HF抗冲磨混凝土在河口村水库2#泄洪洞中的应用

陈 攀 孙永波 罗 畅

（黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003）

1 工程概况

河口村水库位于黄河一级支流沁河最后一段峡谷出口处，控制流域面积9223km2，占沁河流域面积的68.2%，占黄河小浪底至花园口无工程控制区间面积的34%。水库是以防洪、供水为主，兼顾灌溉、发电、改善生态，并进一步完善黄河下游调水调沙运行条件的水库，水库最大坝高122.5m，总库容3.17亿m3，工程属大（2）型，工程等别为Ⅱ等；水库按500年一遇设计，2000年一遇校核，设计洪水时下泄流量7650 m3/s，校核下泄流量为10560 m3/s。水库主要建筑物有：混凝土面板堆石坝、泄洪洞、溢洪道、发电洞等。

2 2#泄洪洞的基本布置

泄洪洞布置有1#泄洪洞和2#泄洪洞，两洞最大泄流能力为3918.37m3/s。2#泄洪洞由导流洞增设一龙抬头洞段改建形成。导流洞洞长740.0m，最大泄量1956.7m3/s，洞身断面均为城门洞型，尺寸为9.0m×13.5m（宽×高），全断面钢筋混凝土衬砌，水库运行期均为明流洞。

2#泄洪洞在正常库水位下，洞内水流流速除洞出口局部桩号段外，其他桩号段流速均大于30m/s；在设计（校核）水位下，洞内水流流速均大于30m/s，最高水流流速达到36.5 m/s。洞内水流流态为高速水流，存在空蚀危险，除结构上需要考虑掺气和提高过流面平整度要求外，还需考虑采用抗冲耐磨混凝土材料，以减少空蚀对结构的破坏。

高速水流对洞身断面底板及边墙下部空蚀危害较大，本设计在洞身断面底板和边墙下部3.0m以下范围采用抗冲耐磨混凝土材料，其他为普通C30混凝土。

3 抗冲磨混凝土方案比选

目前应用较多的抗冲磨材料按胶凝材料不同主要分为两类，即为有机胶凝类和无机胶凝类。有机胶凝类主要有高分子聚合物的聚合物胶结混凝土、呋喃混凝土、环氧树脂混凝土等；无机胶凝类主要有硅粉混凝土、纤维混凝土、粉煤灰混凝土、铁钢砂混凝土等；其他还有铸石板、条石、钢板等。

环氧树脂等有机胶凝类混凝土虽然有很高的抗冲磨能力，但材料成本高，固化剂有一定的毒性，与基底混凝土的线膨胀系数不一致，在自然条件下会逐渐老化、开裂、脱空。

其他如钢材具有良好的抗冲击韧性，但很难牢固地锚固于混凝土中，而且造价较高；铸石板抗高速悬移质泥沙冲磨能力较好，但材料脆性，抗冲击强度低，极易被击碎；花岗岩等条石质地坚硬，抗冲磨性能好，只是韧性差，开采加工难，施工费时费力。

鉴于上述各种原因，结合本工程特点，主要对无机胶凝材料类抗冲耐磨混凝土材料做比选研究，具体选择对目前常用的硅粉混凝土和HF混凝土优缺点进行比选。

3.1 硅粉抗冲磨混凝土

混凝土的抗冲磨、抗气蚀性能，并显著提高混凝土的力学性能、密实性、抗冻性和耐久性。

但是硅粉混凝土存有如下缺点：

（1）硅粉混凝土的干缩裂缝问题未能解决。硅粉砼的干缩率尤其是早期干缩率较大，使硅粉混凝土在应用中易于出现干缩裂缝，影响其整体强度和使用效果。

（2）硅粉混凝土施工难度大。由于硅粉颗粒极细，比表面积很大，加入混凝土中后，可使混凝土粘聚性增大，流动性变差，施工和易性不好，使砼混凝土不易振捣密实，不易收光抹面。如果采用泵送浇筑，易发生粘管和堵管现象，泵送性能差。

（3）硅粉混凝土易产生温度裂缝。硅粉混凝土早期强度发展很快，相应的混凝土的水化热放热速度很快，致使混凝土水化热温升高，在混凝土中容易产生较大的温度应力，这一应力在干缩裂缝的顶端产生应力集中，使干缩裂缝扩展延伸甚至形成贯通性的裂缝。

3.2 HF 抗冲磨混凝土

HF混凝土是由HF外加剂、优质粉煤灰（或其它优质掺合料如硅粉、磨细矿渣等）、符合要求的砂石骨料和水泥等组成，并按规定的要求进行设计和组织施工浇筑的混凝土。

HF作用机理：HF混凝土通过HF外加剂减水、改善混凝土和易性并激发优质粉煤灰的活性，使粉煤灰可以起到与硅粉同样的活性作用，能显著提高混凝土的整体强度并使混凝土的胶凝产物致密、坚硬、耐磨，改善胶材与骨料间的界面性能，使混凝土形成一种较均匀的整体，提高了混凝土的抗裂性和混凝土的整体强度，提高混凝土抵抗高速水流空蚀和脉动压力的能力，达到提高混凝土抗冲耐磨性能。

3.3 HF抗冲磨混凝土与硅粉混凝土比选

硅粉混凝土价格较高，硅粉生产厂家较少，同时硅粉混凝土施工难度大，施工质量又不易保证。

HF混凝土与硅粉混凝土同样具有高抗压强度、抗冲磨、抗空蚀性能，其粘聚性和保水性介于硅粉混凝土和普通混凝土之间，既克服了硅粉混凝土粘聚性太大不泌水的缺点，又改善了普通混凝土粘聚性差易泌水的性能。掺加粉煤灰的HF混凝土其粉煤灰中含有大量的玻璃微珠，在拌合物种产生“滚珠效应”，不但使HF混凝土易于施工浇筑，易于振捣密实和收光抹面，并可进行泵送浇筑，克服了硅粉混凝土施工难度大的缺点。同时HF混凝土还具有良好的抗裂性能。

经过对比，本工程2#泄洪洞抗冲磨混凝土选用HF混凝土。

4 河口村水库HF混凝土基本材料用量配合比及施工效果

HF混凝土材料：水泥为济源五三一水泥厂P.O42.5级水泥；粉煤灰为济源沁北电厂F类Ⅱ级粉煤灰；细骨料为金滩天然砂；外加剂为郑州三联化工建材有限公司的FDN-2引气型高效减水剂、TM引气型泵送剂、FL-HF引气型抗冲耐磨减水剂。经过试验确定，HF混凝土基本材料用量配合比见表1：HF混凝土基本材料用量配合比表，表2：

硅粉抗冲磨混凝土是以超高细活性硅粉为主，掺配有耐冲磨抗气蚀助剂的复合粉体材料。它能大幅提高HF混凝土抗压强度、抗渗性能及抗冻融循环性能试验成果。

表1 HF混凝土基本材料用量配合比表

表2 HF混凝土抗压强度、抗渗性能及抗冻融循环性能试验成果

通过对HF混凝土试件性能测试，冻融循环次数达到100次时，试验混凝土试件相对动弹性模量为87.1%，大于60%；重量损失率为1.5%，小于5%，说明抗冻融性能满足设计要求，即HF混凝土的强度、抗渗性能等级及抗冻融性能均达到设计要求指标：C40W6F100。

HF混凝土的流动性性能满足采用泵送浇筑施工技术条件，经过对2#泄洪洞的混凝土泵送浇筑实施，该混凝土易于施工浇筑，易于振捣密实和收光抹面，浇筑效果良好，没有出现裂缝，过流面的平整度能达到设计要求。

5 结语

河口村水库工程2#泄洪洞（导流洞）断面边墙下部及底板采用的HF抗冲磨混凝土，浇筑质量良好，浇筑速度较快，缩短工期，节约投资，经过导流运行期间验证及测试，各项指标均达到设计要求。HF混凝土方便浇筑施工，且具有良好抗冲磨及抗裂性能，是一种值得推广应用的抗冲磨混凝土材料。