超高性能混凝土在裝配式渡槽中的應用初探

（成都城投城建科技有限公司，四川省成都市，610500） 周志威 王 杰 肖 東 譚 琪 劉佳欣

受限于地質、地形和地貌條件限制，引調水工程和灌區工程往往需要跨越山谷溝壑和河道，相比傳統的涵洞輸水方式，渡槽具有如下優勢[1-2]：①不影響溝谷和河道的行洪；②水頭損失小，可減小水頭損耗；③過水能力強。然而傳統混凝土預制結構存在尺寸大，重量大，抗拉強度低，易出現開裂，耐久性較差，使用壽命低等問題，渡槽作為一種大型構件，由于多數地處山區，為方便運輸吊裝，對于構件輕量化的要求更是十分重要，為了適應渡槽結構向大型化、高耐久性和輕量化發展的需要，需要尋找新的材料來替代傳統混凝土進行渡槽構件的預制。UHPC 混凝土具有強度高、結構可靠、耐久性好、耐磨性佳等特點，已在大跨徑橋梁、人行天橋、港口及其海工結構領域得到一定的應用[3-5]。根據UHCP 在已有項目中的應用表明，采用UHPC 可以有效減小工程結構的尺寸，可明顯減少后期的維護投入，因此很多學者和專家都在致力于UHPC 的研究和應用。

本文基于前人研究理論和經驗[8]，初步設計了一種UHPC 預制拼裝渡槽結構，并與傳統混凝土渡槽的工程、經濟、社會和環境效益進行了對比分析，以期能為UHPC 在水利引水工程中的應用提供借鑒。

1 UHPC混凝土制備

主要原材料包括P.O42.5普通硅酸鹽水泥、I級粉煤灰、硅灰、石英砂、平直型鍍銅鋼纖維、聚羧酸高效減水劑：類、水等。設計采用抗壓強度≥140MPa，抗折強度為≥20MPa 的超高性能混凝土制備渡槽，水膠比為0.17，水泥用量占膠凝材料用量的75%，硅灰用量占膠凝材料用量的20%，鋼纖維體積摻量為3%，UHPC 配合比設計方案見表1。為防止在UHPC拌合過程中出現明顯的干濕界面而導致內部結構不均勻和性能降低情況，在正式攪拌之前，先將水泥、粉煤灰、硅灰以及石英砂等按照用量混合成干粉料，干拌4min；然后再向干粉料中緩慢加入水和減水劑，充分攪拌6min；最后向拌合物中緩慢加入鍍銅鋼纖維，繼續攪拌6min 后出料，得到拌合好的UHPC漿料。

表1 UHPC配合比方案

2 渡槽結構設計

2.1 斷面形式選取

U 形斷面渡槽的造型結構更簡單、美觀，水利條件更優越，縱橫向的受力條件好，結構的強度、剛度、穩定性和結構安全性均較高，抗風穩定性較好，施工吊裝方便，便于工廠化預制生產，因此，本文UHPC斷面采用U形結構。

2.2 結構組成

渡槽由槽身、兩端底座和弧形蓋板組成。槽身過水斷面由直線段和圓弧曲線段兩部分組成，渡槽兩端為加厚底座，為了加強兩邊側墻聯系，同時減小渡槽槽身底部的彎矩，在側墻上部每隔一段距離增設一根拉桿，兩側槽身頂部適當加寬形成邊梁，從而增加槽身的總體剛度。在渡槽上方可以視情況增設弧形蓋板，弧形蓋板可以減少夏季高溫季節的水量蒸發，提高渠系水利用系數，降低泥土、樹葉等雜物進入渠道導致堵塞的概率。蓋板兩側設置截水槽，在每節蓋板截水槽中間位置設置一個回水孔，回水孔處設置濾網，平時可收集和過濾雨水。

渡槽沿縱向方向分段預制，在底座左右位置各布設一個連接孔，通過高強螺栓對兩段渡槽進行固定連接。在預制渡槽兩端槽身沿著過水斷面預留半個止水孔，當兩段渡槽預制拼裝后，在中間沿著止水孔布置一條遇水膨脹彈性橡膠止水條，在內側迎水面用高性能防水砂漿填充抹平，在止水帶外側用泡沫或者塑料填縫材料填充。當單跨渡槽跨度較大時，由于UHPC渡槽本身屬于薄壁結構，宜采用先張預應力法沿著渡槽圓弧段布置多束預應力。渡槽三維效果結構示意見圖1。

圖1 渡槽三維效果示意

2.3 U型渡槽斷面尺寸參數

以5 級渡槽為例，設計跨度為9.96m，設計流量為2.04m3/s，加大設計流量為2.55m3/s，普通混凝土渡槽強度等級為C25，圓弧段半徑R0為0.8m，槽壁厚度t為0.14m，每根拉桿的寬度為0.15m，跨寬比為4.15，底部采取加厚措施，加厚0.16m。在采用UHPC 進行渡槽斷面設計時，需保證過水斷面和跨度不變，在普通混凝土渡槽結構基礎上，將槽壁厚度減小至原來的1/2，同時底部不采取加厚措施。渡槽的環向和縱向鋼筋均采用PCB1420 高強冷拔低碳鋼絲，縱向配筋率為2.25%，環向配筋率為1.15%。兩種渡槽結構斷面示意見圖2。

圖2 C25和UHPC渡槽斷面對比

2.4 結構受力分析

為驗證UHPC 斷面設計的合理性，對UHPC 渡槽的縱向和環向結構應力進行了計算，結果顯示：跨中槽底最大拉應力為3.2MPa，截面邊緣最大拉應力僅為0.38MPa，均滿足抗裂性要求（不出現裂縫允許承載的最大拉應力為4.5MPa），其余斷面彎矩值均滿足設計要求，表明UHPC 渡槽滿足結構穩定性的設計要求。

3 效益對比

3.1 工程效益

C25 渡槽和UHPC 渡槽同等長度（單跨9.96m）工程量對比見表2。從表2中可知：在相同長度下，UHPC 槽身混凝土方量僅為普通混凝土的35%，鋼筋用量僅為普通混凝土的48%，單跨槽身重量僅為普通混凝土的36%，單跨構件重量顯著降低，能夠便于構件的運輸和吊裝，提高渡槽的施工效率。

表2 兩種渡槽工程量對比

3.2 經濟效益

由于渡槽運輸吊裝費用與所處的交通和地理環境有較大的關系，暫不考慮運輸和吊裝費用，僅對兩種渡槽全生命周期進行對比，見表3。從表3中可知：在沒有考慮運輸吊裝費用的前提下，UHPC渡槽的全生命周期費用比C25 渡槽降低約16.5%，由于C25渡槽預制構件的體積和重量遠高于UHPC渡槽構件，因此，其運輸吊裝費用肯定是高于后者的，故實際上UHPC 渡槽的全生命周期成本比C25渡槽降低幅度將高于16.5%。

表3 兩種渡槽全生命周期成本對比

3.3 社會環境效益

社會效益：UHPC渡槽相比普通混凝土渡槽，維修更換次數更少，可減少對供水的影響時間，縮短因維修更換造成的停水問題，充分確保工農業生產和人們的生活，同時降低渡槽工程因結構耐久性破壞帶來的經濟損失。

環境效益：按照中國建筑材料聯合會發布的標準《預拌混凝土低碳產品評價方法及要求》（T/CBMF27-2018）中對于碳排放的要求，查詢每種原材料對應的CO2排放系數，再根據碳排放量計算公式，可初步計算得到單跨C25 渡槽的碳排放量為4762.8kg，單跨UHPC 渡槽的碳排放量為3041.5kg。新建UHPC渡槽的碳排放比傳統混凝土渡槽降低約36.1%，如果換算成60 年設計使用年限全生命周期碳排放，采用UHPC 渡槽的碳排放降低幅度將達到68.1%。UHPC 材料使用量少，不僅降低了碳排放量，而且還能大幅度降低由于渡槽拆換產生的廢棄建筑材料，經濟環保，踐行了碳中和的發展理念。

4 討論

利用UHPC 材料預制渡槽相比普通混凝土而言具有如下優勢：①斷面尺寸減小，自身結構重量大幅度降低，方便運輸和吊裝，提高施工效率；②力學和耐久性更好，后期可大大降低維護保養所花費的人力物力，全生命周期成本更低；③由于維修更換次數顯著減少，可降低因維護工作對工農業和居民供水的影響，社會效益顯著；④UHPC的原材料用量更少，降低了碳排放量，具有明顯的環境效益。

本文在設計時，為方便對比，將UHPC 渡槽長度與C25渡槽長度保持一致，在實際設計時，UHPC渡槽的跨寬比可適當增大，而且在設計過程中配筋取值偏于保守，使得UHPC 材料本身的性能未得到完全的發揮，借鑒UHPC 在預制箱梁中的應用，UHPC 渡槽可優化設計為無腹筋預應力結構，從而減少鋼筋的使用量，進一步降低UHPC渡槽的成本，提升渡槽的工程經濟和社會環境效益。

5 結語

利用UHPC混凝土設計了一種U型預制裝配式渡槽，該渡槽主要由槽身、兩端底座和弧形蓋板組成，在相同跨度下，相比C25混凝土渡槽而言，斷面尺寸明顯減小，實現了構件輕量化，可大大降低后期運營維護成本，延長渡槽的使用壽命。根據初步計算，UHPC渡槽的槽身重量、全生命周期費用和碳排放量分別較C25 渡槽降低64%、16.5%和68.1%，具有更好的工程經濟和社會環境效益，在未來引水輸水工程中具有一定的推廣應用價值。本文僅對UHPC 渡槽的結構進行了初步設計對比，后續將開展相關模型試驗研究，以驗證UHPC渡槽在輸水、抗凍、抗滲、抗震等性能方面的科學性與合理性。