高水头大流速临时导流底孔抗冲耐磨方案优化

张 敬， 刘小强

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

1 工程概况

溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县接壤的溪洛渡峡谷，是金沙江下游河段开发规划的第三个梯级。电站距离下游宜宾市河道里程184 km，是一座以发电为主，兼有拦沙、防洪和改善下游航运等综合利用效益的巨型水电工程，其中拦河大坝采用双曲拱坝，坝顶高程610.0 m，最大坝高285.50 m。水库正常蓄水位600.0 m，总库容115.7亿m3，总装机容量12 600 MW。

2 导流底孔布置

为满足施工期导流要求，溪洛渡拱坝坝身分两个高程，共设置10个临时导流底孔，后期下闸封堵，其中1～6号导流底孔位于高程410 m的13～16号坝段，7～10号导流底孔位于高程450 m的11号及20号坝段，底孔孔身断面分别为5 m×11 m、3.5 m×9 m(宽×高)，如图1、2所示。导流底孔均按有压流设计，出口采用洞顶压坡，洞顶压坡坡度为1 ∶6。各导流底孔进水口设平板闸门，3号、4号、7～10号出口设弧形闸门。

图1 导流底孔平面布置示意

图2 导流底孔上游示意

3 导流底孔运行条件

3.1 过流时间

根据导流规划，2012年7月1～6号导流底孔开始运行，与2～5号导流洞联合泄洪。

1、2、5、6号导流底孔2012年12月中旬下闸封堵，过流时段约6个月，跨1个汛期，最大运行水位457.21 m，下闸水位425.54 m。

3、4号导流底孔从2012年7月启用，至2013年5月初下闸，运行时段约10个月，含1个汛期及1个枯期，最大运行水位465.0 m，下闸水位465.00 m。

7～10号导流底孔从2012年12月运行，2013年11月中旬下闸，2013年11月～2014年4月进行封堵，运行时段约10个月，含1个枯期及1个汛期，最大运行水位587.47 m。

3.2 水头及过流流速

2012年汛期不同度汛标准下，1～10号导流底孔运行特征值见表1。根据施工导流规划：1、2、5、6号导流底孔过流时间6个月，主要运行工况下流速不太大，最大水头约45.26 m，最大流速27.80 m/s， 对应1%度汛标准，流量34 800 m3/s，在高流速下运行的时间短，且同时出现的概率较小；3、4号导流底孔过流时间10个月，主要运行工况下流速不大，最大水头53.75 m，最大流速为28.08 m/s，高流速下运行时间较短，约1个月；7～10号导流底孔在2013年汛期最大水头137.47 m，最大流速41.78 m/s，运行时间约3个月。

表1 2012年汛期不同度汛标准下导流底孔运行特征值

3.3 过流水流冲刷条件

溪洛渡上游围堰距大坝水平约150 m，拆除顶高程为410.00 m，根据围堰拆除方式，仅对其顶部开口泄流，拆除物不进入下游，仍保留大部分围堰体，可对水流中泥沙有一定拦截作用，并可减缓水流流速，故导流底孔内含碎块石过流的可能性较小，导流底孔流道磨损主要来源于悬砂等颗粒较小的悬移质，随着时间推移，导流底孔将清水过流。

4 导流底孔抗冲耐磨设计

4.1 提高过流表面抗冲耐磨性能主要措施

目前提高泄流建筑物过流表面抗冲耐磨性能的主要措施如下文所述。

4.1.1 提高混凝土材料抗冲耐磨性能

(1)采取高强度混凝土。根据建筑物所处环境及水流冲刷特性，选用C35、C40、C45、C50、C60，以及大于C60等高强度混凝土。

(2)提高骨料的耐磨性能。为提高骨料的抗冲耐磨性能，可选用质地致密与坚硬的花岗岩、辉绿岩、石灰岩等粗骨料，根据需要还可选用铸石、铁钢砂、铁矿石等硬度更高、耐磨性更好的粗骨料。对于细骨料，可选用质地坚硬的矿物颗粒、保证级配良好等措施。

(3)提高水泥结石强度等级。为避免因冲刷导致水泥结石被磨损，可选用抗冲磨强度高的水泥。

(4)提高骨料与水泥结石的黏结强度。增大骨料表面粗糙度，与表面平滑的卵石相比，表面粗糙的骨料与水泥石间机械咬合作用更大，黏结强度更高；降低水胶比，可以减少水泥石与骨料界面的空隙，提高界面密实度，从而提高界面黏结强度；掺加硅灰，其超细颗粒的物理填充作用，可以提高界面密实度，显著提高界面黏结强度。

(5)掺合料。用于抗冲磨混凝土的掺合料有两类：一类是直接用于增强耐磨性的掺合料，这部分掺合料可以代替部分细骨料，如钢屑、钢纤维、金钢砂等。另一类是用于增强混凝土的致密性和强度的掺合料，常用的有硅灰、粉煤灰及细矿渣粉等。更多是把两种或两种以上的掺合料同时掺合到混凝土中，各自发挥优点，形成优势互补。

4.1.2 混凝土过流面表层采用特种材料涂层

采用新型有机高分子复合材料抗冲磨技术，利用特种高分子材料的高强度、高韧性特点来解决高速含沙水流的冲击磨损。常采用特种材料，如：环氧树脂材料、聚脲材料、聚氨酯材料等，将特种材料喷涂在混凝土表面，不仅具有较好的抗冲耐磨性能，与混凝土表面有较好的黏结能力，施工方便且便于修复。

4.1.3 钢板衬砌

在孔口或隧洞流道表面铺设钢板，安装与混凝土浇筑同时进行，后期进行接触灌浆，保证钢衬与混凝土表面的紧密黏结。常规的钢板由于长期运行易发生锈蚀，现在开始采用不锈钢复合钢板，如：溪洛渡深孔、三峡排砂底孔等，既能保证抗冲耐磨要求，又能保证长期运行安全。

4.2 溪洛渡导流底孔抗冲耐磨方案选择

可研～招标设计阶段，根据溪洛渡导流底孔运行条件、水流冲刷条件等，研究了以下几种抗冲耐磨方案。

4.2.1 钢板衬砌

可研设计时，研究了导流底孔全断面采用钢板衬砌的方案。钢板衬砌具有抗冲耐磨性能可靠的优点，但造价高，制作安装工艺复杂，且后期封堵时钢衬拆除、接触灌浆难度大，施工工期相对较长。

4.2.2 高强度混凝土

考虑到钢板衬砌的不利因素，招标设计时研究了高强度混凝土的方案，采取导流底孔过流表面四周采用0.6 m厚的C50抗冲耐磨混凝土，0.6 m以外混凝土强度等级同大坝混凝土，孔身过流面钢筋混凝土保护层15 cm。

由于导流底孔主要运行工况下水流流速不太大，在高流速下运行的时间短，且同时出现的概率较小。根据有限元计算分析成果，导流底孔冬季过流为最不利工况，温度荷载是孔身应力变形的控制因素，因此需要在导流底孔周边一定范围的混凝土温控措施中增加一控温阶段，确保孔身不出现或少出现温度裂缝。高强度混凝土方案具有施工方便，节省工期的优点，但对抗冲耐磨能力的提高有一定局限。

4.2.3 高强度混凝土+聚氨酯

为保证安全度汛的可靠性，并结合孔口温控保温的要求，施工阶段对导流底孔抗冲耐磨措施进行优化，研究底孔流道高强度混凝土+聚氨酯混合材料的方案。

聚氨酯是由多异氰酸酯与多羟基低聚物等原料形成的聚合物，具有优异的物理性能，最突出的是耐磨性优异、耐冲击、耐弯折、耐疲劳，混凝土表面附着力高。聚氨酯喷涂技术施工快捷方便，无论是施工期间，还是材料投入使用后，涂层均不产生有害物质和刺激性气味，属环境友好型材料，后期底孔封堵前容易凿除，方便底孔封堵施工。同时，喷涂聚氨酯后，表明对底孔流道覆盖封闭，能有效缓解导流底孔冬季过流时温度荷载对孔口开裂的影响。

综合考虑导流底孔运行水头、流速、时段、孔口温控、工程投资、施工方便等方面的因素，导流底孔抗冲耐磨选择高强度混凝土+聚氨酯方案。

4.3 溪洛渡导流底孔抗冲耐磨设计

4.3.1 聚氨酯混合材料性能

聚氨酯材料由喷涂材料及发泡剂、催化剂、助燃剂、抗老剂等外加剂材料组成。

(1)聚氨酯泡沫塑料性能指标见表2。

表2 聚氨酯泡沫塑料主要性能指标

(2)发泡剂。发泡剂在反应时加入低沸点氯氟烃，受热挥发形成气体，被聚氨酯料液包裹形成泡沫。

(3)催化剂。催化剂主要是用来控制主反应的快慢，催化剂加入量可以将反应时间控制在1～15 s，喷涂条件的反应时间一般为3～5 s。

(4)稳定剂。稳定剂主要用来控制泡孔的均匀程度以及泡孔的大小，稳定剂可以促进乳状液与溶液之间的混溶，同时可以降低体系的表面张力，增加泡沫的稳定性。

(5)阻燃剂。阻燃剂是针对泡沫表面积大，易燃而做出的防范措施。

4.3.2 施工要求

(1)底孔混凝土模板拆除后，5～7 d内即进行聚氨酯保温材料喷涂。

(2)喷涂施工前应保证混凝土面洁净、无污物、无湿润水、干燥。

(3)喷涂用空气压力0.3～0.4 MPa。喷涂时喷枪对准混凝土面，喷枪与混凝土面垂直，距混凝土面40～80 cm距离，最大喷涂距离可达到3 m，喷枪移动速度0.5～0.8 m/s。

(4)喷涂层物料喷涂到被喷物表面上，颜色变白的时间，一般控制在3～7 s。

(5)喷涂物表面温度低时乳白时间较长，发泡后底层密度大，黏合不牢，泡沫容易从混凝土表面脱落，此时需增加催化剂用量，或者加热喷雾压缩空气，加热温度至50～60℃。

(6)喷涂完成后24 h内禁止流水冲刷，要求表面平整。不准出现起伏波浪；不准出现漏喷、多喷；不准出现收缩变形，发脆、发酥、发泡量小、密度不均，大孔开裂和烧心现象；不准出现聚氨酯保温材料与混凝土脱离现象。

4.4 溪洛渡导流底孔抗冲耐磨应用效果

通过汛后检查，底孔流道聚氨酯材料与混凝土结合紧密，混凝土保护较好，未发现大规模冲刷破坏现象，也未发现大范围开裂现象。通过实践证明，采取“高强度混凝土+聚氨酯混合材料”方案，考虑适当工程措施，能满足导流底孔安全运行要求。

5 结 论

(1)进行抗冲耐磨方案设计时，应根据建筑物运行条件、冲刷条件等初拟方案，从满足抗冲耐磨要求，兼顾经济有效、节约工期、方便施工等综合考虑确定。

(2)从设计理念看，大坝及流道均存在局部开裂的风险，但通过一些合理的、必要的处理措施，可以有效地减少或避免开裂。在导流底孔施工中，将采用加强温度控制、优化钢筋配置、过流前全面检查修补等方式，有效解决孔身开裂等问题。

(3)通过对导流底孔抗冲耐磨设计优化，取消钢衬保护，采用“高强度混凝土+聚氨酯混合材料”，既保证底孔结构抗冲耐磨安全，又能有效缓解导流底孔冬季过流时温度荷载对孔口开裂的影响，节省工程造价，加快工程施工进度。

参考文献：

[1] 杨春光.水工混凝土抗冲磨机理及特性的研究[D].咸阳：西北农林科技大学，2006.

[2] 刘益军，王家顺，黄国泓.喷涂聚氨酯技术在水工耐磨防腐中的应用[J].水利水电科技进展，2006，26(3).

[3] 李绍雄，刘益军.聚氨酯树脂及其应用[M].北京:化学工业出版社，2002:670-700.

[4] 黄微波，杨字润，徐德喜，等.喷涂聚脲弹性体技术的发展及应用[J].化工进展，2000，19(5):24-28.

[5] 赵波.弹性聚氨酯材料在宝鸡峡加闸工程冲砂底孔抗冲磨防护上的应用[J].陕西水力发电，2001，17(3):39-41.

[6] 吴怀国，赵德海，孙志恒.喷涂聚脉弹性体技术应用展望[J].中国水利水电科学研究院学报，2003(3):232-235.