南水北调沙河渡槽高性能混凝土施工工艺探讨

摘要：沙河U形渡槽位于河南省鲁山县境内，是南水北调中线规模最大、技术难度最复杂的控制性工程之一，沙河梁式渡槽槽身所采用的U形双向预应力结构和现场预制架槽机架设施工方法，将填补国内外水利行业大流量渡槽设计及施工的技术空白；按综合指标排名，沙河渡槽也将是目前世界上已建和在建的规模最大的渡槽工程。U形渡槽采用C50F200W8高性能混凝土，混凝土的浇筑质量是整个渡槽预制的核心部分，涉及混凝土配比的优化、拌合强度、入仓强度及线路、浇筑布料及振捣方案以及后续的蒸汽养护和洒水自然延养等等来切实保证混凝土内实外美的施工质量。为今后在该类型的建筑物混凝土施工方面提供借鉴。关键词：U形渡槽；混凝土；施工；工艺

Abstract: The Shahe U-shaped aqueduct, located in LuShanXian territory of Henan province, is one of the controlled projects with the most large scale and most complex technology in south-to-north water transfer project. The U-shaped two-way prestressed structure and the construction method of on-site of prefabricated frame slot machine will fill the blank of big flow aqueduct design and construction technology in water conservancy industry at home and abroad. According to the comprehensive index ranking, Shahe aqueduct will also will be the largest in scale among the built and under building aqueducts in the world. U shape employs the C50F200W8 high performance concrete, and the concrete casting quality is a central part of the aqueduct prefabrication, involving concrete proportion optimization, mixing strength, storage-in strength and lines, casting contributions cloth, vibrating scheme and the subsequent steam maintenance and water spraying and so on, to really ensure the concrete construction quality, which provides reference for the future similar concrete construction.

Key words: U shape aqueduct; concrete; construction; technology

中图分类号 :TU377 文献标识码： A 文章编号：

沙河渡槽共设47跨，单跨长30m，总长1410m,每跨呈双线4槽布置，每榀渡槽混凝土461m3，钢筋74.4t，钢绞线15.5t,单榀槽总重量约1200t；渡槽采用C50F200W8掺加植物纤维素的高流态混凝土预制。由于该渡槽为薄壁预应力结构，而且槽内钢筋密集，因此浇筑时需要按不同部位布置不同塌落度和不同级配的混凝土来满足浇筑时布料和振捣的要求，细化布料线路、强度和优化振捣设备的选型，保障不可见部位的混凝土浇筑质量，真正实现特大型U形预制渡槽混凝土内实外美的效果。

1 混凝土参数分区选择

1.1混凝土参数优化及应用

整个U型渡槽由端肋、底板、反圆弧段、直墙段、顶部人行道板五部分组成。由于仓内空间狭小(最大90cm ,最小35cm)、钢筋密集（平均每m3混凝土约200kg），浇筑时不能直观可见在端肋和反圆弧段下料和振捣困难，因此要求混凝土的塌落度偏上限（220mm），扩展度在550~600mm：其它几个部位入仓相对直观，而且振捣较为方便，采用混凝土的塌落度偏下限（180mm），扩展度在450~500mm。具体应用见下表：

注：1.5级配是粗骨料采用小石5~20mm、中石20~31.5mm.

1.2 渡槽浇筑布料分层设计

混凝土浇筑时铺料分层厚度的控制有利于振捣达到理想的效果。在预制渡槽的浇筑施工中，按照不同部位选择合理的布料入仓方式、振捣方案，同时严格控制分层厚度满足振捣要求和各层混凝土的层间结合质量。底板浇筑分两层（总厚度90cm）浇筑，反圆弧段第一排窗口以下分两层布料浇筑，第一排窗口关闭到第二排窗口分三层布料浇筑，第二层窗口关闭到第三层窗口分四层布料浇筑，第三层窗口关闭到顶部人行道板分八层浇筑。

1.3渡槽窗口和振捣设计

1.3.1由于U型渡槽结构形式特殊，高度9.2m，仓内空间狭小（厚度35~50cm），钢筋密集，不能直观看到混凝土在仓内的情况，为了能很好的控制下料的准确性和振捣的密实性，减少下料高度带来的混凝土离析，在内模上设40*40cm的窗口共120个（水平间距1.3m,垂直间距1.0~1.5m,梅花形布置）作为混凝土的入仓布料口和振捣棒的插入口，满足布料和振捣的要求。

1.3.2 振捣是保证混凝土密实性的关键。U形渡槽的浇筑仅仅依靠插入式振捣器不能完全解决，为了使渡槽达到内实外美的效果，在内外模板不同的位置共布置了360个辅助式高频振捣器。在施工过程中以插入式为主、辅助式为辅相结合的方式进行振捣，达到了很好的效果。

2混凝土浇筑

槽体混凝土采用纵向分段（两台布料机各控制渡槽15m范围内的混凝土入仓）、竖向分层、对称循环布料、连续浇筑、一次成型的浇筑工艺。整个浇筑过程及分布图如下。

预制渡槽浇筑过程示意图

2.1首先从过流面底部卸入混凝土浇筑 ①部位，插入式振捣器进行振捣，同时开启底部辅助式振捣器，①部位在端头分三层浇筑完成，在标准段分两层浇筑完成，在支座板埋件部位利用端头窗口放入插入式振捣棒加强振捣；①部位浇筑完后人工进行第一次混凝土面整平，同时按照先浇先盖的原则安装好压模，保证在反圆弧段浇筑时可以进行密集的振捣，模板下口不翻浆。

2.2 从第1排浇筑窗口下料浇筑②部位，同时开启外模1#辅助式振捣器，插入式振捣器自内模第1排窗口插入进行振捣，第一排窗口以下分两层卸料浇筑； ② 部位振捣是否密实以内模的角模处泛浆为准，并配以手锤敲击听声音进行检查。清理窗口洒落混凝土并关闭第1排浇筑窗口，②部位浇筑完成，此时依次开启内模1#辅助式振捣器，频率150Hz,时长10s震一次为宜，②部位浇筑完成。

2.3 从第2排浇筑窗卸料浇筑③部位，同时开启外模2#辅助式振捣器，插入式振捣器自内模第2排窗口插入进行振捣，③部位区域卸料分三层卸料浇筑，插入式振捣器加强振捣。清理洒落混凝土关闭第2排浇筑窗口，依次开启内模2#辅助式振捣器，频率150Hz,时长10s震一次为宜，③部位浇筑完成。

2.4 从第3排浇筑窗口卸料浇筑④部位，同时开启外模3#辅助式振捣器，插入式振捣器自内模第3排窗口插入进行振捣，③部位区域卸料分三层卸料浇筑，插入式振捣器加强振捣，特别注意窗口两侧的盲区的插入振捣，依次开启内模3#辅助式振捣器，频率150Hz,时长10s震两次为宜，清理洒落混凝土关闭第3排浇筑窗口，④部位浇筑完成；在④部位第一层浇筑完成后，可以按照先盖先拆、后盖后拆的原则对过流面开始人工分段翻模和压模拆除，并及时进行第二次人工收面，保证弧面顺畅、光洁。

2.5从顶部凹槽模板处卸料分层浇筑⑤部位，插入式振捣器从顶部插入振捣，同时开启内外模4#辅助式振捣器帮助下料兼振捣，该部位的卸料厚度一定要注意控制，共分为8层，每搅拌车（6m3）布一个循环，同时特别注意在振捣棒上做标记，以保证振捣棒的插入深度满足振捣要求，依此类推完成直墙段和人行道板的浇筑，做好顶板面的人工收面工作。

2.6浇筑期间两台布料机分别从两端向中间方向做循环上升浇筑，两腹板混凝土高程控制均衡上升，防止两侧混凝土高低悬殊，造成内模偏移。整个振捣过程不得留有死角和盲区，振捣棒的有效振捣半径和振捣时间要严格控制，层间振捣要保证插入深度，不得出现冷缝。内外模的紧固看护安排专人负责。

3 新型材料、工艺的应用

3.1采用透气透水模板布提高反弧段混凝土质量

渡槽内表面下半部分为圆弧组成，圆弧半径4m，弧长13m，整个圆弧段面积390m2，由于反弧段排气客观上的困难，槽体过水面的混凝土表面出现较多的气泡、水泡，可能对混凝土的耐久性造成影响，同时增大过水断面糙率，对工程建成后通水流量存在不利影响。通过深入研究和多次试验论证选用了透气透水模板布解决这一混凝土顽疾。

在混凝土浇筑时多余水分、气泡穿过模板布过滤层进入垫料层，气泡在垫料层中逸出，水分中的一部分涵养在垫料层中，其余的沿模板布外沿渗出。多余的水分排出后混凝土表层与水泥的比值W/C值就降低，使得混凝土表层致密、坚实，提高了混凝土的强度和耐磨力；另外还确保了混凝土在养护期间保持高湿度，将发生微小裂缝的风险减小到最低，气泡逸出后出现砂眼的机会也会明显减少。使用模板布后反圆弧段的气泡、水泡基本上得到了消除，节约了后期的缺陷处理费用和时间 。

内模窗口布置 内模模板布粘贴

3.2采用植物纤维素提高混凝土抗裂性能

纤维素纤维是以特殊植物物种为原料，本身具有天然的亲水性和高强高模的特点，因其属植物细胞自然分裂生长非人工制作而成，使表面具有很强的握裹力。在加工中采用了特殊的无极材料把纤维制成片状单体，方便于纤维的运输和投放。片状单体在水的浸泡和搅拌机摩擦力的作用下，极易分散为纤维单丝，从而起到抗裂效果，可有效提高混凝土的力学性能抗冻融性及抗渗性。

3.2.1有效阻止混凝土收缩裂缝的发生

因纤维素纤维具有的天然的亲水性、握裹力，巨大的纤维比表面积，及较高的韧性和强度等，加入混凝土中后，在水的浸泡和搅拌力作用下，形成大量均匀分布的细小纤维，可有效阻止混凝土塑性收缩，干缩和温度变化而引起裂缝的发生。

3.2.2对混凝土抗渗性能的改善

纤维素纤维在混凝土中的均匀分布形成了承托体系，阻碍了表面析水和集料的沉降，降低了混凝土的泌水性，减少了混凝土的泌水通道，使混凝土中的孔隙率大大降低，故而使混凝土的抗渗性能有明显的提高。

2.3 对混凝土抗冻融性的提高

由于混凝土中的纤维素纤维的存在可以有效的减少多次冻融循环而引起的混凝土内的抗拉应力集中，阻止了微裂缝的进一步扩展。另外，由于混凝土抗渗性的提高，当然也有利于改善其抗冻融性。

3.2.4 对混凝土抗冲击性和韧性的提高

纤维素纤维有助于吸收混凝土构件受冲击时的功能，并且由于纤维的阻裂效应，在混凝土受冲击荷载作用时，纤维可以阻止内部裂缝的迅速扩展，故而可以有效的增强混凝土的抗冲击性和韧性。

3.2.5 对混凝土耐久性的改善

纤维素纤维由于良好的阻裂效果，从而大大减少裂缝的发生和发展，内部孔隙率的降低，使得外部环境中的水分腐蚀性和化学介质，氯盐等的侵蚀、渗透减缓，由于裂缝的大量减少，对结构主筋锈蚀的通道减少，从而使混凝土的耐久性得到极大的改善和提高。

4工艺验证

根据已经完成渡槽的大量的室内室外试验检测，对特大型U形渡槽的混凝土浇筑工艺得到了进一步肯定，主要的检测情况如下：

1 成型试验：主要包括标准养护条件下的抗压、弹模、抗冻、抗渗试验及同条件下的抗压试验。其中抗压试验抗压试验完成450组，最大抗压强度62.4MPa，最小抗压强度51.6MPa，平均强度55.4MPa，标准差1.74，离散系数0.031，混凝土保证率100%；弹模试验完成216组，最大弹模43900MPa，最小弹模35500MPa，平均弹模39299MPa；抗冻试验完成8组，相对动弹模最大93%，最小79.1%，平均88.8%，合格率100%；质量损失率最大2.7%，最小0.6%，平均1.2%，合格率100%；抗渗试验完成8组，合格率100%。

2 回弹试验：为了检查渡槽实体混凝土的浇筑质量，现场进行大量的回弹试验，每榀检测槽设置30个测区，每个测区检测16个测点，共对7榀渡槽进行了回弹检测，检测结果见下表：

混凝土结构回弹法抗压强度检测结果

3 声波检测：为了检验混凝土的内部质量，对第2榀、第60榀、第61榀、第67榀渡槽采用声波透射法、冲击回波法进行无损检测，根据检测结果，混凝土总体质量较好，强度超过50MPa。

4 取芯试验：在渡槽质量检测过程中，对第67榀渡槽实体采取钻孔取芯法抽取了三个芯样，根据芯样的抗压强度结果，第67榀渡槽混凝土强度推定值为55.9MPa，满足设计要求。

5充水试验：为了检验成品渡槽的整体质量，对第1榀、第5榀、第60榀渡槽进行充水试验，分别按照充水深度3.7m、6.05m、6.797m及满槽水深7.4m共4个特征水位线进行监测，监测结果如下：

5.1变形观测：槽身跨中最大竖向位移为1.6mm、2.0mm，与设计复核计算沉降量1.7mm左右较为接近；

5.2应力应变：同断面同部位的钢筋计、应变计的测值反应的钢筋混凝土的受力状况基本一致，各阶段的混凝土应力、应变的变化规律基本与设计计算结果一致；

5.3 锚索测力计：在充水期间运行良好，充水至7.4m时，纵向预应力值有所减小，部分环向预应力略有增大，但都在0.5t以内，放水后趋于稳定。

充水试验满槽水深图 U形渡槽实拍图

5结语

通过各种检测结果表明，特大型U形渡槽混凝土浇筑克服了诸多长期以来混凝土施工中存在缺陷和不足，采用的工艺合理得当且便于掌握和操作，达到了预期的效果，希望为类似工程混凝土浇筑提供了一定的借鉴经验。

基金：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAB04A05)

参考文献：[1]混凝土结构工程施工规范GB 506666－2011 8现浇结构工程

[2]水工混凝土施工规范(DLT5144-2001) 77.3浇筑

[3]混凝土力学性能试验方法(GBJ 81-1985)

第三章 立方体抗压强度试验

第四章 轴心抗压强度试验

第五章 静力受压弹性模量试验

第六章 劈裂抗拉强度试验

第七章 抗折强度试验

[4]水工混凝土试验规程(DL/T5150-2001)

3 混凝土拌合物

4 混凝土

5全级配混凝土

6 现场混凝土质量检测

[5]混凝土工程用透水模板布(JT/T736-2009)

[6]水工预应力锚固设计规范(SL 212-1998)

7.3锚固效果的原位监测设计

附录B 监测内容与项目

[7]混凝土试验ISO 1920-6-2004. 第6部分 混凝土芯的取样、制备和试验