1 前言

福堂水电站地处四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县境内，系沙坝水库电站混合式开发的一期工程，电站采用低闸、长引水洞、地面厂房的开发方式，主要任务是发电，电站装机容量360MW。电站枢纽为II等大(2)型工程，闸坝等主要建筑物为2级，地震设防烈度Ⅷ度。闸坝主要建筑物按100年一遇洪水标准设计(相应流量3330 m³/s)、按1000年一遇洪水标准校核(相应流量5000 m³/s)，下游消能防冲按30年洪水标准设计。

闸前铺盖、闸后护坦均座落于第⑤层（含漂）卵砾石层上，基础下覆盖层厚度约90m。根据引水防沙、枢纽布置和基础防渗要求，顺水流向铺盖从右岸40m增长至左岸123m；由于泄洪、冲沙、防冲和水位平顺连接需要，护坦顺水流向总长80m，其末端为9.0m深的防冲沉井。

2入库水沙特征和首部枢纽抗冲磨设计原则

岷江上游径流主要由降雨形成。福堂水电站入库多年平均流量345m³/s。径流年内变化较大，年际变化小，流域内的洪水主要由暴雨形成。岷江上游河流泥沙主要来自流域内的水力侵蚀，以及沿河两岸滑坡、崩塌等重力侵蚀。福堂水电站闸址多年平均悬移质输沙量为602万t，多年平均丰水期输沙量为590万t，占全年输沙量的98%；输沙量年际变化较大，最大年输砂量为1710万t（1995年），为最小年输沙量174万t（1970年）的9.82倍。多年平均含沙量0.567kg/m³，多年平均丰水期（5~10月）含沙量为0.697kg/m³。入库的悬移质颗粒最大粒径为3mm，中数粒径为0.060mm，平均粒径为0.123mm，粒径大于0.25mm的沙重占12.5%，悬移质矿物组成中，莫氏硬度大于5的含量占总沙重的45.7%。悬移质颗粒级配见表1。

表1福堂水电站闸址悬移质颗粒级配表

福堂水电站闸址处推移质年输沙量直接采用太平驿电站初步设计成果，确定的推移质年输沙量65万t。床沙最大粒径600mm，中数粒径160mm，床沙颗粒级配见表2。

表2福堂水电站闸址床沙颗粒级配表

　　福堂水电站所处的岷江河段为典型山区河道特征：岸坡陡峭，河床比降大，汛期水流湍急，流域内滑坡、塌方堆积体及风化岩石在暴雨冲刷下大量进入河谷，对过水建筑物构成破坏威胁。福堂水电站拦河闸坝抗冲耐磨建筑物设计，分别在布置上、结构上采取了一系列措施：（1）闸轴线位置尽可能选在顺直河道上，使进（闸）、出（闸）水流与河道顺畅连接；（2）泄水建筑物尽量靠河床居中布置，闸孔底坡平顺连接，避免升、跌坎，变坡要少且缓，遵循“侧向取水、正向冲沙”和“表层排污、中层取水、底层防沙及冲沙”的布置原则；（3）由于河道推移质含量高、粒径大，布置消能工易损坏，故采用简单实用的急流过渡的水流衔接方式，但在布置上考虑了尽量避免水流紊乱，以减轻推移质对结构的撞击；（4）在过流建筑物表层采用抗冲磨性能优良的材料加以保护。

　　本文主要讨论在铺盖和护坦表面使用何种抗冲耐磨性好，较为经济，施工方便的抗冲耐磨材料。

3．磨蚀与抗磨蚀材料的选择

3.1控制混凝土磨蚀的外界因素

水工混凝土磨蚀的外界条件主要有两个：一是水流中挟带有一定量的固体颗粒，二是在稳定流态前提下挟带固体颗粒的水流要具有一定的流速，这个流速至少能够启动水流挟带的沙石并达到一定的速度。水流速度是影响混凝土磨蚀磨损的关键，固体颗粒的粒径越大要求的起动速度就越大，超过起动速度而仍然处于较低流速时，固体颗粒滚过或者滑过混凝土表面，对混凝土将造成摩擦损耗或微切削作用；超过起动速度并且流速很高时，固体颗粒有可能会快速滚动或跳跃前进，这样即使是很小的颗粒也会对混凝土产生较大的冲击破坏。

颗粒大小、硬度和表面形状也是决定混凝土磨蚀磨损程度的重要因素，一般河流泥沙中介质颗粒划分为两种情况：以细粒为主的悬移质和以粗粒为主的推移质，无论是悬移质还是推移质，作用于混凝土表面时均会产生微切削和冲击作用。当挟沙石水流以较小的角度作用于混凝土或者河流泥沙以悬移质为主时，微切削作用占主导地位，这时要求材料具有一定的硬度；反之，当挟沙石水流以较大的角度作用于混凝土或者河流泥沙以推移质为主时则要求材料具有一定的抗冲击韧性。如果河流泥沙的硬度大，表面棱角多，则材料受到的磨蚀磨损破坏就大，为了提高混凝土抵抗推移质冲击破坏的能力，混凝土应同时具有较高的强度、硬度和抗冲击韧性。

3.2抗冲耐磨材料的性能及选择

混凝土的磨蚀磨损速率是依赖于时间的状态变量，由于与环境发生相互作用，水流中泥沙含量、组成以及运动变化，挟沙水流与材料之间的作用方式等均在一种随机、多变状态下对材料产生磨蚀破坏，因此，抗冲耐磨材料的选择问题就变得非常复杂，通常只有通过试验对比的方式来确定不同情况下抗冲耐磨材料的选择。

水工建筑物抗冲耐磨保护材料主要选择天然条石、铸石、钢板、高分子材料和高强混凝土等作为抗磨蚀材料，存在的问题是：条石韧性差，与基础的粘结困难；钢板衬护韧性好，但也存在与基层混凝土材料可靠粘结的问题；高分子材料价格昂贵，施工复杂且有污染．大部分高分子材料的温度变形系数远大于混凝土，使用中常发生与基层脱离而使抗冲磨效果降低；铸石板由于质脆、与基础混凝土粘结不易保证，对于抵抗冲击破坏有局限性；混凝土材料（包括高强硅粉混凝土及掺入各种纤维的硅粉混凝土和铁钢砂混凝土）施工工艺简单经济且易于修复，很值得深人研究，但是抗冲耐磨混凝土一般早期强度低，容易产生早龄期由寒潮或干缩等引起的裂缝，因此，如何提高抗冲耐磨混凝土的抗裂能力，保证抗冲耐磨混凝土的质量，减少混凝土产生裂缝后花费大量的修补费用，提高混凝土整体特性，延长水工建筑物寿命，也是必须要解决的问题。

4．福堂水电站抗冲耐磨混凝土试验成果

4.1抗冲耐磨混凝土性能比较试验

针对福堂水电站所处的岷江河段河床比降大，汛期水流湍急，水流中夹带大量推移质和悬移质的特点在工程技施设计阶段决定选用混凝土材料作为上游铺盖和下游护坦的抗冲耐磨材料。试验针对常用的抗冲耐磨混凝土有硅粉混凝土，HF高强耐磨粉煤灰混凝土以及铁钢砂混凝土进行了比较。硅粉是在冶炼硅铁合金时由电弧炉中高纯度石英与焦炭发生还原反应而生成，通过过滤电弧炉所排放的气体收集而得；HF外加剂是甘肃电力试验研究所研制，HF高强耐磨粉煤灰混凝土与硅粉混凝土相比具有干缩小、和易性好的特点；铁钢砂是由天然铁矿石经机械破碎加工而成，矿物组成主要是赤铁矿晶体和石英晶体。为了客观地评定几种抗冲耐磨混凝土材料的性能优劣，采用了冲刷仪法，旋浆钢球磨损仪法和冲击法对各种混凝土的抗冲耐磨性能进行了试验，所有混凝土的成型、养护及性能试验均严格按照《水工混凝土试验规程》（SD105-82）中的有关规定进行。

试验采用峨嵋525#普硅水泥，其28天实测强度为54.9Mpa。砂石骨料为福堂水电站混凝土实际所用砂石骨料，外加剂为石家庄长安育才有限公司生产的高效减水剂，试验使用的硅粉SiO₂含量为88.9%，密度为2.28g/cm³；试验用铁钢砂化学成分见表3。

表3铁钢砂的化学成分（%）

水泥水化后会析出大量氢氧化钙和一定数量的氢氧化钾、氢氧化钠，因此水泥浆体呈强碱性反应，对某些骨料有侵蚀作用，甚至造成建筑物破坏，从表3中可以看出铁钢砂主要成分是由赤铁矿和石英，从多年来对混凝土碱—骨料反应研究的认识，可以判断呈石英结晶的二氧化硅不会与水泥中的碱发生反应；从赤铁矿的化学性质看，它是铁元素的稳定氧化物，在自然环境和碱性介质中也是稳定的。由此看出，铁钢砂在混凝土中主要是代替普通的砂石骨料，并可以初步断定，铁钢砂是不会发生有害反应的（非活性）骨料。

试验用铁钢砂的物理性能见表4。

表4铁钢砂的物理性能

可以看出，铁钢砂作为骨料其硬度要远远高于普通天然砂石的硬度。各种抗冲耐磨混凝土力学性能及抗冲耐磨特性具体试验结果见表5、表6、表7。

表5硅粉混凝土力学性能及抗冲耐磨特性

表6HF高强耐磨粉煤灰混凝土力学性能及抗冲耐磨特性