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。
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
粒径
（mm）
0.007
0.01
0.025
0.05
0.1
0.25
0.5
1.0
2.0
3.0
小于某粒径沙重百分数（%）
6.8
10.3
22.4
42.1
68.8
87.5
95.1
98.8
99.9
100
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
5.0
10.0
20.0
40.0
80.0
200
500
600
0
4.9
8.5
11.8
15.8
22.7
34.8
40.1
54.0
84.0
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。
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。
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（%）
Fe2O3
SiO2
Al2O3
TiO2
CaO
MgO
68.2
25.4
0.8
0.3
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
分计筛余（%）
细度
模数
显微硬度
kg/mm2
密度
T/m3
5~2.5mm
2.5~1.25mm
1.25~0.63mm
0.63~0.31mm
0.31~0.16mm
3.60
1250~1300
3.94
32.9
19.1
27.9
15.9
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
试验编号
水胶比
胶材用量
kg
硅粉掺量
%
塌落度
cm
抗压强度
Mpa
劈拉强度
弹模
Gpa
28d
干缩率
(10-6)
抗冲磨强度
h/kg/m2
抗冲击强度
kg/cm2
钢球磨损率
7d
1
0.45
320
12
37.5
55.6
2.9
4.4
43.0
314
0.97
7.4
0.83
2
327
10
32.7
49.9
2.7
4.2
42.5
374
0.92
7.2
/
3
333
8
31.7
43.6
2.6
42.0
305
0.84
6.3
0.89
表6HF高强耐磨粉煤灰混凝土力学性能及抗冲耐磨特性
10-6
水泥
粉煤灰
0.39
225
32.5
6.0
27.7
43.2
2.3
3.1
285
0.79
0.96
0.44
29.0
24.9
38.4
2.1
279
0.68
1.02
表7铁钢砂混凝土力学性能及抗冲耐磨特性
0.40
480
53.8
59.7
4.0
4.8
51.6
180
1.24
9.3
0.33
431
5.5
47.9
57.3
3.3
4.6
47.7
184
1.11
8.1
0.36
由试验结果可以看出，硅粉混凝土的干缩性较大，28天的干缩率达到305~374×10-6，其强度和抗冲耐磨性能随着硅粉掺量的增加而有所提高；HF高强耐磨粉煤灰混凝土干缩率比硅粉混凝土小，其强度偏低（这可能与使用的粉煤灰质量有关），抗冲耐磨性能较硅粉混凝土有一些提高；三种抗冲耐磨混凝土中，铁钢砂混凝土的抗拉压强度最大，干缩率最小，抗冲击强度也较高，其抗冲耐磨性能随着强度的增加而增加，在三种材料中也是最高的，其主要原因在于混凝土骨料的自身强度和抗冲耐磨性能对混凝土的抗冲耐磨性能起着很大的作用，而铁钢砂作为混凝土骨料其自身强度和耐磨性能要远远高于天然砂石的强度和耐磨性能。试验还表明，铁钢砂混凝土还克服了一般抗冲耐磨混凝土早期强度低的缺点，能够避免由于早龄期强度底而由寒潮或干缩等引起的裂缝。
干缩分为塑性干缩和混凝土硬化后因失水而引起的干缩，塑性干缩是指混凝土硬化之前，当表面水分的蒸发速度超过了混凝土的泌水速度时，混凝土表面出现的干缩龟裂、甚至晒干发白的现象，泌水速度越小，塑性干缩越严重，硅粉混凝土的塑性干缩比较严重的主要原因是掺入硅粉后，混凝土几乎不泌水。HF混凝土的泌水速度界于硅粉混凝土和普通混凝土之间，因此，其塑性干缩界于二者之间。
随着水胶比的增大，各种混凝土的强度和抗冲耐磨性能都有所下降，本试验建议适宜的水胶比为0.4～0.45。
另外，有试验表明在固定水灰比的情况下，掺入高效减水剂的铁钢砂砂浆可减少用水19%，每方砂浆少用水泥180kg，且抗压，抗折强度均有一定程度的提高。
作为抗冲耐磨材料，上述试验以足以证明铁钢砂混凝土的优越性能，但在实用上不仅要求材料有足够的力学强度和化学稳定性，还要求有长期稳定的物理性质，也即耐久性。耐久性目前常以抗冻融循环作为指标。这里以铁钢砂砂浆、铸石砂浆、石英砂浆作为冻融试验的对比试件，试件成型后在雾室中养护2天后脱模，在80℃的热水中养护28天，按常规方法进行冻融试验，结果见表8。
表8铁钢砂混凝土耐久性试验成果
项目
骨料种类
冻融次数
强度损失
(%)
重量损失
备注
铁钢砂砂浆
D25
3.4
0.06
试件尺寸为:
4cm×4cm×16cm
铸石砂浆
3.5
1.10
石英砂浆
18.4
1.44
试验表明，冻融25次后，铁钢砂砂浆强度重量是损失最小的。因此，比较铸石砂浆和石英砂浆，铁钢砂砂浆的耐久性是最好的。
近几十年的试验研究表明在混凝土中掺入经特殊处理的纤维，可赋予混凝土一定的韧性，改善混凝土的抗裂性能。特别对抑制水泥基胶材料硬化早期裂缝的产生有一定的作用。改性聚丙烯纤维因其强度高、耐酸碱、抗老化等性能及价格较低的优势，成为混凝土抗裂的首选纤维。为了进一步的改善铁钢砂混凝土的性能，对铁钢砂聚丙烯纤维混凝土进行了试验研究（聚丙烯纤维掺量0.9kg/m3）。试验结果见表9。
表9铁钢砂聚丙烯纤维混凝土力学性能及抗冲耐磨特性
(kg)
(cm)
（Mpa）
（Gpa）
(28d)
(h/kg/m2)
48.0
52.6
4.1
48.4
182
1.31
0.32
从试验结果看出，加入聚丙烯纤维后的铁钢砂混凝土抗压强度降低了12%~13.5%，劈拉强度和干缩率基本没有变化，弹强比有所提高，抗冲磨强度提高了5.6%。总的说来，在铁钢砂混凝土中加入一定量的聚丙烯纤维可以改善混凝土的变形性能，提高混凝土的抗裂能力和韧性，增强混凝土的抗冲磨强度，但也会降低混凝土的抗压强度，如果聚丙烯纤维使用在高强混凝土当中对克服高强混凝土的脆性会有较理想的效果。但在本工程该部位使用从性价比方面考虑效果并不是太理想。
铁钢砂混凝土及HF高强耐磨粉煤灰混凝土的施工方法与普通混凝土基本相同，而硅粉混凝土由于初凝时间短，早期干缩大，对施工程序及时间控制要求较高，易产生冷缝或早期干缩裂缝，太平驿电站闸下游护坦和二滩水垫塘硅粉混凝土均出现过塑性干缩裂缝现象。条石的开采加工和砌筑难以采用机械化施工，费时费力，施工进度明显低于混凝土施工，而采用钢板耐磨材料需要较多的锚杆型钢等固定钢材，钢板与基层混凝土之间的空腔必需采用回填灌浆填实，施工技术难度相对较高，映秀湾电站的抗磨钢板就曾发生过钢板被卷起冲走的事故，修复相当困难。因此，从施工方法的难易程度和施工进度比较，铁钢砂混凝土及HF高强耐磨粉煤灰混凝土明显优于其它材料。
由试验结果可以看出，铁钢砂混凝土的耐磨性能比HF高强耐磨粉煤灰混凝土高63%，比硅粉混凝土高32%，可以大大延长耐磨层的使用寿命，减少停电检修修补的时间，其厚度20~30cm，比采用条石的厚度小，可减少基层混凝土的荷载，提高建基面高程，减少开挖量，经济上也是合理的。
铁钢砂混凝土最初被用于火电厂输煤溜槽护面，近年来以其优异的物理力学性能和较高的抗磨损、抗冲击性能，在工程上的应用范围日益扩大，如漫湾电站1#导流洞进口段底板和底部边墙衬护、葛洲坝第18孔泄水闸的局部修补、宝珠寺电站水垫塘底板等工程，应用铁钢砂混凝土或砂浆作表面抗磨层材料，均获得了较满意的效果。其中漫湾水电站1#导流洞进口段底板和底部边墙采用20cm和15cm厚铁钢砂混凝土护面，施工工艺与普通混凝土相同，运行5年后下闸检查，仅底板有两处各深约3cm的冲蚀点，其余部位保持完好，而采用普通高强混凝土（R28=46Mpa）的洞身底板，则发生了大面积的磨损，部分钢筋被冲断，对比表明，铁钢砂混凝土的抗冲磨及耐蚀性能远远优于普通高强混凝土。
通过对抗冲耐磨材料进行的调查分析研究和试验论证，从技术经济的角度，最终确定了如下设计方案：闸室上游铺盖结构混凝土厚度2.5m，其中面层30.0cm采用铁钢砂混凝土；冲砂闸、泄洪闸闸室底板全表面采用16mm厚的Q345-B钢板衬护，闸室侧墙及上游束水墙1.2m高范围内采用12.0mm厚的Q345-B钢板衬护；闸室下游护坦结构混凝土厚3.0m，其中冲沙闸闸后护坦顶部采用18kg/m的轻型钢轨衬护，其余部位护坦面层30.0cm范围全部采用铁钢砂混凝土。
铺盖铁钢砂混凝土面层最大浇筑面积达450m3，与基层混凝土分层浇筑，布置了插筋并要求做好施工缝面处理工作；护坦铁钢砂混凝土面层最大浇筑面积达477m3，与基层混凝土同仓浇筑，经过一个夏季的露天暴晒及冬季低温考验，未发现任何可见裂纹，证明铁钢砂混凝土选材及配合比合理，抵抗干缩及温差能力强，整体性较好。
（1）、水工抗冲耐磨材料选择的主要依据是试验研究手段，不同情况应选择不同的抗冲耐磨材料，以达到最高的性价比。
（2）、铁钢砂混凝土的抗冲耐磨强度与硅粉混凝土、HF高强耐磨粉煤灰混凝土相比，提高了32%以上，铁钢砂混凝土不但不但具有物理力学性能优异、抗冲磨和抗冲击性能高、具有长期稳定性的特点，并且干缩变形小，施工工艺简便，适合大规模施工，可以作为一种性能优良的抗磨蚀材料在水工建筑物抗磨蚀强度要求高的部位使用。
（3）、由于采用粗砂的砂浆较细浆抗冲磨强度高，在混凝土配合比设计时应尽量增加骨料的含量；同时，在混凝土中掺一定量的高效减水剂，不仅可降低胶凝材料用量和用水量，而且使用常规工艺即可配置出高强优质的铁钢砂混凝土。
参考文献：
[1] 何真，胡曙光，梁文泉等 水工混凝土磨蚀磨损研究，硅酸盐学报，2000,28
[2] 吴超寰等 葛洲坝工程二江泄水闸的又一种修补材料——铁钢砂水泥砂浆，人民长江，1986,9
[3]李光伟等 福堂水电站抗冲耐磨混凝土性能试验研究报告，国家电力公司成都院科研
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