硅粉混凝土在引水枢纽闸基加固中的应用

常陆军

(新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 工程概况

新疆头屯河第二引水枢纽工程始建于1964年，该工程位于头屯河水库大坝下游150 m处，是一座拦河式引水枢纽。设计引水流量为5.0 m3/s，工程规模为Ⅲ等中型，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。该引水枢纽工程主要由2孔引水闸、1孔冲砂闸及4孔冲砂闸组成。目前闸底板及闸墩冲刷磨损严重，影响结构稳定，被新疆自治区水利厅判定为三类闸。

2 水文气象及工程地质

2.1 水文气象

头屯河流域位于新疆天山北坡中段，准噶尔盆地南缘，头屯河水库坝址以上集水面积

1878 km2，头屯河多年平均径流量2.66亿m3。设计洪水标准20 a一遇，洪峰流量137.00 m3/s；校核洪水标准50 a一遇，洪峰流量169.31 m3/s。

根据昌吉气象站资料统计，多年平均气温6.8 ℃，极端最高气温42.0 ℃，极端最低气温-38.2 ℃。多年平均最大风速22.0 m/s，多年平均风速3.4 m/s，历年最大冻土深度1.5 m。

2.2 工程地质条件

(1)物理力学性质分析。根据钻探揭露：第二引水枢纽工程地表层为2.5 m厚的卵砾石层，粒径范围在2～50 cm之间。通过密度试验得出卵砾石天然密度2.12～2.25 g/cm3，自然休止角35°～38°，渗透系数K为4.4×10-2～8.2×10-2cm/s，属于强透水层，承载力300～350 kPa，工程地质条件好。地表层岩石的力学性能指标如表1所示。

表1 卵砾石的物理力学性质

下伏基岩为侏罗系头屯河组砂岩、泥岩，浅绿、淡黄色，薄-中厚层状，强风化层厚2.0～3.0 m，弱风化层厚5.0～6.0 m，承载力300～800 kPa。地层岩石的力学性能指标如表2所示。

(2)地基土渗透变形分析。经实地考察分析，

地基土岩性为连续级配土。根据相关规定，其连续级配土区分粒径d按式(1)计算，最后得出闸基渗透变形类型为管涌。而闸基土临界水力比降允许值J允计算见式(2)[1]，经计算J允范围在0.10～0.15之间。

表2 砂岩、泥岩物理力学性质

(1)

式中：d70为占总土重70%的土粒粒径，40 mm；d10为占总土重10%的土粒粒径，0.7 mm。

(2)

式中：Gs为土的颗粒比重；n为土的孔隙率，%；d5、d20分别为占总土重5%和20%的土粒粒径，mm。

2.3 环境腐蚀性评价

3 硅粉混凝土修补技术的应用

3.1 闸室修补方案的确定

本次设计拆除闸底板表层30 cm厚浆砌卵石，在原钢筋混凝土闸底板植入锚筋，锚筋间距1.0 m，锚筋长80 cm，锚固长度为60 cm，在原底板上重新绑扎钢筋、浇筑C60F200W6硅粉混凝土修补，厚度30 cm。闸墩部位表层凿毛厚度3 cm，采用环氧砂浆补强处理。凿除闸墩前端圆弧段，采用C60F200W6硅粉混凝土修补，并植入锚筋。详见图1、图2。

图1 环氧砂浆补强处理图

图2 硅粉混凝土修补图

3.2 硅粉混凝土修补加固设计参数

硅粉混凝土是在普通混凝土中掺加硅粉和高效减水剂改变混凝土性能而制成的。硅粉混凝土增加了普通混凝土的强度和密实度，提高了普通混凝土的抗冲性、抗渗性、抗腐蚀性等性能，硅粉混凝土有效地保护钢筋不受侵蚀。因此，特别适用于水工建筑物抗冲性、抗渗性、抗腐蚀性等要求较高的工程。硅粉混凝土抗空蚀强度提高3倍，抗冲磨强度比普通混凝土C40提高2倍。硅粉混凝土加固设计参数详见表3[2]。

表3 硅粉混凝土修补加固设计参数

3.3 硅粉混凝土修补加固施工

硅粉混凝土修补施工工艺流程：施工准备→剥蚀混凝土凿除→新、旧结合面处理→硅粉混凝土浇筑→养护。

(1)施工准备。施工前要制定详细的施工组织设计，准备相关的施工机械设备和施工人员，对修补材料硅粉混凝土进行试验，确定硅粉混凝土的配合比。

(2)剥蚀混凝土凿除。必须彻底将闸底板、闸墩受到剥蚀损伤的疏松混凝土凿除，保证闸底板、闸墩混凝土基面与硅粉混凝土良好结合，凿除厚度一定要均厚，避免出现不合格断面，周边要垂直表面切除，保证不损害周围完好的混凝土。

(3)新、旧结合面处理。在浇筑硅粉混凝土前，先将闸底板、闸墩凿除，表面采用高压水枪冲洗或用吸尘设备清洁。然后在闸底板、闸墩清洁完成的结合面上涂刷一层具有黏结性较好的界面剂。然后在结合面上植入短钢筋，采用φ20 mm锚筋，间距1.0 m，梅花形布置长80 cm，深入原底板60 cm，最后再植入直径φ8 mm，钢筋网间距10 cm的短钢筋架。

(4)硅粉混凝土浇筑施工。①硅粉混凝土的拌和。混凝土拌和过程，按试验好的混凝土配合比将材料称重，投料顺序[3]：水→砂石骨料→水泥→硅粉→外加剂。②硅粉混凝土的运输。硅粉混凝土所用的运输设备，使混凝土在运输过程中不发生漏浆、离析和坍落等损失现象，为尽量减少运输时间，采用垂直运输和水平运输相结合的运输方式。③硅粉混凝土的浇筑。 硅粉混凝土的浇筑要严格按照《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014)标准执行。在硅粉混凝土浇筑之前，要仔细检查新、旧混凝土结合面是否合格，合格后方可进行混凝土浇筑。在混凝土浇筑过程中应保持连续浇筑，不得中断，如有因故中止且超过间歇时间，则应处理施工缝[4]。硅粉混凝土要求连续供应，以防止造成冷接茬。施工过程中各主要环节以及对硅粉混凝土质量进行控制和检查[5]。保证硅粉混凝土修补后表面平整光滑，无空洞、无麻面、无贯穿性裂缝。④养护。硅粉混凝土养护过程中最重要的环节是防止水分过早蒸发，当混凝土浇筑完毕，立即覆膜、铺设麻袋并浇水养护。

4 结 语

头屯河第二引水枢纽闸室加固采用硅粉混凝土修补技术，使修补混凝土体的抗冲刷强度、抗压强度、抗侵蚀强度有了明显的提高，同时使混凝土具有良好的和易性、流动性；硅粉混凝土减少了混凝土单位水泥用量，从而减轻了温控负担，其经济效益增加效果显著。