预制混凝土溢洪道底部曲面防护板的研究

刘清华，李明

（1.常德市城区水利泵站管理处，湖南 常德 415000；2.湖南德江监理有限公司，湖南 常德 415000）

0 前 言

在水利枢纽中设置泄水建筑物是为确保水库大坝等水利设施在洪水期间的安全。开敞式溢洪道是土石坝、堆石坝以及某些轻型坝等水力枢纽中常用的溢洪道，溢洪道建筑物包括进水渠、控制段（溢流堰）、泄槽、消能防冲设施与出水渠。为调控泄水水流的速度和水流动态，需在溢洪道建筑物底部特别设置一些曲面构造，例如：控制段溢流堰采用的幂曲线、圆弧曲线、抛物线和椭圆曲线曲面，泄槽底坡变化处采用的抛物线曲面和反圆弧曲面，挑流消能段采用的反圆弧曲面等。溢洪道建筑物极易遭受高速水流产生的冲击波、脉动和空蚀现象而破坏，因此常常采用力学性能好并能持久保持其性能的混凝土对溢洪道建筑物的底部和边墙进行衬砌防护，这样的衬砌防护层一直以来都是采用现浇混凝土进行施工，曲面结构的衬砌质量无疑会受到曲面形状准确度控制、现场人员操作水平、气候条件等因素的严重影响。

高性能混凝土不仅能够满足混凝土结构所要求的力学性能，而且具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性。在具有严格制作过程控制的工厂化生产条件下，用高性能混凝土预制溢洪道底部的防护板特别是曲面防护板，对准确呈现溢洪道曲面建筑物的设计意图、保证曲面结构表面的平整性、提高溢洪道底部混凝土过流面的抗冲磨性能和抗空蚀性能，或许可作为一种行之有效的技术途径。

1 溢洪道底部曲面防护板的类型

SL 253—2018《溢洪道设计规范》中所涉及曲面底板的曲线类型包括：（1）开敞式堰面堰顶下游堰面采用WES 幂曲线，堰顶上游堰头曲线可采用双圆弧曲线、三圆弧曲线或椭圆曲线，堰顶下游幂曲线与堰顶上游的不同曲线构成不同曲线组合的堰面，分别见图1～图3，幂曲线的计算式见式（1），椭圆曲线方程式见式（2），式中Hd为定型设计水头，n、k、a、b 均为系数。（2）驼峰堰堰面曲线由3 段圆弧曲线组成，如图4 所示。（3）带胸墙孔口式实用堰的堰面曲线采用抛物线，如图5 所示，抛物线方程式见式（3），式中φ 为流速系数。（4）泄槽底坡由缓变陡时的连接曲线采用抛物线，如图6 所示，抛物线方程式见式（4），式中θ 为上游段陡坡的坡角，K 为系数，H0为抛物线起始断面处的比能；泄槽底坡由陡变缓时的连接曲线采用反弧连接。

图1 幂曲线与双圆弧组合的堰面曲线

图2 幂曲线与三圆弧组合的堰面曲线

图3 幂曲线与椭圆曲线组合的堰面曲线

图4 驼峰堰堰面曲线

图5 带胸墙的孔口式堰面曲线

综上所述，在溢洪道建设过程中，至少需要建造5 种类型的曲面过流底板，包括幂曲线曲面、抛物线曲面、椭圆曲面、圆弧曲面和反圆弧曲面。

2 曲面防护板的构造设计

预制曲面防护板构造设计的目的在于确保预制板在服役期内能够稳固，为此需考虑2 个方面的问题：其一是预制曲面板与其下方的混凝土或砌筑体如何能够紧密结合并构成稳定的工作整体；其二是预制曲面板相邻板块之间如何牢固连接。本研究在预制曲面防护板的构造设计中采取了以下技术措施：

（1）在预制板板面上预留灌浆孔和植筋锚固孔。灌浆孔的作用是为了通过灌浆填充预制板下方可能存在的空腔，使预制板能够与其下方的混凝土或砌筑体紧密结合；植筋锚固孔的作用是为了提高预制板的稳定性，安装预制板时，在下方混凝土或砌筑体上按照与预制板上预留孔相对应的位置钻孔，然后将两端均带有弯钩的钢筋或者带有锚固端头的螺栓插入孔中，再灌入混凝土料浆，通过机械锚固力使预制板与其下方的混凝土或砌筑体牢固结合。为便于施工操作，灌浆孔的尺寸较大，而植筋锚固孔的尺寸较小，可分别预留灌浆孔和植筋锚固孔，也可将二者统一为一种预留孔。或者在预留灌浆孔周边预设L 形锚固筋或L 形锚固板，锚固筋或锚固板的一端与预制板中的受力钢筋连接，另一端平直段的方向可有规则地改变。安装预制板时，通过灌浆，使预制板与其下方的混凝土或砌筑体紧密牢固地结合成为整体。

（2）采用恰当的板缝构造及连接方式。受工厂生产条件、运输条件和现场安装条件的限制，需要对曲面防护板进行条块分割设计并分块制作。为保证相邻板块的牢固连接，对垂直于水流方向的接缝（横缝）采用带有锚固连接的“┏”、“┛”搭接缝，对顺水流方向的接缝（纵缝）采用灌浆粘接的键槽缝或者带有锚固连接的搭接缝。带有锚固连接的搭接缝是指在两块板的板边相互搭接处采用预留孔植筋灌浆锚固，灌浆粘接的键槽缝是指在键槽接合处灌浆填缝。横缝搭接必须是处于上游的预制板块的边缘搭在处于下游的预制板块的边缘之上，以防止高速水流灌入接缝底部可能存在的空腔内，避免对下游的预制板块造成不利影响。

3 曲面防护板的工厂化制作

3.1 曲面防护板的条块划分和配筋布置

按照预制曲面防护板在溢洪道中所处位置、曲面类型和外形尺寸，对所需曲面防护板进行尽可能少的条块划分，条块的长度方向沿水流方向，条块沿长度方向的断面为曲面形状。条块的基本尺寸设定为宽度1.5 m、长度4～6 m、厚度80 mm。防护板的主要作用是抵抗高速水流的冲刷、抵抗挟沙石水流的磨损、抵抗空化作用对过流边界表面的剥蚀。SL 654—2014《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》要求混凝土结构在不同环境条件下钢筋的混凝土保护层应满足钢筋防锈、耐火以及与混凝土之间粘结力传递的要求，且钢筋的混凝土保护层厚度设计值不应小于钢筋的公称直径，同时也不应小于混凝土中粗骨料最大粒径的1.25 倍。对于分块制作的曲面防护板，每块板均按照各自的曲面形状和受力状况进行配筋布置，预制防护板过流表面混凝土对钢筋的保护层厚度为55 mm，预制防护板背水面通过灌浆混凝土与板下方的混凝土或砌筑体紧密贴合后形成整体，因此不考虑预制曲面板背水面混凝土对钢筋保护层的厚度问题。

3.2 曲面防护板的模具制作

按照拟制作曲面板的曲线类型，制作能够表现整体曲线结构的原型模板。根据曲面防护板所对应的曲线方程或圆弧半径，通过计算机编程，选用足够大尺寸的硬质泡沫塑料板块，采用数控泡沫切割机将硬质泡沫塑料板块切割成设定曲线的原型模板，曲线延长方向的相邻曲面板块的原型模板可连续切割完成；然后用纤维增强塑料、纤维增强石膏等材料翻制成用于制作混凝土曲面板的反向曲面模板；在反向曲面模板两侧的纵向边缘设置同样曲线形状的边模，在其两端设置平直边模，所有边模的高度均取决于拟制作曲面板的厚度。表面规整、能准确再现曲线方程所代表曲面形状的模板，是保证预制混凝土曲面防护板尺寸精度、表面平整度及设定曲面形状的重要前提。

3.3 抗冲磨高性能混凝土的配制要求

混凝土的抗冲磨性能是指混凝土抵抗含砂石高速水流冲磨破坏的能力，抗冲磨性能以抗冲磨强度或者磨损率表示。混凝土的抗冲磨强度取决于水化后形成水泥石的各种原材料自身的性质和相互叠合效应、骨料的性质以及各材料之间相互结合的牢固程度，这可通过选用高强度等级的水泥、高活性优质掺合料、坚固的骨料、减缩型高效减水剂、优化混凝土配合比设计得以实现。

本研究以流速20 m/s、悬移质材料含量大于2 kg/m3、推移质材料含量大于2 kg/m3的过流水为例，阐述预制曲面防护板所需抗冲磨高性能混凝土的配制要求并进行了试验研究。按照DL/T 5207—2005《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》对选择混凝土材料的规定，抗冲磨混凝土的设计抗压强度选定为C50，其配制强度为56.4 MPa。若按照CECS 207：2006《高性能混凝土应用技术规程》规定的配合设计原则，则高性能混凝土的配制强度最低为57.4 MPa。

水泥：P·Ⅰ52.5 水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求，3 d 抗压强度≥23.0 MPa，28 d 抗压强度≥52.5 MPa；粗骨料：质地坚硬的人工碎石，最大粒径20 mm，用硫酸钠溶液进行的坚固性试验得到的质量损失率为4.2%，符合GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》规定的Ⅰ级坚固性质量损失率≤5%的要求；细骨料：质地坚硬、级配良好的机制中粗砂，细度模数2.7，用硫酸钠溶液进行的坚固性试验得到的质量损失率为4.7%，符合GB/T 14684—2011《建设用砂》规定的Ⅰ级坚固性质量损失率≤8%的要求；减水剂：减缩型聚羧酸系高性能减水剂，减水率不小于25%，符合JG/T 223—2017《聚羧酸系高性能减水剂》的要求；活性掺合料：硅灰、粒化高炉矿渣粉，分别符合GB/T 27690—2011《砂浆和混凝土用硅灰》和GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》的要求；膨胀剂：硫铝酸钙类混凝土膨胀剂，符合GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》的要求。

经试验，初步确定抗冲磨高性能混凝土的配合比为：m（胶凝材料）∶m（碎石）∶m（中粗砂）=1∶2.23∶1.37，水胶比为0.37，硅灰和粒化高炉矿渣粉掺量分别为胶凝材料总量的6.5%、23.0%，减缩型聚羧酸系高性能减水剂掺量为1.8%、硫铝酸钙类膨胀剂掺量为1%。测得抗冲磨高性能混凝土的28 d 抗压强度为62.3 MPa、抗冲磨强度（水下钢球法）为1.87 h/（kg/m2）。

有研究表明[1]，通过采用新型高性能保塑减水剂、掺用质量百分比为10%的硅粉、采用重质高强骨料等手段，可以得到相对抗冲磨强度达到常规C40 混凝土约20 倍的高抗磨蚀混凝土。另有研究表明[2]，采用铸石、中粗洁净石英砂、胶凝材料复掺粉煤灰和硅粉、采用聚羧酸高效减水剂所配制的混凝土28 d 抗压强度达到90.3 MPa，抗冲磨强度（水下钢球法）达到8.35 h/（kg/m2）。

可以推测，通过选用更加坚硬的粗骨料例如铸石、并对混凝土配合比进行优化筛选，则能够获得抗压强度和抗冲磨强度更高、体积稳定性更好的抗冲磨高性能混凝土。

3.4 曲面防护板的密实成型

为获得表面密实平整、抗冲磨强度高的预制曲面防护板，除了选用优质原材料并采用合理的配合比之外，有效可行的密实成型方法既是获得产品致密表层结构、致密内部结构的重要措施，也是使预制混凝土产品获得良好力学性能和耐久性的重要因素。

曲面防护板的形状限制了其在成型过程中的密实方法。为保证预制曲面防护板过流表面的平整度和密实度，采用反打成型工艺。首先将坍落度为70～80 mm 的高性能混凝土拌合物浇注在预先准备好的曲面模板上，用特制的平板振动器靠着曲线形边模匀速移动，边移动边振动，使浇注的混凝土层完全密实；然后放置钢筋骨架和预留孔模型，再次浇注混凝土拌合物，随之用手持式小型振捣器将新浇注的混凝土振捣密实，应特别关注钢筋周围混凝土的密实度，使混凝土紧密包裹钢筋。

4 结 语

（1）在分析了溢洪道底部曲面曲线类型的前提下，对预制混凝土曲面防护板工厂化制作过程中涉及到的板块划分、配筋布置、模具制作、抗冲磨高性能混凝土配制要求、密实成型措施等方面进行了研究探讨；并针对预制曲面防护板在服役过程中可能发生的稳定性问题，对曲面防护板的构造进行了设计，包括为保证预制防护板与其下方混凝土或砌筑体的紧密牢固结合而采取的技术措施，以及为保证预制防护板整体稳定性而采取的接缝处理措施。

（2）通过选用高强度等级水泥、优质骨料、高活性掺合料、高性能聚羧酸减水剂，按照经过优选试验的混凝土配合比，可制得28 d 抗压强度为62.3 MPa、抗冲磨强度（水下钢球法）为1.87 h/（kg/m2）的抗冲磨高性能混凝土。

（3）具有良好抗冲磨性能的预制混凝土曲面防护板不仅可抵抗挟砂石水流对过流表面造成的冲磨破坏；同时，与现浇混凝土抹面形成的溢洪道底部曲面相比，预制混凝土曲面防护板的曲面形状更加规整、表面更加平整，有利于水流平稳通过，有利于减缓水流空化气泡溃灭时对过流边界表面造成的空蚀破坏。溢洪道混凝土建筑物的破坏大多是遭受悬移质高速水流的冲刷磨损和（或）遭受推移质水流的冲击而导致的，由于溢洪道混凝土所处的自然环境和使用特点，还可能出现冻融破坏、环境水侵蚀、钢筋锈蚀、碱骨料反应等耐久性失效的问题。同样的材料，因为所处外界环境的变化，抗冲磨效果也会截然不同。因此，应在全面考虑总体耐久性的情况下，根据实际工程情况，对预制曲面防护板进行更加有针对性的深入研究。