肯斯瓦特水利枢纽工程抗冲耐磨混凝土设计及应用.pdf

水利科研 东北水利水电 2 0 1 3 年第 6 期 [ 文章编号】 1 o 0 2 一o 6 2 4 ( 2 0 1 3 ) O 6 —0 o 4 6 —0 3 肯斯瓦特水利枢纽工程抗冲耐磨混凝土设计及应用 姜波， 王军 ( 新疆农八师肯斯瓦特水利枢纽工程建设管理局 ， 新疆 石河子 8 3 2 0 0 0 ) [ 摘要】 肯斯瓦特水利枢纽工程泄洪建筑物泄流时将承受高速水流的破坏。按照规范要求需 采用抗冲磨混凝土。 本文对采用 HF抗冲磨赉 】 与硅粉混凝土进行了抗冲磨对比试验， 实验结果 表明： 在凝胶材料基本相 同的条件下， 硅粉混凝土、 HF混凝土 2 8 d抗磨强度均能满足规范要 求， 但 HF混凝土施工性能较好， 容易保证施工质量。 [ 关键词】 H F 抗冲磨剂； 混凝土； 肯斯瓦特水利枢纽工程 [ 中图分类号●T V4 3 1 【 文献标识码】 A 1 工程概况 肯斯瓦特水库位于玛纳斯河中游河段， 坝址东距乌鲁 木齐市 1 9 2 k m， 北距石河子市 5 0 k m。 该工程是以防洪、 兼 顾灌溉 、 发电的为大( 2 ) 型 Ⅱ 等工程。 水库正常蓄水位 9 9 0 m， 设计洪水位 9 9 2 ． 9 8 m， 校核洪水位 9 9 3 ． 4 9 m， 最大坝高 1 2 9 ． 4 0 m， 总库容 1 ． 8 8 亿 ， 调节库容 0 ． 3 9 亿 m 3 ， 为日调 节水库。控制电站装机容量 1 0 0 MW ( 3台单机容量 3 O MW ， 1 台单机容量 1 0 MW) ， 设计年发 电量 2 ． 7 亿 k W h ， 工程总工期 5 2 个 月。肯斯瓦特水利枢纽工程是由拦河坝、 右岸溢洪道、 泄洪洞、 发 电引水系统及 电站厂房等主要建 筑物组成。 2 工程泄洪形式 工程泄洪建筑物有溢洪道和泄洪洞。 溢洪道位于右岸 坝 肩处 ，开敞式布置。设计泄量 1 8 9 5 ． 0 m Vs ，校核泄量 2 1 2 2 ． 0 m V s ， 下游消能防冲标准相应泄量为 5 3 2 m 3 ／ s 。溢 洪道由进水渠、 控制段、 泄槽段、 消力池、 出水渠组成。 溢洪 道泄槽段为矩形断面 ， 按设计流量、 校核流量及消能防冲 标准 3 种工况进行计算， 采用分段求和法逐段推算水力要 素 ， 见表 1 。 由表 1 可以看出，最大流速发生在泄槽段末端上， 最 大流速 4 2 ． 4 9 m／ s 。 泄洪洞在枢纽中的作用是渲泄洪水、 冲砂、 水库放空。 泄洪洞进水塔及泄洪洞轴线与导流洞轴线在平面上重合 ， 两洞高程相差 5 0 ． 0 m， 采用龙抬头与导流洞结合 ， 为无压 洞泄洪洞 ， 总长 9 0 0 ． 1 4 m， 由引渠段、 进水塔、 龙抬头、 洞身 结合段、 出 口泄槽段、 消 力池及护坦段组成 ， 设计泄量为 46 裹 1溢洪道泄槽水力计算表 5 0 0 m V s 。“ 龙抬头” 曲线段泄洪洞断面尺寸 6 mX 6 ． 7 m， 为 城门洞型， 顶拱角为 1 2 0 o 。根据能量方程用分段求和法计 算沿程的水深及流速 ， 见表 2 。 表 2 泄洪洞洞身水力计算表 由表 2 可以看出 ， 最大流速发生在反弧段上， 最大流 速 3 7 ． 8 4 m／ s o 2 0 1 3 年第 6 东北水利水电 水利科研 3抗冲耐磨材料选择 该工程泄洪建筑物最大流速接近 4 2 ． 5 m ／ s ， 按规范要 求须进行抗冲耐磨材料设计 。目前， 国内高流速的工程中 抗冲耐磨材料用的较多的有 ： 硅粉混凝土、 钢纤维混凝土、 环氧砂浆及 H F 混凝土等。 I - I F 混凝土主要为在混凝土中添 加 H F 抗冲耐磨剂与粉煤灰 ，以提高混凝土抗冲磨性能的 混凝土。 H F 抗冲耐磨剂掺入混凝土中后， 可有效激发粉煤 灰的活性。H F 混凝土在和易性方面 ， 由于粉煤灰的微集料 效应 ， 使粉煤灰混凝土的抗剪力显著减小， 在外力作用下， 易产生流动， 因此 ， 在施工方面混凝土易于振捣密实出浆 和收光抹面。 在水利水电工程中， 硅粉混凝土和 HF混凝土应用最 为广泛 ， 在许多工程中得到成功应用。这里重点分析硅粉 混凝土和 H F 混凝土的材料的抗冲磨性 。 4 原材料性能 4 ． 1水 泥 此次混 凝土试 验 采用了屯 河水泥 股份 有限 公 司 P ． 0 4 2 ． 5 和 P ． 0 5 2 ． 5 水泥，其物理力学性能检验结果见表 3 ， 化学成份见表 4 。 裹 3 水 泥物理 力学性能检验 结果 揪⋯ 4 ． 2 粉煤灰 粉煤灰采用玛纳斯电厂生产的 I 级粉煤灰 ， 其物理性 能检验结果为 ： 密度 2 ． 2 g ／ c m 3 。 烧失量 2 ． 2 4 ％。 细度 4 ． 6 ％， 需水量比9 5 ％， S O + 含量 1 ． 4 1 ％； 化学检验结果 S i O 2 ， o 3 ， F e 2 03 ， C a O， Mg O。 K 2 0， N a 2 0， R ．2 0 含 量 分 别 为 5 9 ． 5 8 ％， 2 2 ． 1 4 ％， 5 ． 6 O ％， 3 ． 5 1 ％， 2 ． 2 8 ％， 2 ． 2 5 ％， 1 ． 1 3 ％， 2 ． 6 1 ％。 4 ． 3 骨 料 混凝土所用粗 、细骨料均采用玛纳斯河当地天然骨 料 ， 各项指标均符合混凝土用骨料的技术规范要求。 4 ． 4 外加剂 H F 外加剂主要采用了甘肃巨才电力技术公司的 H F 抗 冲磨剂和株洲中铁桥梁外加剂有限责任公司生产的高效 减水剂。 表 5 现浇二级配 C 4 0硅粉、 C 4 0 I- I F 混凝土试验配合比 划 徭 嚣 瓣 黼獭 ；唰水 胶 比 用 量掺 量 掺 量 掺 量 一 _ ⋯ ⋯”⋯，M * }I ^ 萼 ， ％ ／ 9 ( ／ 9 l ^ 丑 m 5抗冲磨混凝土配合比设计 肯斯瓦特泄洪洞及溢洪道抗冲磨混凝土设计指标为： 二级配、 强度等级 C 4 0 ， 抗冻等级 F 2 o 0 。 现浇二级配 C 4 0 硅 粉、 C 4 0 H F 混凝土试验配合比见表 5 。 6 抗冲磨试验结果 此试验采用圆环冲刷仪 ， 叶轮转速 1 4 ． 3 m ／ s ， 圆环试 件厚度为 6 0 mm， 外径 4 0 0 l-n iT 1 ， 内径 2 9 0 r l l l T l 。 试件分别于 2 8 d 养护天后放人圆环中， 加水与不同材料组成的磨料， 在高速水流作用下进行抗冲刷试验。抗冲磨性能是以单位 面积上单位时间的磨耗量为指标 ， 磨耗量愈小 ， 抗冲磨强 度愈高 ， 其混凝土抗冲磨性愈佳。其试验结果见表 6 ， 由试 验结果可以看出， C 4 0 现浇混凝土中 H F 混凝土抗磨性能 与硅粉混凝土性能基本一致， 均能满足设计要求。 表 6 C A 0硅 粉及 HF混凝土 抗冲磨试验 结果 7抗冲磨混凝土的确定 硅粉混凝土与 H F混凝土物理力学性能均能满足设 计指标 ， 拌和物性能满足施工要求。抗冲磨试验表明， 在胶 凝材料基本相同的条件下 ， 硅粉混凝土、 H F混凝土 2 8 d 抗 磨强度分别比普通混凝土提高 8 2 ％ 、 7 3 ％ 。考虑到 F I F 混凝 土后期抗磨强度增长速度会大于硅粉混凝土 ， 可以达到与 硅粉混凝土相当的抗磨强度 ， 而硅粉混凝土中抗磨剂掺量 大( 8 ％ ) ， 拌和系统需改造， 成本较高， 其拌和物星粘稠状， 在 相 同坍落度下流动性较小， 给施工带来不便 。所以确定以 C 4 0 H F 混凝土作为抗冲耐磨混凝土的施工配合比。 4 7 东北水利水电 2 0 1 3 年第 6 8 结语 [ R] ． 2 0 0 9 ． 由于硅粉混凝土在施工过程中粘聚性及保水性极强 ， 流动性较差 ， 施工振捣困难， 操作不当极易产生质量隐患。 根据此次试验及现场施工表明：采用 H F 混凝土抗冲磨外 加剂与硅粉混凝土相比较混凝土粘聚性明显降低 ， 易于振 捣密实及收光抹面 ， 易于现场施工质量的控制。 【 参 考 文 献] [ 1 ] 新疆兵团设计院． 肯斯瓦特水利枢纽工程初步设计报告 [ 2 ] 支拴喜． H F 型高强耐磨粉煤灰砂浆( 混凝土) 的特性[ J ] ． 甘肃水利水电技术 ， 1 9 9 7 ( 2 ) ： 7 2 —7 2 ． [ 3 ] 新疆水利水电科学研究院． 新疆玛纳斯河肯斯瓦特水利 枢纽工程混凝土配合比试验研究报告[ R] ． 2 0 1 0 ． 【 收稿日期1 2 0 1 3 - 0 3 - 0 6 ， ’ ， ， ， l’ ’ l ，’ ， ， ’ ， ’ ’ ’ ’ ， ， ， ’ ， ， ， ’， ， ’ ， ，， ， ， ， ’ ， ， ， ’ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ( 上接第 3 8页) 化的原因为下垫面的变化。 4 ． 3 变异点识别分析 对大伙房水库径流系数进行突变点检验，利用依据 Ma r m mK e n d a l l 检验法如图 3 ， U B k 与 无接近相等。滑动 检验出现最大值年份 1 9 7 9 年 ， 结合流域下垫面实际情况 综合考虑 ， 因此选择突变点为 1 9 7 9 年。 妊 《 年 份 图 3 Ma n n — K ~d a l 1分析成果 大伙房以上流域降雨进行一致性分析 ， 得出降雨没有 产生明显的非一致性变化 ， 由此可见 ， 降雨不是大伙房径 流系列减小的主导因素。通过分析流域内的下垫面变化情 况 ， 可以发现 ， 在 2 0 世纪 7 O 年代末 ， 由于农业结构发生了 明显的改变， 流域内农田水利工程建设及灌溉农业的大力 发展， 对径流的影响 日益加重 ， 大伙房以上流域内 1 9 7 9 年 前建成的中小型水库的库容占现在总库容的 5 0 ％以上， 大 量池塘及拦河坝也减小了径流量。总之 ， 流域内下垫面的 变化造成了流域径流的明显减少， 使径流系列的一致性遭 到破坏。 4 ． 4 径流系数年内变化规律分析 以 1 9 7 9 年为界 ， 统计分析 1 9 7 9 年前后各月径流系数 变化规律 ， 分析大伙房水库上游修建水库前后 ， 不同丰枯 期对水库产流特性的影响规律 ， 分析的径流系数随时间变 化趋势线的斜率统计见表 1 。 可以看出 1 9 7 9 年前后 ，各月的径流系数变化趋势中 径流量均有减小趋势 ， 仅 7月份表现 出增大趋势 ， 而径流 量影响比重较小的月份为 4 —8 月。总的是各月径流均有 减小趋势 ， 1 9 7 9 年以后的系数较 1 9 7 9 年以前的系数明显 r 减小。 4 8 表 1 年内径流变化趋势统计成果表 月 份 鍪 鍪 翟 ’ 翟 均 雌 影 极 ‘一 趋 势 系 数 趋 势 系 数 径 流 均 值 径 流 均 值 5 结语 1 ) 受流域下垫面变化影响径流系列演变规律 ： 滑动平 均值法分析 ， 浑河流域大伙房水库站年径流 系数总体呈减 小趋势 ； 变异点识别分析 ， 浑河大伙房水库站年径流系数 系列一致性遭到破坏 ， 主要是由于流域下垫面受人类活动 影响而发生改变 ， 以变异点 1 9 7 9 年为分界点。 2 ) 受流域下垫面变化影响径流系列年内演变规律 ： 以 1 9 7 9 年为界 。 大伙房水库上游修建水库前后各月的径流量 均有减小趋势 ， 界点以后较以前明显减小 ， 原因主要是人 类活动使流域下垫面发生了变化。 [ 参 考 文 献 ] [ 1 ] 李栋梁， 谢金南。 王文． 中国西北地区夏季降水规律及其 异常研究[ ．1 ] ． 大气科学， 1 9 9 7 ， 2 1 ( 3 ) ： 3 3 1 — 3 4 0 ． [ 2 ] 李少娟 ， 钱永甫． 2 0 0 6 ． 中国降水年内分配的时空演变规 律之新法研究[ I ] ． 南京气象学院学报， 2 0 0 6 ， 2 9 ( 3 ) ： 3 1 5 — 321 ． 【 收稿日期】 2 0 1 3 — 0 3 一 o 4