小作河预应力渡槽全断面应用补偿收缩混凝土实施要点及成效

张韶辉 肖伟华 张卓洋

(1.石家庄市冶河灌区服务中心，河北 石家庄 050051；2.河北省水务中心，河北 石家庄 050224；3.四川农业大学，四川 成都 611800)

补偿收缩混凝土[1]是指在混凝土中掺入适量膨胀剂或用膨胀水泥配制的混凝土，它能减少或消除混凝土收缩裂缝，提高混凝土结构的防水性能，保证工程质量。《补偿收缩混凝土应用技术规程》实施以来，补偿收缩混凝土在水利行业也有应用，但往往作为大体积混凝土结构的堵头、后浇带[2]、二期混凝土等使用，水工建筑物全断面采用补偿混凝土结构的鲜有案例，特别是对混凝土性能要求较高的大跨度薄壁预应力渡槽[3]结构更不多见。

普通预应力薄壁混凝土渡槽容易出现混凝土干缩裂缝，混凝土出现裂缝，会引起钢筋的锈蚀和混凝土的碳化，降低混凝土的抗冻融、抗疲劳及抗渗能力，通水后易出现渗水甚至漏水现象，造成水资源浪费并严重影响混凝土建筑物的使用寿命。石家庄冶河灌区引冶总干渠小作河渡槽工程采用了全断面补偿收缩预应力混凝土方式，解决了一些技术难题，并总结了一套施工技术措施，包括合理的配合比、过程控制、温控养护、预应力张拉工艺[4]等，成功完成了项目的实施，实现了全断面预应力小作河渡槽C50W6F200混凝土高性能、高强度，高抗冻及微膨胀特性预期效果。

1 小作河渡槽工程概况

石家庄市冶河灌区位于西部山区丘陵和平原衔接地带，是引岗、源泉、南跃、大同、兴民五条渠道灌溉区域的总称。灌区以冶河和岗南水库为水源，受益区涉及井陉、平山、鹿泉、元氏四个县(区)，灌区工程承担受益区内的防洪、排涝、农业灌溉及为韩家园水库、八一水库和省会市区环境生态供水任务。

冶河灌区“7·19”水毁重建工程引冶总干渠小作河渡槽项目建设地点位于井陉县孙庄乡防口村，冶河与小作河汇流处，跨越小作河。

冶河灌区工程等别为Ⅲ等，小作河渡槽建筑物级别为3级，设计防洪标准重现期30年，校核防洪标准重现期50年。

本工程主要建设任务：重建渡槽570m，其中槽身段长540m，共18跨，每跨30m，进、出口连接段各长15m。渡槽下游漫水路长620m、宽4m。渡槽上、下游平整开挖河道宽各30m。渡槽左岸裹头上下游护岸长200m。

工程开工日期为2017年8月28日，2018年10月16日渡槽试通水运行。工程实际总投资1680.05万元，全部为市级财政资金。

2 渡槽槽身结构布置及技术指标

渡槽槽身结构布置见图1。

图1 槽身横断面 (尺寸单位：cm)

槽身底板厚0.3m，其底部横向设底肋，间距2.0m，其中跨中底肋宽0.4m、高0.45m，两端肋宽0.6m、高0.45m；侧墙厚0.5m，端部设0.6m宽、0.15m高侧肋，与端底肋对应；纵梁总高3.2m，顶部设1.2m宽人行道板，为利于结构承载及便于预应力筋布置，将纵梁底板以下部分扩大成马蹄状，马蹄宽0.8m、高1.0m，马蹄与侧墙及底板连接处设抹角，抹角宽0.15m、高0.3m。

本工程槽身混凝土等级为C50W6F200，水泥用量不宜少于300kg/m3、不宜大于400kg/m3，胶凝材料总量不少于350kg/m3、不大于480kg/m3；不采用碱活性骨料；最大水胶比0.4，最大碱含量[5]3.0kg/m3；氯离子含量不超过胶凝材料总量的0.06%。矿物掺和料最大掺量应符合《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)中表3.0.5-2的规定。

槽身混凝土轴心抗压强度标准值取fck=32.4N/mm2，抗压强度设计值fc=23.1N/mm2；轴心抗拉强度标准值取ftk=2.64N/mm2，抗拉强度设计值ft=1.89N/mm2。采用HRB400钢筋，抗拉强度标准值fyk=400N/mm2，抗拉强度设计值fy=360N/mm2。槽身预应力采用后张法施工[6]，预应力钢材选择常用的 1×7、φS15.2mm钢绞线，公称面积Aps=140.0mm2，抗拉强度标准值fptk=1860N/mm2，抗拉强度设计值fpy=1320N/mm2，抗压强度设计值f′py=390N/mm2，张拉控制应力σcon=0.7fptk=1302N/mm2，施工时超张拉5%、不放张。

3 预应力混凝土渡槽槽身全断面补偿收缩混凝土实施技术及措施

3.1 槽身补偿收缩混凝土配合比

引冶总干渠小作河渡槽项目工程槽身混凝土设计要求混凝土等级为C50W6F200，级配为5～10mm、10～20mm二级配，坍落度[7]为50～90mm。

现场混凝土施工配合比如下：水胶比为0.31，粉煤灰掺量为10%，膨胀剂掺量为30kg/m3。

经过两次专业技术论证，槽身现场施工C50W6F200混凝土配合比见表1。

表1 槽身C50W6F200混凝土配合比

按现场配合比成型试块28天抗压强度为64.3MPa,F200冻融相对动弹模量[8]85.1%，质量损失率1.86%，抗渗等级大于W6，抗压、抗冻抗渗结果满足设计要求;试块水中14天限制膨胀率为0.014%，转空气中28天、90天限制膨胀率分别为0.002%、-0.015%，28天仍然为微膨胀状态，满足设计技术要求，且90天限制膨胀率亦比单掺10%粉煤灰混凝土限制膨胀率提高31.8%，有效改善了混凝土收缩。

3.2 原材料质量控制

3.2.1 水泥、水

工程所需水泥品种以1～2种为宜，并由固定厂家供应。水泥选用旋窑年产量超过100万t的大型水泥厂生产的普通硅酸盐水泥。优先选用P·O 42.5散装水泥。

仓库内的水泥应标明品种、等级、生产厂家和出厂批号，分别堆放。散装水泥超过6个月，使用前应重新检验。

拌制和养护混凝土所需水应满足《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014)5.6中的有关规定。

3.2.2 骨料

细骨料应为质地坚硬、清洁、级配良好的天然砂，细度模数[9]宜为2.6～3.0，表面含水率不宜超过6%，并保持稳定，必要时应采取加速脱水措施；含泥量不大于2%、不允许有泥块，坚固性不大于8%，硫化物及硫酸盐含量不大于3%，云母含量不大于2%，轻物质含量不大于1%，有机物含量浅于标准色。

粗骨料应质地坚硬、清洁、级配良好，如有裹粉、裹泥或污染等应清除；压碎指标值不大于10%；表观密度[10]不小于2550kg/m3，吸水率不大于1.5%，含泥量不大于0.5%、不允许有泥块，坚固性不大于5%，软弱颗粒含量不大于5%，针片状颗粒含量不大于5%，硫化物及硫酸盐含量不大于0.5%，有机物含量浅于标准色；粗骨料最大粒径不大于25mm，二级配，要求5mm筛累计筛余为90%～100%，10mm筛累计筛余为30%～70%，20mm筛累计筛余为0～10%。

应控制各级骨料的超径、逊径[11]含量。以原孔筛检验时，其控制标准为超径不大于5% ，逊径不大于10% 。当以超、逊径筛(方孔)检验时，其控制标准为超径为0，逊径不大于2% 。

检测不合格的骨料不得运抵施工现场，已运抵现场的必须查封并限期清除出现场。

3.2.3 掺和料、外加剂

混凝土中的主要掺和料为Ⅰ级粉煤灰[12]，不得使用高钙粉煤灰，其相关技术要求、检验方法、最大掺量、验收存储等规定依照《粉煤灰混凝土应用技术规范》(GB/T 50146—2014)执行。

同种类的外加剂品种以1～2种为宜，并由专门厂家提供。外加剂应分别配置使用，对配置的外加剂溶液浓度，每天应检验1～2次，掺引气剂的混凝土还应检测含气量，应每4h检测1次，其变化的范围应控制在±1%以内。

3.2.4 膨胀剂选型及限制膨胀率

小作河渡槽工程采用纵向预应力混凝土结构，混凝土等级C50W6F200，槽身整体采用补偿收缩混凝土浇筑，膨胀剂为膨胀性能较好的硫铝酸钙-氧化钙类Ⅱ型(HCSA)膨胀剂[13]，掺量以对强度影响较小为原则，按工民建行业的相对低值选用，槽身主体30kg/m3、后浇带45kg/m3，同时要求氧化镁含量≤5%、碱含量≤0.75%。见表2[14]。

表2 混凝土膨胀剂性能指标

采用补偿收缩混凝土的主要目的是防止或减少槽身收缩裂缝。基于以上原因及设计目的，槽身主体混凝土、后浇带及封锚混凝土由于混凝土强度、抗渗、抗冻等指标均较高，且工程采用商品混凝土浇筑，对混凝土膨胀的影响因素较多，槽身主体混凝土、后浇带及封锚混凝土的限制膨胀率为水中14天不小于0，水中14天转空气中28天不小于-0.030%和-0.020%。

3.3 槽身混凝土浇筑

主要施工顺序为：旧渡槽拆除→卵石开挖→灌注桩施工→地系梁施工→柱墩施工→墩帽施工→进出口段边墩施工→卵石回填→支座及垫石施工→预应力孔道安装→槽身施工→预应力张拉→预应力孔道灌浆→进出口连接段施工→止水缝施工等。

槽身底板钢筋与模板制作安装工程中，穿插进行波纹管和钢绞线及锚具的定位及安装工序，确保孔道接口封堵密实无溢浆进入。经测量员准确放样，符合设计图纸要求的高程及位置。施工过程中钢绞线及波纹管预留工作长度，以便进行后续张拉工序。

槽身内部设置冷却水管降低混凝土水化热；外部埋设测温计进行监测，以便及时调整温控措施。槽身与槽身、槽身与连接段间结构缝宽4cm，单槽宽5.3m。钢筋制作安装及保护层尺寸符合施工图纸要求，模板采用定型钢模板。槽身分两次浇筑成型，第一次浇筑到槽身底板八字位置；浇筑完成后待混凝土强度达到2.5MPa以上时，对结合面凿毛清洗洁净，进行第二次浇筑。浇筑采用分层法，用插入式振动棒振捣。混凝土浇筑时派专人检查模板及支架，防止出现模板及支架扣件松动的现象。

槽身浇筑混凝土除按正常操作规程操作外，需要特别注意以下几点：ⓐ随时注意检查与校正支座钢板、端部锚固板、制孔器及其他预埋件的位置；ⓑ后张梁孔道端头、预埋件、加固筋很多，需加强振捣保证混凝土的密实性；ⓒ浇筑时进行含气量检测，保证混凝土含气量达标(3.5%～4.0%之间)，以此确保F200抗冻性，此项为冬季槽身过水关键控制点。

3.4 槽身混凝土拆模及养护

通过采用全断面补偿收缩混凝土并配合表面缓拆模[15]、保温、保湿等常规措施，可减少甚至取消高等级非大体积混凝土冷却水管的布置，使其表面收缩裂缝的控制得到保障，同时减少了施工难度和临时工程费用。

终凝后混凝土在1～2天内水化热达到最大，随后逐步减小。进行温度观测记录时，在混凝土内部温度达到55℃前，进行降温处理，保证混凝土内外温差按不超过24℃进行控制。

槽身混凝土终凝后拆模时间控制在7天，在混凝土强度不小于75%设计强度后进行拆模，防止混凝土出现贯穿性裂缝，以此保障槽身无渗漏出现。

为确定拆模时间对掺膨胀剂混凝土抗压强度的影响，以便指导现场施工，将两组成型混凝土，均带模放于标准养护室，一组成型24h后拆模，一组7天后拆模进行现场试验。结果表明，对于24h拆模的混凝土试件，由于释放了对混凝土的约束，7天抗压强度降低4%，此后各龄期也均有不同程度的降低，但降低幅度不明显，因此，为了保证混凝土早期强度不受影响，施工过程中加强了养护，延长了混凝土的拆模时间(见图2)。

图2 施工现场试验拆模时间对混凝土抗压强度影响曲线

3.5 预应力张拉工艺

槽身混凝土强度达到设计要求后，进行张拉施工。张拉前进行设备校验并检查锚具周围混凝土质量，确认符合要求后进行张拉施工。

张拉工序分四步，分别张拉0～15%、15%～30%、30%～60%、60%～105%。张拉顺序符合设计要求，由边至中，由上至下对称张拉。

在预应力混凝土渡槽设计和施工过程中，通过采用单向递推和对向合拢相结合的预应力张拉工艺，并根据张拉方向调整渡槽底肋、帽梁、支座等布置形式，在实现快速施工的同时减少后浇带数量。

主要技术要点如下：ⓐ根据工期合理安排合拢部位数量；ⓑ找到工作面及模板投入和工期效益的平衡点；ⓒ后浇带及端底肋的布置应确保纵梁对称受力，与端部底肋对应的纵梁支座布置也应确保下部墩体对称受力。小作河渡槽作为水毁重建项目，尽早完工并投入使用对于发挥引冶总干渠输水能力具有重要意义，渡槽共18跨，单跨30m，纵梁高度3.2m，纵向预应力钢束弯起角度较小，单向张拉预应力损失较小，为加快工程进度，创新地采用了一套增加预应力渡槽施工张拉面并减少后浇带数量的设计及施工工艺措施。

小作河渡槽设计了两个对拉合拢位置，共计四个工作面，即同时满足四跨槽身的浇筑及张拉施工。

单向递进及合拢跨布置，涉及三种槽跨相邻方式，即单向递进邻接，如小作河渡槽①、②、③、④槽跨之间的衔接；张拉合拢跨衔接，如小作河渡槽⑤、⑥跨之间衔接；单向递进与合龙跨衔接，如小作河渡槽④、⑤之间衔接(见图3～图7)。

图3 递进跨纵剖端部 (尺寸单位：cm)

图4 合拢跨纵剖端部 (尺寸单位：cm)

图5 1～3号、7～11号、15～17号桩柱侧视图 (尺寸单位：cm)

图6 5号、13号桩柱侧视图 (尺寸单位：cm)

图7 4号、6号、12号、14号桩柱侧视图 (尺寸单位：cm)

通过以上施工张拉顺序布置，18跨渡槽槽身仅设置了4条后浇带，相比每跨均设置后浇带时的36条，已经大幅减少，且四个工作面的布置，满足施工进度要求，该布置方式可灵活根据工期进度要求，适当增加或减少合拢跨部位，可操作性强。

以上张拉及槽身结构布置方式还需下部结构的支持，槽身纵梁端部的支座中心一般应布置在纵梁与端底肋交叉的中心位置，上述三种槽跨衔接方式对应三种支座及墩帽布置结构，其中合拢和递进跨衔接需注意，受端部底肋布置的影响，渡槽结构缝并不与下部结构中心对齐，只需确保两个槽跨的支座中心对称于下部结构轴线即可。

预应力张拉完成后，确认灌浆孔道无积水杂物等。将预留钢绞线切除，锚具密封，进行孔道灌浆，灌浆采用符合设计要求的真空辅助灌浆工艺。

4 完工验收情况

4.1 监测结论

石家庄市冶河灌区服务中心委托河北省水利工程质量检测中心站对该工程进行质量检测，检测结论如下：将小作河渡槽槽身、槽底混凝土构件强度与相应的设计值比较，达到设计强度等级C50；将墩帽混凝土构件强度与相应的设计值比较，达到设计强度等级C30。

4.2 工程观测、监测资料分析

工程运行期设计允许最大整体沉降值为100mm，允许最大不均匀沉降值为50mm。小作河渡槽建成后，沉降观测自2018年8月25日开始，至2020年4月25日，实测整体最大沉降值为46mm，相邻两墩最大不均匀沉降为19mm，小于设计允许值。建筑物沉降值逐渐减少且趋于稳定，建筑物运行安全可靠。

4.3 工程初期运行情况

2018年10月16日渡槽试通水运行，至2020年4月已安全运行499天，累计输水14322.9万m3，未出现渗漏，既保证了冶河灌区40万亩农田适时灌溉，又在灌溉间隙成功为省会市区滹沱河、太平河、环城水系实施生态补水。小作河渡槽重建工程在保证冶河灌区农业灌溉、水生态环境改善、水资源优化配置与高效利用等方面起到了至关重要的作用。

2020年6月11日，石家庄市水利局会同石家庄市财政局组织对石家庄市冶河灌区“7·19”水毁重建工程引冶总干渠小作河渡槽项目进行竣工验收，竣工验收委员会同意石家庄市冶河灌区“7·19”水毁重建工程引冶总干渠小作河渡槽项目通过竣工验收，工程质量优良。目前工程初期运行正常，已初步发挥效益。

5 成果及建议

5.1 实践成果

实践表明，将预应力混凝土渡槽设计成全断面补偿收缩混凝土结构是可行的；在混凝土配合比设计中使用P·O42.5水泥以及合理区间的粉煤灰与膨胀剂掺量，能够实现全断面预应力渡槽C50W6F200混凝土高性能、高强度，高抗冻及微膨胀特性的预期效果。

石家庄冶河灌区引冶总干渠小作河渡槽工程在实施的过程中解决了一些技术难题，并总结了一套水工预应力混凝土防渗抗裂综合技术，包括全断面补偿收缩混凝土、薄壁预应力混凝土结构温控养护、施工质量保障体系等多项技术措施，可为推动水工混凝土结构向节约、薄壁、高强、大跨度等方向发展提供参考。

5.2 应用建议

小作河渡槽工程在限制膨胀率的取值上较为保守，后期混凝土限制膨胀率虽然优于普通混凝土，但与完全补偿收缩的距离还很大，实际应用中可适当增加高效可控膨胀剂的掺量，在保证混凝土安定性的同时，提高限制膨胀率要求。

小作河渡槽虽然采用了市场上目前较为成熟、膨胀性能较好的硫铝酸钙-氧化钙类Ⅱ型(HCSA)膨胀剂，且由于限制膨胀率提高总体减轻了温度收缩，但由于水化热增大，影响了补偿收缩混凝土在高等级水利工程中的应用。

目前市场上已有较新的水化热抑制型膨胀剂[16]，该产品适用于实现大体积混凝土和超长无缝混凝土结构连续施工，实现建筑结构的自防水。建议水利工程在技术条件成熟时尝试使用。

本工程虽不能涵盖所有工程情况，但可为同类工程提供可参考的宝贵经验。