劉清華，李明

（1.常德市城區(qū)水利泵站管理處，湖南 常德 415000；2.湖南德江監(jiān)理有限公司，湖南 常德 415000）

0 前 言

在水利樞紐中設置泄水建筑物是為確保水庫大壩等水利設施在洪水期間的安全。開敞式溢洪道是土石壩、堆石壩以及某些輕型壩等水力樞紐中常用的溢洪道，溢洪道建筑物包括進水渠、控制段（溢流堰）、泄槽、消能防沖設施與出水渠。為調(diào)控泄水水流的速度和水流動態(tài)，需在溢洪道建筑物底部特別設置一些曲面構造，例如：控制段溢流堰采用的冪曲線、圓弧曲線、拋物線和橢圓曲線曲面，泄槽底坡變化處采用的拋物線曲面和反圓弧曲面，挑流消能段采用的反圓弧曲面等。溢洪道建筑物極易遭受高速水流產(chǎn)生的沖擊波、脈動和空蝕現(xiàn)象而破壞，因此常常采用力學性能好并能持久保持其性能的混凝土對溢洪道建筑物的底部和邊墻進行襯砌防護，這樣的襯砌防護層一直以來都是采用現(xiàn)澆混凝土進行施工，曲面結構的襯砌質(zhì)量無疑會受到曲面形狀準確度控制、現(xiàn)場人員操作水平、氣候條件等因素的嚴重影響。

高性能混凝土不僅能夠滿足混凝土結構所要求的力學性能，而且具有高耐久性、高工作性和高體積穩(wěn)定性。在具有嚴格制作過程控制的工廠化生產(chǎn)條件下，用高性能混凝土預制溢洪道底部的防護板特別是曲面防護板，對準確呈現(xiàn)溢洪道曲面建筑物的設計意圖、保證曲面結構表面的平整性、提高溢洪道底部混凝土過流面的抗沖磨性能和抗空蝕性能，或許可作為一種行之有效的技術途徑。

1 溢洪道底部曲面防護板的類型

SL 253—2018《溢洪道設計規(guī)范》中所涉及曲面底板的曲線類型包括：（1）開敞式堰面堰頂下游堰面采用WES 冪曲線，堰頂上游堰頭曲線可采用雙圓弧曲線、三圓弧曲線或橢圓曲線，堰頂下游冪曲線與堰頂上游的不同曲線構成不同曲線組合的堰面，分別見圖1～圖3，冪曲線的計算式見式（1），橢圓曲線方程式見式（2），式中Hd為定型設計水頭，n、k、a、b 均為系數(shù)。（2）駝峰堰堰面曲線由3 段圓弧曲線組成，如圖4 所示。（3）帶胸墻孔口式實用堰的堰面曲線采用拋物線，如圖5 所示，拋物線方程式見式（3），式中φ 為流速系數(shù)。（4）泄槽底坡由緩變陡時的連接曲線采用拋物線，如圖6 所示，拋物線方程式見式（4），式中θ 為上游段陡坡的坡角，K 為系數(shù)，H0為拋物線起始斷面處的比能；泄槽底坡由陡變緩時的連接曲線采用反弧連接。

圖1 冪曲線與雙圓弧組合的堰面曲線

圖2 冪曲線與三圓弧組合的堰面曲線

圖3 冪曲線與橢圓曲線組合的堰面曲線

圖4 駝峰堰堰面曲線

圖5 帶胸墻的孔口式堰面曲線

綜上所述，在溢洪道建設過程中，至少需要建造5 種類型的曲面過流底板，包括冪曲線曲面、拋物線曲面、橢圓曲面、圓弧曲面和反圓弧曲面。

2 曲面防護板的構造設計

預制曲面防護板構造設計的目的在于確保預制板在服役期內(nèi)能夠穩(wěn)固，為此需考慮2 個方面的問題：其一是預制曲面板與其下方的混凝土或砌筑體如何能夠緊密結合并構成穩(wěn)定的工作整體；其二是預制曲面板相鄰板塊之間如何牢固連接。本研究在預制曲面防護板的構造設計中采取了以下技術措施：

（1）在預制板板面上預留灌漿孔和植筋錨固孔。灌漿孔的作用是為了通過灌漿填充預制板下方可能存在的空腔，使預制板能夠與其下方的混凝土或砌筑體緊密結合；植筋錨固孔的作用是為了提高預制板的穩(wěn)定性，安裝預制板時，在下方混凝土或砌筑體上按照與預制板上預留孔相對應的位置鉆孔，然后將兩端均帶有彎鉤的鋼筋或者帶有錨固端頭的螺栓插入孔中，再灌入混凝土料漿，通過機械錨固力使預制板與其下方的混凝土或砌筑體牢固結合。為便于施工操作，灌漿孔的尺寸較大，而植筋錨固孔的尺寸較小，可分別預留灌漿孔和植筋錨固孔，也可將二者統(tǒng)一為一種預留孔?；蛘咴陬A留灌漿孔周邊預設L 形錨固筋或L 形錨固板，錨固筋或錨固板的一端與預制板中的受力鋼筋連接，另一端平直段的方向可有規(guī)則地改變。安裝預制板時，通過灌漿，使預制板與其下方的混凝土或砌筑體緊密牢固地結合成為整體。

（2）采用恰當?shù)陌蹇p構造及連接方式。受工廠生產(chǎn)條件、運輸條件和現(xiàn)場安裝條件的限制，需要對曲面防護板進行條塊分割設計并分塊制作。為保證相鄰板塊的牢固連接，對垂直于水流方向的接縫（橫縫）采用帶有錨固連接的“┏”、“┛”搭接縫，對順水流方向的接縫（縱縫）采用灌漿粘接的鍵槽縫或者帶有錨固連接的搭接縫。帶有錨固連接的搭接縫是指在兩塊板的板邊相互搭接處采用預留孔植筋灌漿錨固，灌漿粘接的鍵槽縫是指在鍵槽接合處灌漿填縫。橫縫搭接必須是處于上游的預制板塊的邊緣搭在處于下游的預制板塊的邊緣之上，以防止高速水流灌入接縫底部可能存在的空腔內(nèi)，避免對下游的預制板塊造成不利影響。

3 曲面防護板的工廠化制作

3.1 曲面防護板的條塊劃分和配筋布置

按照預制曲面防護板在溢洪道中所處位置、曲面類型和外形尺寸，對所需曲面防護板進行盡可能少的條塊劃分，條塊的長度方向沿水流方向，條塊沿長度方向的斷面為曲面形狀。條塊的基本尺寸設定為寬度1.5 m、長度4～6 m、厚度80 mm。防護板的主要作用是抵抗高速水流的沖刷、抵抗挾沙石水流的磨損、抵抗空化作用對過流邊界表面的剝蝕。SL 654—2014《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規(guī)范》要求混凝土結構在不同環(huán)境條件下鋼筋的混凝土保護層應滿足鋼筋防銹、耐火以及與混凝土之間粘結力傳遞的要求，且鋼筋的混凝土保護層厚度設計值不應小于鋼筋的公稱直徑，同時也不應小于混凝土中粗骨料最大粒徑的1.25 倍。對于分塊制作的曲面防護板，每塊板均按照各自的曲面形狀和受力狀況進行配筋布置，預制防護板過流表面混凝土對鋼筋的保護層厚度為55 mm，預制防護板背水面通過灌漿混凝土與板下方的混凝土或砌筑體緊密貼合后形成整體，因此不考慮預制曲面板背水面混凝土對鋼筋保護層的厚度問題。

3.2 曲面防護板的模具制作

按照擬制作曲面板的曲線類型，制作能夠表現(xiàn)整體曲線結構的原型模板。根據(jù)曲面防護板所對應的曲線方程或圓弧半徑，通過計算機編程，選用足夠大尺寸的硬質(zhì)泡沫塑料板塊，采用數(shù)控泡沫切割機將硬質(zhì)泡沫塑料板塊切割成設定曲線的原型模板，曲線延長方向的相鄰曲面板塊的原型模板可連續(xù)切割完成；然后用纖維增強塑料、纖維增強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；在反向曲面模板兩側(cè)的縱向邊緣設置同樣曲線形狀的邊模，在其兩端設置平直邊模，所有邊模的高度均取決于擬制作曲面板的厚度。表面規(guī)整、能準確再現(xiàn)曲線方程所代表曲面形狀的模板，是保證預制混凝土曲面防護板尺寸精度、表面平整度及設定曲面形狀的重要前提。

3.3 抗沖磨高性能混凝土的配制要求

混凝土的抗沖磨性能是指混凝土抵抗含砂石高速水流沖磨破壞的能力，抗沖磨性能以抗沖磨強度或者磨損率表示?；炷恋目箾_磨強度取決于水化后形成水泥石的各種原材料自身的性質(zhì)和相互疊合效應、骨料的性質(zhì)以及各材料之間相互結合的牢固程度，這可通過選用高強度等級的水泥、高活性優(yōu)質(zhì)摻合料、堅固的骨料、減縮型高效減水劑、優(yōu)化混凝土配合比設計得以實現(xiàn)。

本研究以流速20 m/s、懸移質(zhì)材料含量大于2 kg/m3、推移質(zhì)材料含量大于2 kg/m3的過流水為例，闡述預制曲面防護板所需抗沖磨高性能混凝土的配制要求并進行了試驗研究。按照DL/T 5207—2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術規(guī)范》對選擇混凝土材料的規(guī)定，抗沖磨混凝土的設計抗壓強度選定為C50，其配制強度為56.4 MPa。若按照CECS 207：2006《高性能混凝土應用技術規(guī)程》規(guī)定的配合設計原則，則高性能混凝土的配制強度最低為57.4 MPa。

水泥：P·Ⅰ52.5 水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，3 d 抗壓強度≥23.0 MPa，28 d 抗壓強度≥52.5 MPa；粗骨料：質(zhì)地堅硬的人工碎石，最大粒徑20 mm，用硫酸鈉溶液進行的堅固性試驗得到的質(zhì)量損失率為4.2%，符合GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》規(guī)定的Ⅰ級堅固性質(zhì)量損失率≤5%的要求；細骨料：質(zhì)地堅硬、級配良好的機制中粗砂，細度模數(shù)2.7，用硫酸鈉溶液進行的堅固性試驗得到的質(zhì)量損失率為4.7%，符合GB/T 14684—2011《建設用砂》規(guī)定的Ⅰ級堅固性質(zhì)量損失率≤8%的要求；減水劑：減縮型聚羧酸系高性能減水劑，減水率不小于25%，符合JG/T 223—2017《聚羧酸系高性能減水劑》的要求；活性摻合料：硅灰、粒化高爐礦渣粉，分別符合GB/T 27690—2011《砂漿和混凝土用硅灰》和GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》的要求；膨脹劑：硫鋁酸鈣類混凝土膨脹劑，符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》的要求。

經(jīng)試驗，初步確定抗沖磨高性能混凝土的配合比為：m（膠凝材料）∶m（碎石）∶m（中粗砂）=1∶2.23∶1.37，水膠比為0.37，硅灰和?；郀t礦渣粉摻量分別為膠凝材料總量的6.5%、23.0%，減縮型聚羧酸系高性能減水劑摻量為1.8%、硫鋁酸鈣類膨脹劑摻量為1%。測得抗沖磨高性能混凝土的28 d 抗壓強度為62.3 MPa、抗沖磨強度（水下鋼球法）為1.87 h/（kg/m2）。

有研究表明[1]，通過采用新型高性能保塑減水劑、摻用質(zhì)量百分比為10%的硅粉、采用重質(zhì)高強骨料等手段，可以得到相對抗沖磨強度達到常規(guī)C40 混凝土約20 倍的高抗磨蝕混凝土。另有研究表明[2]，采用鑄石、中粗潔凈石英砂、膠凝材料復摻粉煤灰和硅粉、采用聚羧酸高效減水劑所配制的混凝土28 d 抗壓強度達到90.3 MPa，抗沖磨強度（水下鋼球法）達到8.35 h/（kg/m2）。

可以推測，通過選用更加堅硬的粗骨料例如鑄石、并對混凝土配合比進行優(yōu)化篩選，則能夠獲得抗壓強度和抗沖磨強度更高、體積穩(wěn)定性更好的抗沖磨高性能混凝土。

3.4 曲面防護板的密實成型

為獲得表面密實平整、抗沖磨強度高的預制曲面防護板，除了選用優(yōu)質(zhì)原材料并采用合理的配合比之外，有效可行的密實成型方法既是獲得產(chǎn)品致密表層結構、致密內(nèi)部結構的重要措施，也是使預制混凝土產(chǎn)品獲得良好力學性能和耐久性的重要因素。

曲面防護板的形狀限制了其在成型過程中的密實方法。為保證預制曲面防護板過流表面的平整度和密實度，采用反打成型工藝。首先將坍落度為70～80 mm 的高性能混凝土拌合物澆注在預先準備好的曲面模板上，用特制的平板振動器靠著曲線形邊模勻速移動，邊移動邊振動，使?jié)沧⒌幕炷翆油耆軐崳蝗缓蠓胖娩摻罟羌芎皖A留孔模型，再次澆注混凝土拌合物，隨之用手持式小型振搗器將新澆注的混凝土振搗密實，應特別關注鋼筋周圍混凝土的密實度，使混凝土緊密包裹鋼筋。

4 結 語

（1）在分析了溢洪道底部曲面曲線類型的前提下，對預制混凝土曲面防護板工廠化制作過程中涉及到的板塊劃分、配筋布置、模具制作、抗沖磨高性能混凝土配制要求、密實成型措施等方面進行了研究探討；并針對預制曲面防護板在服役過程中可能發(fā)生的穩(wěn)定性問題，對曲面防護板的構造進行了設計，包括為保證預制防護板與其下方混凝土或砌筑體的緊密牢固結合而采取的技術措施，以及為保證預制防護板整體穩(wěn)定性而采取的接縫處理措施。

（2）通過選用高強度等級水泥、優(yōu)質(zhì)骨料、高活性摻合料、高性能聚羧酸減水劑，按照經(jīng)過優(yōu)選試驗的混凝土配合比，可制得28 d 抗壓強度為62.3 MPa、抗沖磨強度（水下鋼球法）為1.87 h/（kg/m2）的抗沖磨高性能混凝土。

（3）具有良好抗沖磨性能的預制混凝土曲面防護板不僅可抵抗挾砂石水流對過流表面造成的沖磨破壞；同時，與現(xiàn)澆混凝土抹面形成的溢洪道底部曲面相比，預制混凝土曲面防護板的曲面形狀更加規(guī)整、表面更加平整，有利于水流平穩(wěn)通過，有利于減緩水流空化氣泡潰滅時對過流邊界表面造成的空蝕破壞。溢洪道混凝土建筑物的破壞大多是遭受懸移質(zhì)高速水流的沖刷磨損和（或）遭受推移質(zhì)水流的沖擊而導致的，由于溢洪道混凝土所處的自然環(huán)境和使用特點，還可能出現(xiàn)凍融破壞、環(huán)境水侵蝕、鋼筋銹蝕、堿骨料反應等耐久性失效的問題。同樣的材料，因為所處外界環(huán)境的變化，抗沖磨效果也會截然不同。因此，應在全面考慮總體耐久性的情況下，根據(jù)實際工程情況，對預制曲面防護板進行更加有針對性的深入研究。