超高性能混凝土在装配式渡槽中的应用初探

（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 东 谭 琪 刘佳欣

受限于地质、地形和地貌条件限制，引调水工程和灌区工程往往需要跨越山谷沟壑和河道，相比传统的涵洞输水方式，渡槽具有如下优势[1-2]：①不影响沟谷和河道的行洪；②水头损失小，可减小水头损耗；③过水能力强。然而传统混凝土预制结构存在尺寸大，重量大，抗拉强度低，易出现开裂，耐久性较差，使用寿命低等问题，渡槽作为一种大型构件，由于多数地处山区，为方便运输吊装，对于构件轻量化的要求更是十分重要，为了适应渡槽结构向大型化、高耐久性和轻量化发展的需要，需要寻找新的材料来替代传统混凝土进行渡槽构件的预制。UHPC 混凝土具有强度高、结构可靠、耐久性好、耐磨性佳等特点，已在大跨径桥梁、人行天桥、港口及其海工结构领域得到一定的应用[3-5]。根据UHCP 在已有项目中的应用表明，采用UHPC 可以有效减小工程结构的尺寸，可明显减少后期的维护投入，因此很多学者和专家都在致力于UHPC 的研究和应用。

本文基于前人研究理论和经验[8]，初步设计了一种UHPC 预制拼装渡槽结构，并与传统混凝土渡槽的工程、经济、社会和环境效益进行了对比分析，以期能为UHPC 在水利引水工程中的应用提供借鉴。

1 UHPC混凝土制备

主要原材料包括P.O42.5普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰、硅灰、石英砂、平直型镀铜钢纤维、聚羧酸高效减水剂：类、水等。设计采用抗压强度≥140MPa，抗折强度为≥20MPa 的超高性能混凝土制备渡槽，水胶比为0.17，水泥用量占胶凝材料用量的75%，硅灰用量占胶凝材料用量的20%，钢纤维体积掺量为3%，UHPC 配合比设计方案见表1。为防止在UHPC拌合过程中出现明显的干湿界面而导致内部结构不均匀和性能降低情况，在正式搅拌之前，先将水泥、粉煤灰、硅灰以及石英砂等按照用量混合成干粉料，干拌4min；然后再向干粉料中缓慢加入水和减水剂，充分搅拌6min；最后向拌合物中缓慢加入镀铜钢纤维，继续搅拌6min 后出料，得到拌合好的UHPC浆料。

表1 UHPC配合比方案

2 渡槽结构设计

2.1 断面形式选取

U 形断面渡槽的造型结构更简单、美观，水利条件更优越，纵横向的受力条件好，结构的强度、刚度、稳定性和结构安全性均较高，抗风稳定性较好，施工吊装方便，便于工厂化预制生产，因此，本文UHPC断面采用U形结构。

2.2 结构组成

渡槽由槽身、两端底座和弧形盖板组成。槽身过水断面由直线段和圆弧曲线段两部分组成，渡槽两端为加厚底座，为了加强两边侧墙联系，同时减小渡槽槽身底部的弯矩，在侧墙上部每隔一段距离增设一根拉杆，两侧槽身顶部适当加宽形成边梁，从而增加槽身的总体刚度。在渡槽上方可以视情况增设弧形盖板，弧形盖板可以减少夏季高温季节的水量蒸发，提高渠系水利用系数，降低泥土、树叶等杂物进入渠道导致堵塞的概率。盖板两侧设置截水槽，在每节盖板截水槽中间位置设置一个回水孔，回水孔处设置滤网，平时可收集和过滤雨水。

渡槽沿纵向方向分段预制，在底座左右位置各布设一个连接孔，通过高强螺栓对两段渡槽进行固定连接。在预制渡槽两端槽身沿着过水断面预留半个止水孔，当两段渡槽预制拼装后，在中间沿着止水孔布置一条遇水膨胀弹性橡胶止水条，在内侧迎水面用高性能防水砂浆填充抹平，在止水带外侧用泡沫或者塑料填缝材料填充。当单跨渡槽跨度较大时，由于UHPC渡槽本身属于薄壁结构，宜采用先张预应力法沿着渡槽圆弧段布置多束预应力。渡槽三维效果结构示意见图1。

图1 渡槽三维效果示意

2.3 U型渡槽断面尺寸参数

以5 级渡槽为例，设计跨度为9.96m，设计流量为2.04m3/s，加大设计流量为2.55m3/s，普通混凝土渡槽强度等级为C25，圆弧段半径R0为0.8m，槽壁厚度t为0.14m，每根拉杆的宽度为0.15m，跨宽比为4.15，底部采取加厚措施，加厚0.16m。在采用UHPC 进行渡槽断面设计时，需保证过水断面和跨度不变，在普通混凝土渡槽结构基础上，将槽壁厚度减小至原来的1/2，同时底部不采取加厚措施。渡槽的环向和纵向钢筋均采用PCB1420 高强冷拔低碳钢丝，纵向配筋率为2.25%，环向配筋率为1.15%。两种渡槽结构断面示意见图2。

图2 C25和UHPC渡槽断面对比

2.4 结构受力分析

为验证UHPC 断面设计的合理性，对UHPC 渡槽的纵向和环向结构应力进行了计算，结果显示：跨中槽底最大拉应力为3.2MPa，截面边缘最大拉应力仅为0.38MPa，均满足抗裂性要求（不出现裂缝允许承载的最大拉应力为4.5MPa），其余断面弯矩值均满足设计要求，表明UHPC 渡槽满足结构稳定性的设计要求。

3 效益对比

3.1 工程效益

C25 渡槽和UHPC 渡槽同等长度（单跨9.96m）工程量对比见表2。从表2中可知：在相同长度下，UHPC 槽身混凝土方量仅为普通混凝土的35%，钢筋用量仅为普通混凝土的48%，单跨槽身重量仅为普通混凝土的36%，单跨构件重量显著降低，能够便于构件的运输和吊装，提高渡槽的施工效率。

表2 两种渡槽工程量对比

3.2 经济效益

由于渡槽运输吊装费用与所处的交通和地理环境有较大的关系，暂不考虑运输和吊装费用，仅对两种渡槽全生命周期进行对比，见表3。从表3中可知：在没有考虑运输吊装费用的前提下，UHPC渡槽的全生命周期费用比C25 渡槽降低约16.5%，由于C25渡槽预制构件的体积和重量远高于UHPC渡槽构件，因此，其运输吊装费用肯定是高于后者的，故实际上UHPC 渡槽的全生命周期成本比C25渡槽降低幅度将高于16.5%。

表3 两种渡槽全生命周期成本对比

3.3 社会环境效益

社会效益：UHPC渡槽相比普通混凝土渡槽，维修更换次数更少，可减少对供水的影响时间，缩短因维修更换造成的停水问题，充分确保工农业生产和人们的生活，同时降低渡槽工程因结构耐久性破坏带来的经济损失。

环境效益：按照中国建筑材料联合会发布的标准《预拌混凝土低碳产品评价方法及要求》（T/CBMF27-2018）中对于碳排放的要求，查询每种原材料对应的CO2排放系数，再根据碳排放量计算公式，可初步计算得到单跨C25 渡槽的碳排放量为4762.8kg，单跨UHPC 渡槽的碳排放量为3041.5kg。新建UHPC渡槽的碳排放比传统混凝土渡槽降低约36.1%，如果换算成60 年设计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将达到68.1%。UHPC 材料使用量少，不仅降低了碳排放量，而且还能大幅度降低由于渡槽拆换产生的废弃建筑材料，经济环保，践行了碳中和的发展理念。

4 讨论

利用UHPC 材料预制渡槽相比普通混凝土而言具有如下优势：①断面尺寸减小，自身结构重量大幅度降低，方便运输和吊装，提高施工效率；②力学和耐久性更好，后期可大大降低维护保养所花费的人力物力，全生命周期成本更低；③由于维修更换次数显著减少，可降低因维护工作对工农业和居民供水的影响，社会效益显著；④UHPC的原材料用量更少，降低了碳排放量，具有明显的环境效益。

本文在设计时，为方便对比，将UHPC 渡槽长度与C25渡槽长度保持一致，在实际设计时，UHPC渡槽的跨宽比可适当增大，而且在设计过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发挥，借鉴UHPC 在预制箱梁中的应用，UHPC 渡槽可优化设计为无腹筋预应力结构，从而减少钢筋的使用量，进一步降低UHPC渡槽的成本，提升渡槽的工程经济和社会环境效益。

5 结语

利用UHPC混凝土设计了一种U型预制装配式渡槽，该渡槽主要由槽身、两端底座和弧形盖板组成，在相同跨度下，相比C25混凝土渡槽而言，断面尺寸明显减小，实现了构件轻量化，可大大降低后期运营维护成本，延长渡槽的使用寿命。根据初步计算，UHPC渡槽的槽身重量、全生命周期费用和碳排放量分别较C25 渡槽降低64%、16.5%和68.1%，具有更好的工程经济和社会环境效益，在未来引水输水工程中具有一定的推广应用价值。本文仅对UHPC 渡槽的结构进行了初步设计对比，后续将开展相关模型试验研究，以验证UHPC渡槽在输水、抗冻、抗渗、抗震等性能方面的科学性与合理性。