水利防洪護坡防浪墻技術應用研究

哈 達,李 成

(中國南水北調集團中線有限公司 天津分公司,天津 300000)

1 概 述

水利工程中,防洪護坡是重要的工程項目。近年來,水利防洪護坡工程應用涉及到的有生態護坡、混凝土結構體護坡等結構。目前,許多學者針對水利防洪護坡技術結構進行了相關研究。韋參[1]針對水利防洪工程中生態護坡建設進行了探討。范軸[2]研究了可拆卸裝配式防浪墻的研發與應用。劉穎嘉[3]針對現澆水運工程素混凝土防浪墻裂縫防治,進行了相關應用措施的研究。

在上述研究成果基礎上,本文結合防洪護坡結構特點,提出新型裝配式防浪墻,并對混凝土相關配合比進行優化。研究結果可為水利防洪護坡工程應用選型以及水利防洪護坡用混凝土的配制提供參考。

2 水利防洪護坡防浪墻技術

2.1 新型裝配式防浪墻

水利防洪護坡技術中,防浪墻技術逐漸得到應用。防浪墻是為防止波浪翻越壩頂而在壩頂擋水前沿設置的墻體,多應用于水庫、河道、堤壩,能夠起到防浪、防洪、阻水的作用。防浪墻構成材料以鋼筋混凝土為主料,用特種模板澆筑而成。目前應用的防浪墻多數為現澆式樣的防浪墻,在應用中存在材料浪費、養護費時費力、質量保證率低等缺陷。本文針對現澆式防浪墻存在的缺陷,提出新型裝配式防浪墻技術,見圖1。

圖1 新型裝配式防浪墻技術結構圖

由圖1可知,新型裝配式防浪墻技術結構主體為鋼筋混凝土結構,由底部鋼管柱、基礎平臺、防浪墻主體、后澆蓋以及部分連接(拼接)構件組成。防浪墻呈斜坡形式,能夠有效抵擋水流沖刷,阻止浪體沖入路面。整體結構采用預制裝配式,結構體硬化后,運輸至現場預制拼裝使用,連接方式簡單、易于拼接,施工效率高。

2.2 防浪墻用混凝土的配制

根據裝配式防浪墻結構,對混凝土進行優化。根據裝配式防浪墻應用的特殊環境存在常年浸水、氯離子侵蝕等不利影響,需要考慮混凝土具備較強的抗凍性、抗滲性、抗氯離子侵蝕性能。本文防浪墻應用混凝土的抗壓強度等級為C40,試驗依據《水工混凝土》《混凝土結構設計規范》(NB/T 11011-2022)、《土木工程材料》等參考文獻,通過計算、優化,得出C40普通混凝土配合比,見表1。

表1 C40混凝土計算配合比 /kg·m-3

表1中的C40混凝土配合比適應于普通環境中,由于混凝土需滿足相關水利工程復雜工況的應用要求,而普通混凝土無法滿足應用要求,需要在普通混凝土基礎上進行混凝土配合比優化研究。

2.3 混凝土配合比優化試驗

相關研究表明,常用的礦物摻合料礦渣微粉(礦粉)、硅灰摻加到混凝土中,能夠提高混凝土的耐久性。針對混凝土在防浪墻中的應用,本文通過摻加礦渣微粉、硅灰,研究對混凝土抗凍性以及抗氯離子滲透性能的影響。試驗按照質量比礦渣微粉:硅灰=1:1進行試驗研究,以礦渣微粉與硅灰的混合物礦物摻合料取代粉煤灰,對應的1m3混凝土原材料中的摻量分別為0、20、40、60、80kg。試驗配合比見表2。

表2 優化試驗配合比 /kg·m-3

在表2配合比基礎上,對混凝土抗凍性能的影響進行研究。抗凍性能以混凝土質量損失率與相對動彈性模量作為試驗指標,以凍融循環50次作為一個試驗周期,凍融循環次數分別為0、50、100、150、200次。試驗結果見圖2。

圖2 混凝土抗凍性能試驗結果

由圖2可知,凍融循環50次時,混凝土質量損失率呈逐漸增大趨勢,混凝土相對動彈性模量先增大后減小;凍融循環100次時,混凝土質量損失率先減小后增大,混凝土相對動彈性模量先增大后減小;凍融循環150次時,混凝土質量損失率逐漸減小,混凝土相對動彈性模量先增大后減小;凍融循環200次時,混凝土質量損失率逐漸減小,混凝土相對動彈性模量逐漸增大。

礦渣微粉、硅灰摻加到混凝土中,在凍融循環150、200次時,對混凝土抗凍性能的影響更大;兩種材料摻加會明顯降低質量損失率,提高相對動彈性模量。分析礦渣微粉、硅灰摻加到混凝土中對抗凍性能的有利影響原因可能是:礦渣微粉微集料填充效應會減少孔隙、提高密實度,進而提高混凝土的抗凍性[4];硅灰中有效成分SiO2與混凝土中水化產物Ca(OH)2反應,生成致密凝膠體,促進水泥與骨料結合,提高兩者黏結力[5]。以上研究表明,兩種礦物摻合料礦渣微粉、硅灰對混凝土抗凍性能有明顯影響,適量摻量有利于提高混凝土抗凍性能,確定摻量范圍為40～80kg/m3。

對混凝土抗氯離子滲透性能的影響進行研究,抗氯離子滲透性能以混凝土電通量與氯離子遷移系數作為試驗指標。試驗配合比同表2;抗氯離子滲透試驗結果見圖3。

圖3 混凝土抗氯離子滲透性能試驗結果

由圖3(a)可知,隨著礦渣微粉、硅灰摻量增加,混凝土電通量先減小后增大再減小,摻量為80kg/m3時,達到最低值1 720C。由圖3(b)可知,隨著礦渣微粉、硅灰摻量增加,混凝土氯離子遷移系數先減小后增大,摻量為60kg/m3時,達到最低值20×10-2m2·s。

上述試驗表明,礦渣微粉、硅灰對混凝土抗氯離子滲透性能有影響。分析其原因可能是:礦渣微粉具有高活性、高細度特性,摻加后一方面能夠填充混凝土孔隙,另一方面能夠激發水泥活性,使水泥水化更加充分[6];硅灰摻加到混凝土的偏堿性環境中,活性成分SiO2與水化產物Ca(OH)2形成高堿性水化硅酸鈣膠體,水化產物晶體結構孔隙率降低,使得密實度提高,在宏觀上表現出混凝土的抗氯離子滲透性能提高[7]。通過分析確定,礦渣微粉、硅灰的最佳摻量為60kg/m3。

2.4 防浪墻混凝土的應用

通過對防浪墻技術及防浪墻混凝土進行系統研究,得出C40混凝土的最佳配合比,見表3;性能測試結果見表4;防浪墻在某大型水庫土質壩體的應用見圖4。

表3 防浪墻用C40混凝土的最佳配合比 /kg·m-3

表4 混凝土性能測試

圖4 防浪墻應用圖示

裝配式防浪墻技術應用于土壩體,結構形式簡單,裝配式施工方式符合目前建筑工程的應用要求,具有較高的應用質量。上述研究及對比結果表明,裝配式防浪墻技術具備施工速度快、施工質量易保證等優勢,在水利防洪護坡應用中體現出通用性強、混凝土質量保證率高,值得推廣應用。

3 結 論

本文對水利防洪護坡防浪墻技術應用進行了研究,并結合混凝土的應用情況,對混凝土配合比進行了相關試驗。結論如下:

1)新型裝配式防浪墻技術,結構主體為鋼筋混凝土結構,由底部鋼管柱、基礎平臺、防浪墻主體、后澆蓋以及部分連接(拼接)構件組成。防浪墻呈斜坡形式,能夠有效抵擋水流沖刷,阻止浪體沖入路面。整體結構采用預制裝配式,結構體硬化后,運輸至現場預制拼裝使用,連接方式簡單、易于拼接,施工效率高。

2)礦渣微粉、硅灰的摻入有利于提高混凝土抗凍性能,明顯降低質量損失率,提高相對動彈性模量,降低混凝土抗氯離子滲透性能。礦渣微粉、硅灰最佳摻為60kg/m3。

3)裝配式防浪墻技術可在水庫土壩體中應用,其結構形式簡單,具有較高的應用前景。