張寅寅

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

石羊河流域是甘肅省河西走廊三大內(nèi)陸河流域之一，位于甘肅省河西走廊東部，由于區(qū)域內(nèi)氣候干燥、降水稀少，蒸發(fā)量大，歷來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完全依靠灌溉。近年來(lái)隨著石羊河上、中游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，用水量大量增加，致使石羊河下游水資源嚴(yán)重匱乏，引發(fā)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，綠洲面積逐年萎縮，進(jìn)而危及當(dāng)?shù)厝嗣竦纳妗?/p>

為了遏制石羊河流域生態(tài)環(huán)境惡化趨勢(shì)，“決不讓民勤成為第二個(gè)‘羅布泊’”，2007年12月國(guó)家發(fā)展改革委和水利部以發(fā)改農(nóng)經(jīng)[2007]3378號(hào)文批復(fù)通過(guò)的《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》，確定通過(guò)實(shí)施產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、水資源配置保障工程、灌區(qū)節(jié)水改造工程、生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)工程、水資源保護(hù)工程等5部分流域重點(diǎn)治理措施，實(shí)現(xiàn)六河水系中下游地下水采補(bǔ)平衡，地下水位停止下降，有效遏制生態(tài)系統(tǒng)惡化趨勢(shì)。

西營(yíng)河專用輸水渠工程屬水資源配置保障工程之一，也是2010年前優(yōu)先安排的實(shí)施工程，其建設(shè)目的就是通過(guò)提高輸水效率，確保在P=50%來(lái)水情況下，實(shí)現(xiàn)西營(yíng)河向石羊河干流蔡旗斷面輸水量不小于1.1億m3這一水量目標(biāo)。工程起點(diǎn)為西營(yíng)河上游出山口處原灌區(qū)總干渠渠首，終點(diǎn)為石羊河蔡旗水文站上游，線路總長(zhǎng)50.3km，其中，改擴(kuò)建渠道總長(zhǎng)12km，新建段渠道總長(zhǎng)38.3km。

新建段渠道主要位于上游西營(yíng)河洪積扇區(qū)和下游細(xì)土平原區(qū)，經(jīng)多方案比較后，確定上游西營(yíng)河洪積扇區(qū)渠道垂直等線布置，平均縱坡為1/168，最陡縱坡為1/66，縱坡較陡，渠道水流最大設(shè)計(jì)流速接近或超過(guò)6.0m/s，設(shè)計(jì)均采用鋼筋混凝土襯砌。因西營(yíng)河專用輸水渠引水時(shí)段主要集中在7—10月份，與西營(yíng)河汛期相重合，大部分時(shí)段天然河道水流含沙量較高，渠道水流含沙量也較高，挾沙高速水流對(duì)渠道的沖刷磨損就成為工程運(yùn)行期必須高度重視的一個(gè)問(wèn)題。

2 新建段渠道襯砌設(shè)計(jì)及存在的磨損問(wèn)題

2.1 新建段渠道襯砌設(shè)計(jì)

西營(yíng)河專用輸水渠新建段渠道斷面型式主要采用梯形明渠及箱形暗渠，前期設(shè)計(jì)選擇渠道襯砌時(shí)，綜合考慮斷面大小、工程占地、投資、施工等因素，結(jié)合GB/T 50600《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于防滲渠道襯砌材料允許不沖流速的相關(guān)規(guī)定，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定為：當(dāng)梯形明渠渠道流速不小于3m/s時(shí)，均采用現(xiàn)澆C20鋼筋混凝土襯砌；當(dāng)梯形明渠渠道流速小于3m/s時(shí)，均采用預(yù)制混凝土板襯砌；對(duì)于箱形暗渠，均采用現(xiàn)澆C20鋼筋混凝土襯砌。

2.2 渠道襯砌磨損問(wèn)題

西營(yíng)河專用輸水渠工程于2009年3月9日正式開(kāi)工建設(shè)，于2010年3月10日建成并通水試運(yùn)行。試運(yùn)時(shí)通水時(shí)，發(fā)現(xiàn)新建現(xiàn)澆鋼筋混凝土梯形明渠及暗渠底板磨損情況比較嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為底板表面混凝土沖蝕剝落、蜂窩麻面、起伏不平，多段渠底鋼筋出露，如圖1所示。

圖1 梯形明渠及暗渠底板磨損情況

經(jīng)分析底板磨損的主要原因?yàn)椋孩僬{(diào)水時(shí)段主要集中在汛期，渠內(nèi)水流含沙量較高，且主要為水流底層的推移質(zhì)泥沙，并含有大量的粒徑較大的卵石，在挾沙高速水流的沖刷下，對(duì)渠道底板造成沖擊和磨損。②近年來(lái)，隨著施工工藝和手段的進(jìn)步，渠道實(shí)際糙率多小于設(shè)計(jì)糙率，造成實(shí)際流速往往比設(shè)計(jì)流速快。經(jīng)實(shí)測(cè)西營(yíng)河專用輸水渠磨損比較嚴(yán)重的渠段道流速在5～7m/s之間，比設(shè)計(jì)流速快1～2m/s，挾沙能力更強(qiáng)，也加劇了渠道底板的磨損。

2.3 初步改進(jìn)措施及存在的問(wèn)題

針對(duì)鋼筋混凝土底板在高含沙水流條件下抭沖刷能力不良的問(wèn)題，需對(duì)底板采取改進(jìn)及加強(qiáng)措施，以保證結(jié)構(gòu)及運(yùn)行安全。通過(guò)調(diào)研，石羊河流域現(xiàn)有灌區(qū)的輸水渠道水流條件與本工程相近，多采用細(xì)粒混凝土砌卵石襯砌，實(shí)際運(yùn)行表明其抗沖磨效果較好。為防止底板進(jìn)一步磨損，采用在底板上部增設(shè)一層現(xiàn)澆C30細(xì)粒混凝土砌卵石護(hù)面層厚度15cm，如圖2所示。經(jīng)進(jìn)一步的通水運(yùn)行驗(yàn)證，效果較好，有效提高了底板的抗沖刷能力，但隨著輸水時(shí)段的延長(zhǎng)，也暴露出一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)為細(xì)?；炷疗雎咽o(hù)面層與原有混凝土襯砌層結(jié)合不佳，在兩側(cè)邊緣及伸縮縫處與原有襯砌結(jié)合部位易形成縫隙，隨著水流的沖刷，縫隙會(huì)擴(kuò)大，在推移質(zhì)泥沙的沖擊下，細(xì)?；炷疗雎咽o(hù)面層兩側(cè)出現(xiàn)斷裂及破損，且逐漸會(huì)向中部發(fā)展(如圖2所示)。此問(wèn)題表明，底板增加細(xì)粒混凝土砌卵石護(hù)面層的耐久性較差，不適合長(zhǎng)期運(yùn)行。如采用對(duì)梯形明渠全斷面套砌護(hù)面處理(暗渠不適合進(jìn)行全斷面套砌)，可以解決上述問(wèn)題，但由于細(xì)?；炷疗雎咽o(hù)面層糙率較大，會(huì)導(dǎo)致渠道輸水能力不能滿足設(shè)計(jì)要求，不能在本工程采用。

圖2 細(xì)?；炷疗雎咽o(hù)面層及典型破損情況

3 纖維混凝土抗沖耐磨優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1 抗沖耐磨材料的選擇

在既有的條件下，要想徹底解決渠道底板在抗沖耐磨環(huán)節(jié)存在問(wèn)題，底板護(hù)面層必須選擇采用抗?jié)B、抗裂、抗沖擊和耐磨性能好且與原有襯砌性能相近、易結(jié)合的材料，同時(shí)還應(yīng)具有施工簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)省內(nèi)、國(guó)內(nèi)類似工程的了解考察及研究，符合上述要求、適合并可供本工程選擇采用的材料主要有HF高強(qiáng)耐磨粉煤灰混凝土(專利技術(shù))和各類纖維混凝土、合成纖維混凝土。

經(jīng)過(guò)對(duì)各種材料性能及應(yīng)用情況進(jìn)行研究，HF高強(qiáng)耐磨粉煤灰混凝土及鋼纖維混凝土造價(jià)較高、施工難度較大，不適合本工程。經(jīng)進(jìn)一步對(duì)各類纖維混凝土及合成纖維混凝土進(jìn)行研究比較后，決定采用三元共聚纖維混凝土。三元共聚纖維是一種易于添加、混合及攤鋪的特種混凝土工程纖維，它是由三種成綹單絲纖化合成纖維組合而成的百分百純合成聚合物纖維，依據(jù)最佳配比混合，經(jīng)特殊方法改性處理后拉絲捻搓復(fù)合而成，是針對(duì)鋼纖維而研制的最佳更新?lián)Q代產(chǎn)品?？捎糜跍p少混凝土龜裂和強(qiáng)化混凝土收縮，改善其撞擊強(qiáng)度和增強(qiáng)混凝土的抗疲勞性和堅(jiān)韌性。三元共聚纖維不腐蝕、不老化、而且抗酸堿，對(duì)結(jié)構(gòu)整體提供了增強(qiáng)混凝土的抗折、抗撞擊和抗磨損性能，完全適用于水利水電工程的溢洪道、消力池、閘底板等高速水流部位。與鋼纖維相比具有耐腐蝕、易分散、易施工、拌合設(shè)備無(wú)損傷等特點(diǎn)。它的截面形狀及比表面積和鋼纖維相似，三元共聚纖維的比重為1.38kg/cm3，鋼的比重為7.8kg/cm3，同樣體積摻量下，鋼纖維重量是三元共聚纖維重量的8.0倍。因此，用三元共聚纖維代替鋼纖維可較大幅度降低成本。一般建議水利工程中每立方米混凝土三元共聚纖維摻量為3～6kg，最高摻量不得大于8kg。

3.2 三元共聚纖維混凝土抗沖耐磨護(hù)面層優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)澆鋼筋混凝土梯形渠及箱形暗渠底板護(hù)面層采用現(xiàn)澆C30三元共聚纖維混凝土，設(shè)計(jì)處理厚度為10cm，寬度與底板寬度同寬。推薦每立方米混凝土中三元共聚纖維摻量為3.5kg，為防止混凝土因收縮、干縮和溫度變化等因素造成微小裂縫，同時(shí)在混凝土中添加lkg聚丙烯單絲纖維配合使用。本工程應(yīng)用的三元共聚纖維性能技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，聚丙烯單絲纖維性能技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。添加三元共聚纖維后C30混凝土的等級(jí)配合比參數(shù)不需改變。

表1 三元共聚纖維性能技術(shù)指標(biāo)表

表2 聚丙烯單絲纖維性能技術(shù)指標(biāo)表

底板護(hù)面層澆筑前需對(duì)現(xiàn)有渠道底板進(jìn)行表面處理，清除表面松動(dòng)層，同時(shí)進(jìn)行清洗處理，處理后的表面為干凈的麻面。

4 應(yīng)用效果

現(xiàn)澆鋼筋混凝土梯形渠及箱形暗渠底板護(hù)面層在2011年進(jìn)行了施工，在隨后的7年輸水運(yùn)行期間，表現(xiàn)出了良好的抗沖耐磨性能，底板再未出現(xiàn)磨損情況，且與原襯砌混凝土結(jié)合緊密，未發(fā)現(xiàn)結(jié)合面出現(xiàn)裂隙及邊緣破損情況。運(yùn)行后的底板面層狀況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)澆C30三元共聚纖維混凝土渠底護(hù)面層運(yùn)行后狀況

5 結(jié)語(yǔ)

西營(yíng)河專用輸水渠工程是石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃所確定的水資源配置保障工程之一，其新建段渠道縱坡陡、水流流速快，加之調(diào)水時(shí)段主要集中在汛期，渠內(nèi)水流含沙量較高，在挾沙高速水流的沖刷下，渠道底板沖刷和磨損比較嚴(yán)重。針對(duì)原鋼筋混凝土渠道底板及細(xì)?；炷疗雎咽o(hù)面層存在的磨損問(wèn)題，經(jīng)研究比較，采用三元共聚纖維混凝土抗沖耐磨護(hù)面層對(duì)渠道底板進(jìn)行處理后，有效解決了存在的問(wèn)題。經(jīng)工程運(yùn)行實(shí)踐證明，抗沖耐磨性能良好，可確保工程長(zhǎng)久運(yùn)行安全。