某国外水电工程闸坝C600高抗混凝土的设计优化.pdf

某 国外水 电工程 闸坝 C 6 0 0 设计优化 -_ _ L_ I 【j 同 水利水电技术第4 6卷2 0 1 5年第 1 2期 抗 混凝 土的 何彦舫 ，陶 自成 ( 1 国核电力规划设计研究院，北京 1 0 0 0 9 5 ；2 中国水利 电力对外公 司，北京 1 0 0 1 2 0 ) 摘 要 ：以某国 l- ： k型 引水式水电站工程为例 ，探讨 了招标技术文件 中对由 F o n d u高抗水泥、A l a g高 抗骨料配置的 F o n d u A l a g高抗混凝土的要求 ，及其配制的取水控制 闸、重力坝孔 口I I 期混凝 土 C 6 0 0 高抗混凝土设计方案的合理性和可行性。根据 国内水 电工程规 范和 经验以及 混凝土耐腐蚀性试验方 法 ( A S T M C 1 1 3 8 ) 要 求，对 F O N D A G混凝土、T i p o I I 水泥配置高性能混凝土进行 实验分析 ，提 出了 对原 C 6 0 0高抗混凝土优化后 的设计方案 ，并得到取水 口控制 闸运行的验证。该优化设计方案具有显 著的经济效益，同时也对输 出中国的水电工程标准规 范和设计理念具有十分重要的推广作用。 关键词 ：引水式水电站工程 ；F o n d u A l a g高抗混凝 土；F o n d u高抗水泥 ；A l a g高抗骨料 ；设计优化 ； 硅粉混凝土 ；标准规范 d o i ：1 0 1 3 9 2 8 j c n k i w r a h e 2 0 1 5 1 2 0 0 2 中图分 类号 ：T V 4 3 1 文献标识码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 5 ) 1 2 - 0 0 0 5 0 3 Opt i m i z a t i o n o f d e s i g n o f C6 0 0 hiI g h r e s i s t a n c e c o nc r e t e f o r c o n s t r u c t i on o f g a t e a n d d a m o f a n o v e r s e a s h y d r o p o w e r p r o j e c t HE Ya nf a n g ，TAO Zi c h e n g ( 1 S t a t e N u c l e a r E l e c t ri c P o w e r P l a n n i n g D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 9 5 ，C h i n a ； 2 C h i n a I n t e r n a t i o n a l Wa t e r E l e c t ri c C o r p ，B e i j i n g 1 0 0 1 2 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ：B y t a k i n g a n o v e r s e a s l a r g e s i z e d d i v e rsi o n t y p e h y d r o p o w e r p r o j e c t a s a n a c t u a l c a s e ， t h e o ri g i n a l t e c h n i c a l s p e c i fi c a t i o n s o f t h e b i d d i n g d o c u me n t s f o r t h e F o n d u A l a g h i g h r e s i s t a n c e c o n c r e t e ma d e o f F o n d u h i g h r e s i s t a n c e c e me n t a n d Al a g h i g h r e s i s t a n c e a g g r e g a t e a s we l l a s t h e r e a s o n a b i l i t y a n d f e a s i b i l i t y o f t h e d e s i g n s c h e me f o r t h e s e c o n d a r y c o n c r e t e C 6 O 0 h i g h r e s i s t a n c e c o n c r e t e o f t h e i n t a k e g a t e a n d t h e o ri fi c e s o f t h e g r a v i t y d a m mi x e d b y t h e m a r e d i s c u s s e d h e r e i n I n a c c o r d a n c e w i t h t h e s p e c if i c a t i o n s f o r h y d r o p o w e r p r o j e c t a n d t h e r e l a t e d e x p e ri e n c e s i n C h i n a a s w e l l a s t h e s p e c i fi c a t i o n s g i v e n i n t h e A S T M C 1 1 3 8( S t a n d a r d T e s t Me t h o d for A b r a s i o n R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e ，A m e ri c a n S o c i e t y fo r T e s t i n g a n d Ma t e ri a l s ， A S T M) ， t h e e x p e ri me n t a l a n a l y s i s i s m a d e o n F O N D A G c o n c r e t e a n d mi x i n g h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e w i t h T i p o I I c e me n t ， a n d t h e n t h e d e s i g n s c h e me for t h e o r i g i n a l C6 0 0 h i g h r e s i s t a n c e c o n c r e t e a f t e r o p t i mi z a t i o n i s p r o p o s e d a n d v e ri fi e d t h r o u g h the o p e r a t i o n o f t h e i n t a k e g a t e T h i s o p t i mi z e d d e s i g n s c h e me n o t o n l y h a s a s i g n i f i c a n t e c o n o mi c b e n e fi t ，b u t a l s o h a s a n i mp o r - r a n t po p ul a r i z a t i o n s i g n i fic a nc e for e xp o si n g Chi naS hy d r o p o we r e n g i n e e rin g s t a n dard s a n d s p e c i fic a t i o ns a s we l l a s t he d e s i g n c o n c e p t s c o n c e r n e d Ke y wo r d s ： d i v e rsi o n t y p e h y d r o p o w e r p r o j e c t ； F o n d u A l a g h i g h r e s i s t a n c e c o n c r e t e ； F o n d u h i g h r e s i s t a n c e c e m e n t ；A l a g h i g h r e s i s t a n c e a g g r e g a t e；o p t i mi z e d d e s i gn ；s i l i c a f u me c o n c r e t e ；s t a n d a r d s a n d s p e c i fi c a t i o n s 1 研究背景 某国外水 电站工程为二级 梯级河流 引水式水 电 Wa t e rRe s o u a n d Hy d r o p o we rEn g i n e e r i n g Vo 1 4 6 No 1 2 收稿 E t 期 ：2 0 1 5 0 4 - 1 8 作者简介 ：何彦舫( 1 9 7 8 )，女 ，高级工程师 ，硕士。 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 何彦舫， 等某国外水电工程闸坝 C 6 0 0高抗混凝土的设计优化 站。原设计分别在取水建筑物溢流闸的溢流面、混凝 土重力坝冲沙底孔表面厚度 05 0 o m处采用 C 6 0 0高 抗混凝土 ，高抗混凝土量约为 1 1 0 0 1T I 。 。 根据搠标文件 ，设计配置 的高抗 混凝土是 由 c i m e n t F o n d u型高抗水泥与 A l g a高抗 骨料 配制的。该 水泥为法国 L a f a r g e公司生产的一种铝酸盐特种水泥 ， 距离该水电站项 目工程区域最近的工厂在 巴西 。从施 工进度及节约成本两方 面考虑 ，需寻找一种可能的替 代优化方案 。 2 混凝土设计参数及原材料 本研究的水力学参数边界条件如下 ：( 1 ) 含推移 质水流速 8 m s ；( 2 ) 悬移质含量 2 5 4 k g m ( 主 汛期) ，且水流速度 1 5 m s 。 水流空化系数计算 ：根据文献 1 ，计算水流空 化系数 1 9 = 2 4 7 。 混凝土设计标号计算选取 ：根据文献 1 ，当 o r = 2 4 7时 ，综合选取混凝土强度等级为 C 5 0 。 高性能混凝土表面材料的选取 ：根据文献 1 规 定 ，建议高性 能混凝土材料选择如下 ，( 1 ) 初步选定 当地 H E、T i p o I I 硅酸盐水泥；( 2 ) 混凝土骨料选用 当地坚硬的中粗砂 、天然卵石或人工碎石可以满足使 用要求 ；( 3 ) 外加剂选用当地生产 的外加剂；( 4 ) 掺 合料可选用硅粉 ，磨细矿渣等活性掺合料 。国内相关 文献 一 表明 ，高性能混凝土能够满足水 电工程抗冲 耐腐蚀的要求。 3 原高抗混凝土设计问题商榷 原设计高抗混凝土设 计标 号 C 6 0 0，2 8 d抗压强 度为 6 0 MP a ，稳定后强度能达到 7 0 MP a 。 3 1 F o n d u水泥 品质 问题 该水泥属于高铝酸钙水泥，碱含量 比较高 ，水泥 及混凝土初期和中后期的水化热比较大 ，不适宜用于 二期混凝土或表层薄层混凝土浇筑施工 ，同时，在水 中易发生化学反应，影响建筑物结构的寿命，不利于 建筑抗老化。 根据 K e r n e o s S A、H o l c i m、C h i m b o l a z o三家水泥 厂提供水泥水化热资料表 明 I 9 J ：三种水泥的水化热 均随时间的增加而增大。K e r n e o s S A生产的 F o n d u型 水泥在第 5天的水化热为 4 4 5 k J k g ，比 H o l c i m l 生产 的 HE水泥在第 7天的水化热值 ( 3 2 8 k J k g ) 高 3 3 左右 ，比 C h i m b o l a z o 水泥厂生产的 T i p o I I 水泥在第 7 天水化热值( 2 9 5 k J k g ) 高约 3 4 。根据经验 ，C 6 0 0 高抗 混 凝 土使 用 F o n d u水 泥 的用 量 比较 高 ( 根 据 6 K e r n e o s S A提供 F o n d u水 泥资料介绍 ，此种混 凝土 至少使用水泥 4 0 0 k s I n ，且水 灰 比 W C0 4 ；根 据招标文件 ，高抗 的特殊混凝土 中的特殊水 泥含量 在 5 0 06 0 0 k g m 之 间) ，会产 生大量 的水 化热 ， 现场施工无论是在现有 的常态混凝土初凝后作为二 期混凝土施工 ，或作 为常态 混凝 土施工 ，均会 因底 部受约束 而 开裂 ，无 法 满足 表层 防 冲蚀 的设 计 意 图。从价格 比较 而言 ，F o n d u水 泥价 格最 高 ，其 次 是 T i p o I I 水泥 ，H E水泥价格最低 ，但 T i p o I I 水泥 水化热要优于 H E水泥 ，因此 ，首先 优选 推荐 T i p o I I 水泥。 3 2高抗混凝土设计标号问题 根据 K e r n e o s S A提供 的 F o n d u水泥强度与水灰比 曲线资料 ：在水泥的水灰比约等于 0 3时，F o n d u水 泥初期立方体的试样先期强度能到达 9 5 MP a ( 立方体 试块强度 ) ，而稳定后抗压强度约为 6 0 MP a ( 立方体 试块强度 ) ，也就是作为设计时要求的设计强度。 根据项 目规范要求的设计施工配比强度 ，计算设 计抗压强度 f =6 9 8 M P a ，相当于立方体试块强度 8 3 7 6 MP a 。根据 F o n d u水 泥混凝土强度 资料表 明， 当水灰 比等 于 0 3时，稳 定强 度约 6 0 MP a ，无法配 置 C 6 0 0高抗混凝土。 根据文献 1 ，计 算设 计施 工 配 比强 度 枷 ： 6 6 4 MP a ，相 当于立 方体抗 压强 度 7 9 6 8 MP a 。同 理 ，F o n d u水泥也无法配置 C 6 0 0高抗混凝土。 上述分析表明，原设计 F o n d u水泥均无法配置高 抗混凝土设计标号 C 6 0 0 。 4 优化设计配置实验 4 1 配合 比强度实验 比较 根据现场配 比试验 ，三种水泥配置混凝土强度曲 线如图 1 所示。 4 2 耐磨损度分析 根据美 国材料与试验协会标准 混凝土耐腐蚀性 试验方法 ( A S T M C 1 1 3 8 ) lo 要求，进行 F o n d a g高抗 成 品水泥混凝土磨损度试验 ( 方案 I) 和 T i p o I I 水 泥 +微硅粉 +外加剂 + 普通破碎骨料混凝土磨损度试验 ( 方案 I I ) ，试验时间为 07 2 h ，两种方案试验结果 如下 ：( 1 )方 案 I试 样 磨 损 度 从 0 3 9 变 化 为 1 7 5 ，方案 试样磨损度从 0 2 0 变化为 1 1 9 ； ( 2 ) 方案 I 试样密度为 2 5 4 g c m ，方案 试样密度 为 2 4 8 g c m ；( 3 ) 方案 I 试样磨损后的重量稍微较 方案 试样磨损后重量 重一些。经分析 ，采用使用 T i p o I I 水泥混凝土方案磨损度低于同龄期 F o n d u高抗 水利水电技术第4 6卷2 0 1 5 年第1 2期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 墨 、 爱 出 ， ， _ 7 ， 一 一一 么一 T i p o 11 水泥混凝土 u ， 0时 滑慨 L F o n d u 特种水泥混凝土 3 7 l 4 2 8 4 2 龄期 d 图 1 各 品种水 泥配制混凝土的强度 曲线 混凝土的磨损度 ，磨损情况较好 。 4 3混凝土设计优化 通过现场 的混凝土强度配合 比试配实验 ，当水泥 掺人量在 6 0 06 3 0 k g m 时 ，H E、T i p o I I 水泥均可 作为替代原招标设计 的高抗水 泥配置高性能 的混 凝 土，鉴于 H E水泥水化热高于 T i p o I I 水泥水化热 ，优 选 T i p o I I 水泥。 高性能混凝土配合 比替代优化设计结论 ：( 1 ) 水 泥建议选用 T i p o I I 水泥。骨料 、外加剂等当地采购 ； ( 2 ) 优化设计高性能混 凝土设计强度等 级为 C I O 0 0 ； ( 3 ) 掺合料选用硅粉。 4 4运行情况及效益 该取水建筑物溢流闸溢流部位经过 了二个雨季的 汛期 ，从过水断面看 ，运行情况 良好。 直接效益 ：根据厂家报价 ，高抗混凝土混合料出 厂价约为 1 0 0 0美 t ，而投标报价综合单价 7 0 0美 m ，替代高性 能混 凝土方案综合 单价 4 5 0美 m 。据初步计算，若采用原高抗混凝土方案，则投 标报价亏损约 3 7 9 5万美元 。若采用高性能混凝土方 案 ，相对于采用高抗混凝土方案投标报价则可以节约 2 7 5万美元 。 间接效益 ：考虑高抗混凝土的配合 比周期、现场 工艺性试验 、供货、办理 I N N E进 口检验手续等 ，预 计约 6 09 0 d周期 ，制约今后项 目进展 。因此 ，本 次优化方案能加快施 工进度 ，减少 了现场 窝工 ，同 时 ，赢得了业主及咨询单位的认可 ，间接效益明显。 5 结论与建议 本文推荐采用 T i p o I I水泥配置高性能硅粉混凝 土设计优化方案 ：( 1 ) 从理论 上证 明，依据 水工建 水利水电技术第4 6卷2 0 1 5 年第1 2期 何彦舫， 等某国外水电工程闸坝 C 6 0 0高抗混凝土的设计优化 筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范( D L T 5 2 O 7 2 0 0 5 ) 进行了理论计算和推荐选择 当地材料 的可行 ； ( 2 ) 参照国内水电工程设计工程实例 ，佐证了优化后 高性能混凝土可 以满足溢流坝部位运行需要 ；( 3 ) 从 现场实验检测和运行验证结果看 ，该优化方案能充分 利用当地材料 ，经试验检测和通水运行 ，均满足现场 实际生产要求。 通过实践运行证 明 ，该优化 方案满足 了闸坝溢 流部位混凝 土要求 ，节约 了施工成本 ，加快 了施 工 进度 。 该高抗混凝土优化设计方案为输 出中国水 电工程 标准规范和设计理念 ，并引人在其他类似国际水电工 程 的应用和推广 ，具有重要的意义 。 参考文献 ： 1 D L T 5 2 0 7 -2 0 0 5，水 工建 筑物抗 冲磨 防空蚀 混凝土技术 规 范 s 2 陈国新 几 种抗 冲磨混 凝土性 能试验研 究 J 混凝 土 ，2 0 0 8 ( 3 ) ：7 2 7 4 3 韩素芳 混凝 土工程 病 害与修 补加 固 M 北 京 ，海洋 出版 社 ，1 9 9 6 4 谢 明勇 抗 冲高 性能混 凝土 试验研 究 J 粉煤 灰综合 利用 ， 2 0 0 9 ( 5 ) 5 李金 玉 水工混凝土耐久性研 究和应用 M 北京 ：中国电力 出版社 ，2 0 0 4 6 C T LG R O U P R E P O R T o f H E A T o f HY D R A T I O N R C T LG R O U P ， 2 0 1 1 7 杨春光 ，等 水工混凝土抗冲磨性能试验研究 J 人民黄河 ， 2 0 0 6 ( 4) 8 K e r n e o s S A C i m e n t F o n d u C o n s t r u c t i o n A p p l i c a t i o n R K e r n e o s S A ，2 0 0 6 9 邓 明枫 ，等 高性能混凝土抗冲磨性能试验研究 J 混凝土 ， 2 0 0 8 ( 2 ) 1 0 A S T M C 1 1 3 8 ，混凝土耐腐蚀性试验方法 s ( 责任编辑陈小敏) 7 加 踟 加 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m