佳密克丝钢纤维——产品应用>>>水电站及地下工程

产品应用>>>水电站及地下工程

	佳密克丝钢纤维用于隧道喷射混凝土
	佳密克丝钢纤维用于水电站面板坝抗开裂及水垫塘抗冲磨
	佳密克丝钢纤维用于隧道支护的工程业绩

佳密克丝钢纤维用于水电站面板坝抗开裂及水垫塘抗冲磨

　　由于佳密克丝钢纤维的抗拉强度大,在混凝土中的分散性好等特点,可以改善混凝土的“脆性”,使之具有一定的“韧性”,所以佳密克丝钢纤维混凝土可以应用于水利工程的抗开裂部位,比如面板坝、输水隧洞等。

　　由于佳密克丝钢纤维混凝土的整体性较好,也可以应用于水利工程的高坝泄水区—水垫塘消力戽,用以提高水垫塘混凝土的抗冲磨能力。

　　佳密克丝钢纤维在甘肃龙首二级水电站面板堆石坝的坝面防渗（抗裂）及云南小湾电站的坝后泄水区—水垫塘的抗冲磨应用中取得了很好的实践经验。

佳密克丝钢纤维用于甘肃龙首二级水电站面板堆
石坝一、二期面板连接处及左右坝肩混凝土抗开裂

佳密克丝钢纤维用于云南小湾水电站坝后
水垫塘混凝土抗冲磨

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钢纤维混凝土在龙首二级水电工程面板抗裂中的应用

周国强1，张运淑2

1，甘肃省水利水电勘测设计研究院
2，上海贝卡尔特——二钢有限公司

　　摘要：龙首二级(西流水)水电站工程大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高146.5m，坝址位于高地震区且河谷极不对称，河谷宽高比为1：1.3，气候寒冷干燥，昼夜温差大；在全国面板坝中其地形条件特殊，坝体、面板受力复杂，这对面板的抗裂设计提出了较高的要求。针对该工程的特殊性，设计对部分面板采用了钢筋和钢纤维“双掺”混凝土的复合设计方案（纵向钢筋配筋率0.4%，横向钢筋配筋率0.35%，佳密克丝RC-80/60-BN型钢纤维掺量35kg/m3），以控制面板裂缝的产生。工程施工完毕后，距工程区100KM处发生二次地震，震级分别为里氏6.8级和5级，但钢纤维混凝土（SFRC）面板并没有裂缝产生，达到了设计预期目的。

　　关键词：混凝土面板堆石坝，面板裂缝控制，钢纤维混凝土，韧度，抗裂。

1. 工程概况 　　龙首二级(西流水)水电站地处甘肃省肃南裕固族自治县境内，黑河大峡谷西流水至榆木沟河段，距张掖市西南郊约40km，系黑河水能规划的第七座梯级电站；主要任务是发电，采用混合式开发。水库正常蓄水位1920.0m ，库容为8620万m3；电站装机容量157Mw，保证出力17.7Mw，年发电量5.28亿kw.h。

　　本工程为中型三等工程，枢纽建筑物由大坝、泄水建筑物(溢洪道、排沙洞)、引水发电隧洞、电站厂房等主要建筑物组成。大坝按2级建筑物设计，其它永久性建筑物按3级建筑物设计，临时性水工建筑物按5级建筑物设计。防洪标准按百年一遇洪水标准设计，相应洪峰流量为2200m3/s；按两千年一遇洪水标准校核，相应洪峰流量为3880m3/s。工程区地震基本烈度为Ⅷ度。本工程区属大陆性干旱气候，夏季炎热，冬季严寒，雨量稀少，蒸发强盛，冰期长达四个月之久。该区多年平均降雨量为175.4mm ，多年平均蒸发量为1378.7mm ，绝对最高气温 37.2°C，绝对最低气温-33°C，平均气温 8.5°C，最大冻土深度1.5m，最大覆冰厚度1.5m。

　　大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高146.5m，坝轴线长191m，坝顶宽度10m，上游边坡1:1.5，下游边坡1:1.5~1:1.4，坝体总填筑方量270万m3，面板总面积26884 m2。

　　本电站施工总工期为4年，从准备期至第一台机组发电需3年9个月。2001年12月工程正式开工，计划2005年9月竣工。

2. 面板混凝土的抗裂设计 　　2.1 混凝土裂缝成因分析
　　混凝土是由水泥和水通过水化作用，形成胶结材料，将松散的砂石骨料胶合成人工石体，其内部含有大量空隙、粗孔及毛细孔，使混凝土自身存在大量的微裂。由于微裂的分布是不规则的，沿混凝土截面是非贯穿性的，故具有微裂的混凝土是可以承受拉应力的。但是在受拉力作用的高应力区，该微裂在拉力作用下很容易扩展并串联全截面，从而导致混凝土开裂。另外混凝土材料的非均匀性对混凝土抗拉甚为敏感，故抗拉强度的离散程度远较抗压强度大。实际工程中的裂缝绝大多数是由抗拉强度和抗拉变形（极限拉伸）不足而引起的。混凝土微裂的存在、扩展与增加使应力-应变曲线向水平线倾斜，应力滞后于应变，泊松比增加，刚度下降，耐久性降低，徐变增加。

　　一般情况下，致使混凝土开裂的主要成因不外乎以下三种：
　　（1）外荷载（如静、动荷载）的直接作用，即按常规计算的主要应力引起的裂缝；
　　（2）由外荷载作用而形成的结构次应力引起的裂缝，即采用的计算模型和实际结构有出入或常规不计算的外荷载应力引起的裂缝；
　　（3）由变形变化引起的裂缝，结构在温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素的作用下而产生的裂缝。应特别注意这种裂缝起因是结构首先要求变形，当变形得不到满足才引起应力，而且应力还与结构的刚度大小有关，只有当应力超过一定数值才引起裂缝，裂缝出现后变形得到满足或部分满足，同时刚度下降，应力发生松弛。
　　从以上的分析可以看出：混凝土有裂缝是绝对的，无裂缝是相对的；所谓结构的抗裂质量只是把裂缝控制在一定的范围内而已。我们了解了裂缝产生的成因后，可以根据工程实际的气候条件和施工季节，采取合理的混凝土配合比和相应的混凝土养护措施，尽量减少裂缝或控制、限制裂缝的扩展。

　　2.2 面板混凝土的配合比设计
　　龙首二级（西流水）水电站工程存在的如下特点将直接影响面板混凝土的配合比设计：
　　（1）工程处于高寒地区，工程区昼夜温差较大；
　　（2）坝体高宽比小（仅为1：1.3）造成坝体在填筑过程中形成较大的拱效应，使坝体施工期沉降较小，对面板的安全运行不利；
　　（3）实际施工工期短致使坝体预留沉降不够，造成后期沉降较大；
　　（4）一期面板的施工安排在2003年9~11月，坝区气候条件恶劣，平均气温低于零度，对面板的施工要求高；
　　（5）面板分两期施工，面板长度大（一期最长长度117.0m），是国内同等工程少有的；
　　（6）坝体蓄水分两期进行，且一期蓄水时间太短（约8天），对面板适应变形和坝体的加载极为不利；
　　（7）二期面板在一期面板承受水头6个月后进行施工，使坝体先加载部位的沉降先期达到稳定，而后期施工的坝体处于施工沉降期，造成面板的挠度在一、二期面板的接缝处发生较大的改变，面板在此部位极易产生结构性裂缝；
　　（8）本工程水库最低放空水位为1862.5m（泄洪排沙洞进口底板高程为1860.0m），故1862.5m高程以下的坝体及面板在蓄水后再无法进行检修，这对面板的抗裂和抗渗提出较高的要求；
　　（9）本工程地形复杂，总体布置中趾板线和坝轴线大部分交角较大，造成面板的斜三角区较大，使面板三角区的受力条件较恶劣，对面板的抗折和抗裂要求较高；
　　（10）从外委的坝体三维有限元计算结果可以看出，面板周边缝的拉应力区和同等工程对比较大，对面板混凝土的抗拉强度要求较高；
　　（11）本工程为硬岩（辉绿岩）筑坝，坝体的后期徐变较大，对面板混凝土适应柔性变形的要求较高；
　　（12）坝体在施工过程中，基本上使坝轴线以后部位的坝体上升速度先于坝轴线以前部位的坝体，造成部分面板在需水前表面受拉，在蓄水后变为面板底部受拉，这对面板混凝土的柔性要求较高；

　　基于以上特点，面板混凝土必须具备以下特点：
　　（1）必须具备较小的渗透系数，以满足长期高水头作用下的防渗要求；
　　（2）应有足够的抗冻能力，在采取必要的措施下保证混凝土在低温、多风、昼夜气温变化大的施工条件下的混凝土的耐久性；也是本工程面板混凝土设计的主要控制指标之一。
　　（3）要有足够的柔性，以适应坝体在未达到施工期沉降完全稳定的情况下，由于坝体拱效应作用造成的坝体后期较大的变形；
　　（4）应有一定的强度和抗裂性能，并能够承受局部的不均匀变形，以适应面板在周边缝部位、面板头部三角带部位较大的拉应力和不平衡沉降。

　　基于以上要求，为了尽量减少混凝土内部的微裂产生和混凝土本身在凝结过程中产生收缩裂缝，设计单位委托新疆农业大学材料研究所进行了试验研究，提出如下高性能混凝土的配合比，以满足以上要求。

设计
指标

水胶比W

粉煤灰掺量（%）F

砂率（%）

1m3混凝土各项材料用量（kg/m3）

水泥
C

粉煤灰
F

水W

砂S

石子

外加剂

C+F

5～20mm

20～40mm

LRHF

KOSF

C30
W8
F250

0.286

306

102

116

578

615

12.5（3.0%）

0.1224（3/万）

拌和物技术性质

抗压强度（Mpa）

劈裂强度(Mpa)

抗折强度(Mpa)

抗压弹模（Mpa）

坍落度(mm)

凝聚力

析水

含气量

凝结时间(H：M)

容重(kg/m3)

7天

28天

90天

初凝

终凝

好

无

4.5

7:44

11:20

2345

33.8

39.8

43.6

3.70

3.95

35.9

表一龙首二级（西流水）水电站工程面板砼配合比

　　2.3 钢纤维面板混凝土配合比设计
　　由于本工程采用两期面板施工和两期蓄水的施工方案，一期面板在水压力作用下近6个月后才进行二期面板的施工，这造成一期面板部位的坝体已处于稳定沉降期，而二期面板部位的坝体正处于施工沉降期，面板的挠度在一、二期面板接缝部位改变很大，在此部位出现面板“翘头”的受拉现象，致使运行期的坝体在一、二期面板接缝部位很容易产生结构性裂缝；又根据坝体三维有限元计算结果，面板周边缝几乎全部处于较大的拉应力区，特别是高趾墙顶部以上、靠右岸的ⅩⅣ-1、ⅩⅣ-2、ⅩⅤ号三块面板，由于其处于薄层填筑区，整块面板均出现拉应力区，极容易产生结构性裂缝，且ⅩⅣ-1、ⅩⅣ-2号面板部分处于水库最低放空水位（1862.5m高程）以下，面板如果出现问题将无法进行检修。为了解决以上面板受力复杂部位的抗裂，设计经过多方调研和试验数据对比，对一、二期面板接头部位上下各5.0m以及ⅩⅣ-1、ⅩⅣ-2、ⅩⅤ号面板采用钢纤维和钢筋“双掺”混凝土进行设计，即保留面板设计配筋，面板混凝土内掺入钢纤维。

　　对钢纤维和钢纤维混凝土的设计要求如下：
　　（1）钢纤维要求其长度Lf=60mm，直径Df=0.75mm，长径比为Lf/Df=80，单根抗拉强度Fsft≥1070Mpa，每公斤钢纤维不得少于4500根。
　　（2）钢纤维的掺量由理论计算和现场施工试验进行调整确定，其最小掺量为30kg/m3。最大掺量不大于50 kg/m3。要求加入钢纤维后的混凝土的抗拉强度≥3Mpa，等效抗弯折强度≥3.1Mpa ；韧度系数Re,3≥72％。
　　（3）钢纤维混凝土搅拌的进料顺序为先进中石，小石，再进水泥、砂料，后进钢纤维。绝对禁止先加钢纤维，后加砼骨料的加料方式。
　　（4）在搅拌过程中不允许出现钢纤维的“结团”现象、“V字形”现象。如若出现，应查明原因，属于钢纤维本身质量问题，应按不合格产品处理。

　　经过对多家钢纤维的对比，设计采用了上海贝卡尔特——二钢有限公司生产的佳密克丝RC-80/60-BN型钢纤维，其特点：
　　A：该种钢纤维长径比较大，在同等掺量的情况下，钢纤维在混凝土内部分布的根数要多于其他型号的钢纤维，有利于抗裂；
　　B：由于该种钢纤维采用了“粘结成排”的加工工艺，可以确保在搅拌过程中分散均匀、不结团；
　　C：该种钢纤维的单根抗拉强度达到1100Mpa，可有效提高混凝土的韧性、抗开裂性能，并且保证在搅拌过程中不发生“V”字形变形。
　　2.3.1 钢纤维混凝土的抗裂原理
　　钢纤维在和混凝土进行搅拌后，在混凝土内部呈各向异性分布，而混凝土裂缝的产生，主要是由于在外荷载或变形作用下，混凝土内部的微裂进一步贯穿、延伸与贯通，形成截面断裂。而钢纤维各向异性的分布特点很好的阻止了混凝土内部微裂的贯通与贯穿，其作用原理如下图所示：


未加入钢纤维时裂缝扩展型式	加入钢纤维时裂缝扩展型式

　　2.3.2 钢纤维掺量的理论计算
　　为了对钢纤维的掺量有较好的理性认识，加快施工中复核试验的进度，以便尽快辅助于施工，设计单位委托纤维生产厂家对钢纤维的掺量进行了理论计算。其计算理论由于在我国还不太成熟，故采用欧洲规范进行，其计算公式如下，以供参考：
　　（1）最小配筋量
　　①对于钢筋混凝土：
　　在欧洲规范II（Eurocode2）中，为有效的控制裂缝，建议用以下公式计算所需的最小配筋量：

　　式中
　　As ――受拉区域内钢筋的截面积
　　Act ――受拉区域内混凝土的面积，受拉区域是第一道裂缝出现前经计算为拉应力的那部分截面。
　　σs ――在裂缝刚刚形成后允许钢筋的最大应力。该值可取钢筋的屈服强度，为了满足裂缝宽度限制，应取小于屈服强度的值。
　　fct,ef――在第一道预期裂缝出现时混凝土的抗拉强度。在一些情况下，取决于周围环境，大概要在混凝土浇注后3－5天。该值可根据裂缝出现时的混凝土强度等级由公式1获得。当混凝土裂缝在28天之内具体何时产生不能确定时，建议最小抗拉强度取值为3N/mm2。
　　Kc――在裂缝即将出现前，表征截面内应力分布特性的系数。相应的应力分布是由于荷载和受限制的强制变形共同作用的结果。
　　轴拉时Kc＝1；
　　无压力、弯拉情况时Kc＝0.4。
　　K――考虑到非均匀分布的自平衡应力的系数。该值可近似取0.8，具体见欧洲规范II（Eurocode2）。
　　②对于钢纤维加固混凝土：
　　为有效的控制裂缝，建议用以下公式计算所需的最小配筋量：

　　式中fctm,eq,,ef为裂缝出现时，钢纤维混凝土的平均等效弯曲强度。
　　该公式考虑到了裂缝出现后，钢纤维混凝土的剩余抗拉强度。
　　（2）裂缝宽度计算
　　①对于一般的钢筋混凝土，裂缝宽度计算采用下面的公式：

　　式中：
　　Wk――设计允许裂缝宽度
　　β――为使平均裂缝宽度达到设计值而采用的系数，取值如下：
　　当截面上限制裂缝的最小尺寸（深度、宽度、厚度或其中任一最小值）超过800mm时，β＝1.7；
　　当截面上限制裂缝的最小尺寸（深度、宽度、厚度或其中任一最小值）小于等于300mm时，β＝1.3；
　　当截面上限制裂缝的最小尺寸（深度、宽度、厚度或其中任一最小值）在300～800mm之间时，β值按插值法计算。
　　Sm――最终的平均裂缝间距，计算方法如下：
　　对于主要由于承受弯曲或拉伸的构件，其产生的平均最终裂缝间距可由下式计算：

　　式中：
　　ø ――以毫米为单位的钢筋直径，在同一截面上有几种钢筋尺寸的情况下，采用钢筋尺寸的平均值。
　　K1――考虑到钢筋的粘结特性而采用的系数：
　　对于高粘结性钢筋（螺纹钢），取K1＝0.8；
　　对于圆钢，取K1＝1.6。
　　在强制变形情况下，K1应取为K1·K，其中K在“1.最小配筋量”中已经介绍过。
　　K2――考虑到应变分布而采用的系数：
　　弯曲情况下K2＝0.5；
　　轴拉情况下K2＝1.0。
　　ρr――为有效配筋率，即As与Ac,eff的比值。As为包含在有效受拉区面积Ac,eff内的受拉钢筋的面积。
　　有效受拉区面积一般等于截面的受拉面至钢筋质心距离2.5倍高度范围内区域的截面面积。
　　εsm――在相应的组合荷载作用下而产生的拉伸硬化、收缩等影响的情况下，所允许的平均应变，εsm按下式计算：

　　式中：
　　σs――开裂截面内受拉钢筋的拉应力
　　σsr――由荷载导致的第一道裂缝出现时，由该荷载计算而得到的受拉钢筋之拉应力。
　　β1――考虑到钢筋表面的粘结特性而采用的系数
　　高粘结钢筋(螺纹钢)情况下，β1＝1.0；
　　圆钢情况下，β1＝0.5。
　　β2――考虑到荷载作用时间、频率等而采用的系数
　　集中、短期荷载情况下，β2＝1.0；
　　持续荷载或多次周期重复荷载情况下，β2＝0.5。
　　对于只承受内力产生变形的情况下，σs可等于σsr。
　　②对于钢纤维加固混凝土，可采用相同的公式用以计算裂缝的开展宽度。但计算σs 和σsr时要考虑混凝土裂缝形成后的抗拉强度，当出现裂缝的混凝土所能承受的荷载大于第一条裂缝出现时钢筋所承受的拉力时，取σsf＝0。当裂缝出现后钢纤维混凝土的抗拉强度取0.37*fct,,eq,300。
　　2.3.3 钢纤维面板混凝土配合比设计
　　根据设计提供的面板厚度、长度、面板最大挠度及相应的水压力、面板的纵横向配筋率及相应的钢筋直径，以及在加入钢纤维后要求面板裂缝最大宽度小于0.2mm等条件，按照上述公式计算出在同等受力条件下，加入35kg/m3的钢纤维可以将面板裂缝宽度由0.944mm限制到0.155mm，并建议将35kg/m3的钢纤维作为设计掺量。根据以上计算，设计用面板混凝土作为基本配合比，经过多次试验调整后，推荐如下表所示的钢纤维混凝土配合比作为最终的实施成果。

水胶比 W

粉煤灰掺量(％) F

砂率(％)

1m3混凝土各项材料用量（kg/m3）

水泥C

粉煤灰
F

水W

砂S

钢纤维(kg)

石子(G)

外加剂

C+F

5～20mm

20～40mm

LRFH

KDSF

0.286

354

118

135

541

632

14.16(3.0%)

0.1416(3/万)

表二龙首二级（西流水）水电站工程钢纤维面板砼配合比

3. 结论 　　龙首二级（西流水）水电站工程部分一期面板的施工采用了钢纤维和钢筋“双掺”混凝土设计方案。一期面板于2003年11月初施工结束后、在大坝一期蓄水前，设计、监理及施工单位对面板产生的裂缝进行了系统的普查，共发现64条裂缝。其中在没有掺加钢纤维的混凝土面板中均有裂缝产生，其宽度由0.1mm~0.5mm不等；而所有掺加了钢纤维的混凝土面板中均没有裂缝产生，其中钢纤维面板的最大长度为75m。

　　从本工程实际施工的结果可以看出：面板混凝土中的钢筋在整个面板的结构稳定、承载能力方面发挥作用；面板混凝土中的钢纤维则在防止面板裂缝的产生、提高面板裂后承载能力、增强面板混凝土的柔性及韧度方面起到了关键性作用。抗裂设计达到了非常理想的程度，取得了预期的效果。
总之，该种配合比的成功运用对面板坝的抗裂设计开辟了一个新的思路，提出了一个新的课题和研究方向。

4. 建议 　　经过本工程的实际应用和有关资料研究，对照钢纤维混凝土的性能价格比，笔者认为在如下面板坝工程中的面板抗裂措施应优先考虑采用钢纤维混凝土进行设计：
　　（1）高寒地区的面板坝工程；
　　（2）高峡谷地区，坝高较大、坝体填筑过程中容易形成拱效应，严重影响施工期坝体沉降的面板坝工程；
　　（3）以发电为主的较重要的面板坝工程；
　　（4）水资源较缺乏地区的面板坝工程。
　　主要参考文献：

　　[1]、王铁梦《工程结构裂缝控制》上海中国建筑工业出版社 1996
　　[2]、吴中伟廉慧珍《高性能混凝土》北京中国铁道出版社 1999
　　[3]、《钢纤维混凝土》JG/T 3064-1999 中华人民共和国建设部发布 1999
　　[4]、蒋国澄傅志安风家骥《混凝土面板坝工程[M]》武汉湖北科学技术出版社1997.
　　[5]、《混凝土面板堆石坝设计规范》SL228-98 北京 1999
　　[6]、《Design of Ground Supported Steel Fiber Reinforced Floors Based on the Losberg Yield Line Model》 a joint working group with Ghent and Leuven universities in Belgium and the WTCB (Scientific and Technical Center for the construction Industries).