單塊寬度50 cm鋼制壓頂模板（模板上開排氣兼觀察孔,間距20 cm×20 cm）,模板上放塊石或沙袋壓重。澆筑前先安裝2塊壓頂模板,隨澆筑、隨安裝。

水平面鋼纖維混凝土施工僅安裝側模。

3.4 混凝土澆筑施工和收面

首先需在倉號內澆筑2 cm厚混凝土同配比砂漿（由于普通砂漿難以達到CF60 混凝土強度等級,故用混凝土同配比砂漿替代）。混凝土運輸到倉號后直接卸料入倉,局部輔助用“長溜槽+振搗棒卸料”從壓頂模板上游側入倉（由于混凝土內含鋼纖維鐵鍬無法鏟入,人工甩料困難）［1］。

用φ70型軟軸振搗棒從倉號一側開始振搗,讓混凝土從高處向下緩慢流動直至充滿壓頂模板且排氣孔內微露漿后換位置振搗,直至同一高程所有排氣孔都露漿后進行下一循環,并逐個安裝下一塊壓頂模板直到整個倉號混凝土全部完成。

在混凝土澆筑完成后約140 min（混凝土初凝前30 min左右）開始拆除首個壓頂模板,并用混凝土同配比砂漿對拆模后結構面進行人工抹面［2］。

3.5 養護

首先在混凝土表面覆蓋一層土工布和2 cm厚保溫泡沫板,在土工布上布置花管流水養護。養護水為邊坡滲水,水溫12℃~15℃,花管養護水流量約25 L/min,并保持混凝土表面溫度恒定。流水養護7 天后改為覆蓋土工膜灑水養護至標準齡期。

3.6 其它細節

（1）必須嚴格控制拌和物摻水量,高強度混凝土對用水量特別敏感,摻水過量極易造成強度不滿足要求,摻水偏少則對和易性產生明顯影響。

（2）混凝土結構厚度不宜過大。CF60 混凝土水泥摻量大、水化熱高,在混凝土表層沒有配筋情況下,混凝土澆筑厚度不宜大于40 cm,否則混凝土內部溫度過高導致內外溫差超過規范要求極易誘發裂縫。

（3）壓頂模板的拆除時間很關鍵。先澆筑區域的壓頂模板拆除時間要嚴格控制好,如果拆模時間過早在后續混凝土振搗時已拆模的混凝土在壓力下會向外流淌形成臺階且人工極難處理；如果拆模時間過晚會導致收面困難。

（4）砂漿抹面操作一定要輕。抹面的目的是將表面由氣泡和水泡形成的凹坑填平。抹面要輕。

4 質量控制

4.1 標準試塊質量成果

根據《水工混凝土施工規范》（DL/T 5144-2015）中混凝土質量評定標準的要求,對施工的鋼纖維混凝土進行了28 d齡期150×150 mm標準試塊抗壓強度檢測。通過數據分析可見混凝土抗壓強度的平均值Mfcu、最小值fcu,min和強度保證率P均能滿足規范要求。

4.2 混凝土裂縫控制

經統計整個混凝土表面共發現62 條裂縫,裂縫總長度148 m,其中貫穿性裂縫占44%左右,裂縫走向以平行于結構分塊短邊方向為主。如需進一步控制裂縫的數量還需要從結構應力設計（例如增加配筋、裂縫和分縫的關系）開展更深入的研究。

5 使用效果評價

5.1 抗沖蝕效果評價

此次修復完成后經歷了一個完整的2020 年汛期檢驗,并在2020 年12 月份對大壩溢流壩段護坦沖蝕情況進行了測量檢查（測點間距2.0 m×2.0 m）,結果表明最大沖蝕厚度43 mm,最小沖蝕厚度3 mm,平均沖蝕厚度22 mm,按照整體結構厚度300 mm考慮,使用年限可大于10 年,遠超出設計的計劃使用壽命3 年。

5.2 存在的問題和改進意見

（1）由于高強度混凝土水泥摻量大、水化熱高,極易誘發溫度和干縮裂縫,應合理規劃分倉尺寸和做好混凝土表面養護工作。

（2）抗沖耐磨混凝土結構未配置鋼筋網也是造成裂縫較多的原因之一（從現場看,裂縫對抗磨蝕無顯著不利影響）,如果考慮配筋既能控制裂縫也能延長混凝土抗磨蝕壽命。

6 結語

本文基于尼泊爾高泥沙河流電站運行中出現的泄水建筑物嚴重磨蝕現象,經過多次實踐終于探索出技術和經濟上更為合理的處理方案,從經歷的第一個完整汛期看,修復工程的實際效果明顯好于以往,是可肯定、可推薦的較理想措施。