纤维混凝土在高流速输水渠道防冲耐磨衬砌中的设计与应用

张寅寅

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

石羊河流域是甘肃省河西走廊三大内陆河流域之一，位于甘肃省河西走廊东部，由于区域内气候干燥、降水稀少，蒸发量大，历来农业生产完全依靠灌溉。近年来随着石羊河上、中游工农业生产的快速发展，用水量大量增加，致使石羊河下游水资源严重匮乏，引发了严重的生态环境问题，绿洲面积逐年萎缩，进而危及当地人民的生存。

为了遏制石羊河流域生态环境恶化趋势，“决不让民勤成为第二个‘罗布泊’”，2007年12月国家发展改革委和水利部以发改农经[2007]3378号文批复通过的《石羊河流域重点治理规划》，确定通过实施产业结构的调整、水资源配置保障工程、灌区节水改造工程、生态环境建设与保护工程、水资源保护工程等5部分流域重点治理措施，实现六河水系中下游地下水采补平衡，地下水位停止下降，有效遏制生态系统恶化趋势。

西营河专用输水渠工程属水资源配置保障工程之一，也是2010年前优先安排的实施工程，其建设目的就是通过提高输水效率，确保在P=50%来水情况下，实现西营河向石羊河干流蔡旗断面输水量不小于1.1亿m3这一水量目标。工程起点为西营河上游出山口处原灌区总干渠渠首，终点为石羊河蔡旗水文站上游，线路总长50.3km，其中，改扩建渠道总长12km，新建段渠道总长38.3km。

新建段渠道主要位于上游西营河洪积扇区和下游细土平原区，经多方案比较后，确定上游西营河洪积扇区渠道垂直等线布置，平均纵坡为1/168，最陡纵坡为1/66，纵坡较陡，渠道水流最大设计流速接近或超过6.0m/s，设计均采用钢筋混凝土衬砌。因西营河专用输水渠引水时段主要集中在7—10月份，与西营河汛期相重合，大部分时段天然河道水流含沙量较高，渠道水流含沙量也较高，挟沙高速水流对渠道的冲刷磨损就成为工程运行期必须高度重视的一个问题。

2 新建段渠道衬砌设计及存在的磨损问题

2.1 新建段渠道衬砌设计

西营河专用输水渠新建段渠道断面型式主要采用梯形明渠及箱形暗渠，前期设计选择渠道衬砌时，综合考虑断面大小、工程占地、投资、施工等因素，结合GB/T 50600《渠道防渗工程技术规范》中关于防渗渠道衬砌材料允许不冲流速的相关规定，经技术经济比较后确定为：当梯形明渠渠道流速不小于3m/s时，均采用现浇C20钢筋混凝土衬砌；当梯形明渠渠道流速小于3m/s时，均采用预制混凝土板衬砌；对于箱形暗渠，均采用现浇C20钢筋混凝土衬砌。

2.2 渠道衬砌磨损问题

西营河专用输水渠工程于2009年3月9日正式开工建设，于2010年3月10日建成并通水试运行。试运时通水时，发现新建现浇钢筋混凝土梯形明渠及暗渠底板磨损情况比较严重，主要表现为底板表面混凝土冲蚀剥落、蜂窝麻面、起伏不平，多段渠底钢筋出露，如图1所示。

图1 梯形明渠及暗渠底板磨损情况

经分析底板磨损的主要原因为：①调水时段主要集中在汛期，渠内水流含沙量较高，且主要为水流底层的推移质泥沙，并含有大量的粒径较大的卵石，在挟沙高速水流的冲刷下，对渠道底板造成冲击和磨损。②近年来，随着施工工艺和手段的进步，渠道实际糙率多小于设计糙率，造成实际流速往往比设计流速快。经实测西营河专用输水渠磨损比较严重的渠段道流速在5～7m/s之间，比设计流速快1～2m/s，挟沙能力更强，也加剧了渠道底板的磨损。

2.3 初步改进措施及存在的问题

针对钢筋混凝土底板在高含沙水流条件下抭冲刷能力不良的问题，需对底板采取改进及加强措施，以保证结构及运行安全。通过调研，石羊河流域现有灌区的输水渠道水流条件与本工程相近，多采用细粒混凝土砌卵石衬砌，实际运行表明其抗冲磨效果较好。为防止底板进一步磨损，采用在底板上部增设一层现浇C30细粒混凝土砌卵石护面层厚度15cm，如图2所示。经进一步的通水运行验证，效果较好，有效提高了底板的抗冲刷能力，但随着输水时段的延长，也暴露出一些问题，主要表现为细粒混凝土砌卵石护面层与原有混凝土衬砌层结合不佳，在两侧边缘及伸缩缝处与原有衬砌结合部位易形成缝隙，随着水流的冲刷，缝隙会扩大，在推移质泥沙的冲击下，细粒混凝土砌卵石护面层两侧出现断裂及破损，且逐渐会向中部发展(如图2所示)。此问题表明，底板增加细粒混凝土砌卵石护面层的耐久性较差，不适合长期运行。如采用对梯形明渠全断面套砌护面处理(暗渠不适合进行全断面套砌)，可以解决上述问题，但由于细粒混凝土砌卵石护面层糙率较大，会导致渠道输水能力不能满足设计要求，不能在本工程采用。

图2 细粒混凝土砌卵石护面层及典型破损情况

3 纤维混凝土抗冲耐磨优化设计方案

3.1 抗冲耐磨材料的选择

在既有的条件下，要想彻底解决渠道底板在抗冲耐磨环节存在问题，底板护面层必须选择采用抗渗、抗裂、抗冲击和耐磨性能好且与原有衬砌性能相近、易结合的材料，同时还应具有施工简单且经济性好的优点。通过对省内、国内类似工程的了解考察及研究，符合上述要求、适合并可供本工程选择采用的材料主要有HF高强耐磨粉煤灰混凝土(专利技术)和各类纤维混凝土、合成纤维混凝土。

经过对各种材料性能及应用情况进行研究，HF高强耐磨粉煤灰混凝土及钢纤维混凝土造价较高、施工难度较大，不适合本工程。经进一步对各类纤维混凝土及合成纤维混凝土进行研究比较后，决定采用三元共聚纤维混凝土。三元共聚纤维是一种易于添加、混合及摊铺的特种混凝土工程纤维，它是由三种成绺单丝纤化合成纤维组合而成的百分百纯合成聚合物纤维，依据最佳配比混合，经特殊方法改性处理后拉丝捻搓复合而成，是针对钢纤维而研制的最佳更新换代产品。可用于减少混凝土龟裂和强化混凝土收缩，改善其撞击强度和增强混凝土的抗疲劳性和坚韧性。三元共聚纤维不腐蚀、不老化、而且抗酸碱，对结构整体提供了增强混凝土的抗折、抗撞击和抗磨损性能，完全适用于水利水电工程的溢洪道、消力池、闸底板等高速水流部位。与钢纤维相比具有耐腐蚀、易分散、易施工、拌合设备无损伤等特点。它的截面形状及比表面积和钢纤维相似，三元共聚纤维的比重为1.38kg/cm3，钢的比重为7.8kg/cm3，同样体积掺量下，钢纤维重量是三元共聚纤维重量的8.0倍。因此，用三元共聚纤维代替钢纤维可较大幅度降低成本。一般建议水利工程中每立方米混凝土三元共聚纤维掺量为3～6kg，最高掺量不得大于8kg。

3.2 三元共聚纤维混凝土抗冲耐磨护面层优化设计方案

现浇钢筋混凝土梯形渠及箱形暗渠底板护面层采用现浇C30三元共聚纤维混凝土，设计处理厚度为10cm，宽度与底板宽度同宽。推荐每立方米混凝土中三元共聚纤维掺量为3.5kg，为防止混凝土因收缩、干缩和温度变化等因素造成微小裂缝，同时在混凝土中添加lkg聚丙烯单丝纤维配合使用。本工程应用的三元共聚纤维性能技术指标见表1，聚丙烯单丝纤维性能技术指标见表2。添加三元共聚纤维后C30混凝土的等级配合比参数不需改变。

表1 三元共聚纤维性能技术指标表

表2 聚丙烯单丝纤维性能技术指标表

底板护面层浇筑前需对现有渠道底板进行表面处理，清除表面松动层，同时进行清洗处理，处理后的表面为干净的麻面。

4 应用效果

现浇钢筋混凝土梯形渠及箱形暗渠底板护面层在2011年进行了施工，在随后的7年输水运行期间，表现出了良好的抗冲耐磨性能，底板再未出现磨损情况，且与原衬砌混凝土结合紧密，未发现结合面出现裂隙及边缘破损情况。运行后的底板面层状况如图3所示。

图3 现浇C30三元共聚纤维混凝土渠底护面层运行后状况

5 结语

西营河专用输水渠工程是石羊河流域重点治理规划所确定的水资源配置保障工程之一，其新建段渠道纵坡陡、水流流速快，加之调水时段主要集中在汛期，渠内水流含沙量较高，在挟沙高速水流的冲刷下，渠道底板冲刷和磨损比较严重。针对原钢筋混凝土渠道底板及细粒混凝土砌卵石护面层存在的磨损问题，经研究比较，采用三元共聚纤维混凝土抗冲耐磨护面层对渠道底板进行处理后，有效解决了存在的问题。经工程运行实践证明，抗冲耐磨性能良好，可确保工程长久运行安全。