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 832000）

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192 km，北距石河子市50 km。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990 m，设计洪水位992.98 m，校核洪水位993.49 m，最大坝高129.40 m，总库容1.88亿m3，调节库容0.39亿m3，为日调节水库。控制电站装机容量100 MW（3台单机容量30 MW，1台单机容量10 MW），设计年发电量2.7亿kW·h，工程总工期52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1895.0 m3/s，校核泄量2122.0 m3/s，下游消能防冲标准相应泄量为532 m3/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42.49 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50.0 m，采用龙抬头与导流洞结合，为无压洞泄洪洞，总长900.14 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500 m3/s。“龙抬头”曲线段泄洪洞断面尺寸6 m×6.7 m，为城门洞型，顶拱角为120°。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1 溢洪道泄槽水力计算表

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37.84 m/s。

3 抗冲耐磨材料选择

该工程泄洪建筑物最大流速接近42.5 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HF混凝土等。HF混凝土主要为在混凝土中添加HF抗冲耐磨剂与粉煤灰，以提高混凝土抗冲磨性能的混凝土。HF抗冲耐磨剂掺入混凝土中后，可有效激发粉煤灰的活性。HF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HF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.O42.5和P.O52.5水泥，其物理力学性能检验结果见表3，化学成份见表4。

表3 水泥物理力学性能检验结果

表4 水泥化学成份检测结果

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/cm3，烧失量2.24%，细度4.6%，需水量比95%，SO3含量1.41%；化学检验结果SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO，K2O，Na2O，R2O 含量分别为 59.58%，22.14%，5.60%，3.51%，2.28%，2.25%，1.13%，2.61%。

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

HF外加剂主要采用了甘肃巨才电力技术公司的HF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C40硅粉、C40HF混凝土试验配合比

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C40，抗冻等级F200。现浇二级配C40硅粉、C40HF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14.3 m/s，圆环试件厚度为60 mm，外径400 mm，内径290 mm。试件分别于28 d养护天后放入圆环中，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，C40现浇混凝土中HF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 C40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HF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、HF混凝土28 d抗磨强度分别比普通混凝土提高82%、73%。考虑到HF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，其拌和物呈粘稠状，在相同坍落度下流动性较小，给施工带来不便。所以确定以C40HF混凝土作为抗冲耐磨混凝土的施工配合比。

8 结语

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HF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。

[1]新疆兵团设计院.肯斯瓦特水利枢纽工程初步设计报告[R].2009.

[2]支拴喜.HF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，1997(2)：72—72.

[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].2010.