【摘 要】 大型渡槽为双向预应力薄壁构件，其输水流量及结构尺寸均位居同类工程之首，是控制工期的关键性工程之一。该工程因设计和施工技术难度高，被列为国家“十一五”攻关课题。本文主要介绍大型渡槽的预应力施工工艺和质量控制措施，并结合仿真模型试验介绍预应力制作安装、张拉工艺和孔道压浆的研究成果。
【关键词】 渡槽；预应力施工；工艺
1 工程概况
某大型渡槽工程是国家大型调水工程的一座大型河渠交叉建筑物，也是目前世界上最大的U型渡槽。渡槽槽身为相互独立的3槽预应力混凝土U型结构，单跨40m，共18跨，单槽内空尺寸（高×宽）7.23m×9.0m。渡槽设计流量为350m3/s，加大流量为420m3/s，主要建筑物为1级，次要建筑物为3级。
渡槽工程隶属特大型跨流域调水工程，断面尺寸大，槽身为薄壁U型结构，受力复杂，应力控制标准高，需配置双向预应力，其中，纵向为有粘结预应力共40索，环向为无粘结预应力共241索。预应力施工工艺及质量控制复杂，本文将对此予以简要介绍。
2 预应力布置及施工难点
2.1 预应力布置
渡槽槽身按双向预应力结构设计，预应力钢筋均采用1860级15.2高强低松弛钢绞线。在槽底加厚部位布置一层共8束（12×15.2）间距40cm的纵向预应力钢绞线，在槽身下部104.4°范围内布置一层共22束（12×15.2）间距40cm的纵向预应力钢绞线，在槽顶两侧直墙上各布置五束（6×15.2）的钢绞线；环向在跨中1/2跨区域内布置（3×15.2）间距18cm的钢绞线，而在两端1/4跨内，对钢绞线进行加密，布置（3×15.2）间距15cm的钢绞线。预应力布置参见图1～图2。
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图2 槽身钢绞线布置图（平面图）
2.2 预应力施工难点
从渡槽的预应力布置可以看出，槽身预应力布置吨位较大，索间密集，同时因槽身为预应力薄壁结构，断面最小厚度仅35cm，较小的预应力锚索束形偏差可能对槽身应力造成显著影响，结构布置和受力特点决定了渡槽预应力施工难度较大，其难点主要表现在以下方面：
（1）预应力锚索密集，布置超常规。渡槽纵向（12×15.2）预应力锚索最小间距为40cm，（6×15.2）预应力锚索最小间距为30cm，环向采用（3×15.2）扁锚最小间距为15cm。按照国家标准（3×15.2）扁锚最小索间距为25cm，锚垫板标准尺寸为18cm×7cm，为保证超出常规后的环向预应力锚下混凝土满足局部承压能力，设计采用了非标准的锚垫板，其宽度为11cm，长度44cm～71cm不等，顺流向环向锚垫板净间距仅2mm，锚垫板安装及其底部混凝土浇筑均有一定难度。
（2）定位精度要求高。预应力锚索的偏差决定着槽身的应力状态，为保证成槽后槽身应力为设计的应力状态，需要严格控制预应力锚索的定位精度，其中，环向钢绞线安装束形控制点位置偏差在垂直槽身方向±5mm，顺槽身方向±8mm；纵向钢绞线安装束形控制点位置偏差在垂直钢绞线方向±10mm。所有预应力锚垫板的位置应精确安装，锚垫板应垂直于钢绞线。
（3）预应力锚索穿索难度大。槽身内外壁均按照构造布置了纵环向钢筋，形成了两个网状曲面钢筋片，在两层钢筋网片间穿索难度大。尤其是纵向预应力锚索，为保证有效预应力长度，被拉端挤压头距离端头约7.5cm，而槽身为单端张拉，不留后浇带的形式，除了首榀渡槽而外，其他渡槽在先浇槽身的空间制约下，纵向锚索穿索后无法进行挤压头制作。
（4）预应力张拉工序多，张拉工艺复杂。槽身预应力分纵向和横向，同时张拉中还分区、分序和分级。
3 预应力施工工艺及其试验研究
渡槽结构新颖，受力复杂，其跨度、断面结构尺寸均位居同类工程之首，工程实例不多，为验证并优化设计，完善施工工艺，促进大型渡槽设计及施工技术进步，开展了1:1仿真模型试验[1]。模型试验分结构试验和工艺试验，其中工艺试验是模型试验的重要组成部分，因槽身预应力配置超出常规，预应力施工工艺试验也就成了槽身工艺试验的重点之一，该试验落实了槽身纵横向预应力体系的制作安装、张拉工序和孔道压浆等工艺。
3.1预应力制作安装工艺
槽身预应力制作安装工艺试验包括预应力穿索、预应力定位及其锚垫板安装。槽身纵向采用有粘结预应力需进行波纹管的安装定位，然后再穿索，环向采用的是无粘结预应力钢绞线，可直接将无粘结钢绞线下料安装定位，通过仿真模型试验落实了预应力的制作安装工艺。
3.1.1 预应力穿索 槽身环向采用（3×15.2）扁锚，钢绞线按设计图纸设定的位置穿索。先单根穿索，再通过铅丝绑扎每3根集束为一根锚索，并分区定位。
槽身纵向采用（12×15.2）和（6×15.2）两种锚索，因固定端操作空间受限，纵向预应力钢绞线穿索后的挤压锚制作和定位成了预应力施工首当其冲的难题，其施工工艺方法，不仅决定了工程能否顺利进行，也制约着工程工期和工程质量。现场试验采用了两种方案：
方案一，采用先将纵向锚索穿索并将被拉端留足挤压锚的制作空间，然后在挤压锚施工完成后，整体拖动锚索至设计位置进行定位。
方案二，采用挤压锚已经制作好的钢绞线穿索至设计位置，将固定端锚垫板开较挤压锚直径大约3mm的孔，在挤压锚穿过锚垫板后，利用专门加工的P锚开口套和C形扣环进行单根钢绞线的固定，最后再进行锚索和锚垫板的整体定位，方案二固定端P锚构造参见图3。
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图3 纵向锚索固定端P锚构造图
现场试验发现，方案一实施起来比较困难，主要原因是槽身纵向单束锚索重达535kg，在锚头挤压完成后，在密集的普通钢筋中，整束锚索拖动难度大，而方案二实施起来比较容易，但该方案改变了固定端锚具的传统型式，与国家标准不一致，为此，现场开展了固定端P锚的研发试验，通过试验论证了方案二采用的固定端新型P锚的强度及锚固性能可靠稳定，满足规范要求，故现场采用了方案二进行纵向钢绞线的穿索。实践表明，方案二施工便利，工效高，不仅能节约工期还可以有效的保证工程质量。
3.1.2 预应力定位 通过仿真试验确定了纵横向预应力锚索的定位钢筋的型式，其中纵向预应力锚索为有粘结钢绞线，需要安装波纹管，并考虑混凝土浇筑过程中的波纹管抗浮，故采用井字架型的定位钢筋网片，而环向预应力锚索为曲线无粘结钢绞线，不需要安装波纹管，采用与普通钢筋同样的绑扎方法，在计算确定束形后采用铅丝与定位筋绑扎，并将定位钢筋与普通钢筋点焊。为保证设计要求的定位精度纵向直线锚索定位钢筋网片间距50cm，环向曲线锚索定位筋顺走向间距约100cm一根。
3.1.3 锚垫板安装 槽身钢绞线穿索后，即可进行锚垫板安装。必须采取措施保证混凝土成型后锚垫板的精确就位，不得偏斜。
纵向预应力锚垫板为圆形锚垫板，属标准件，将锚垫板的颈部套在波纹管上，波纹管与锚垫板的搭接长度不得小于30mm，在搭接处外缘用胶布缠紧，并用软钢丝绑扎在固定锚垫板上。在安装前应将螺旋筋套入，安装锚具后，螺旋筋紧贴锚垫板固定在钢筋上，锚垫板的孔道出口端必须与波纹管中心线垂直。
环向预应力锚垫板为长方形的非标准件，设计宽度为11cm，而顺流向间距为2mm,在施工过程中定位精度要求较高，现场先将已经穿索的钢绞线逐根穿过锚垫板并对锚垫板定位，待若干锚垫板定位结束后，在其侧边通过焊接钢筋的方法分片集中固定，防止浇筑过程中的变位，影响锚垫板的安装精度。
3.2预应力张拉工艺
预应力张拉试验研究的目的是确定预应力参数，并在此基础上进行张拉工序研究。
3.2.1 预应力参数确定 槽身预应力张拉工艺试验研究之前，先是通过张拉试验测试和反演计算，确定了纵向直线型锚索的偏摆系数和环向曲线型预应力锚索的综合摩阻系数。试验测得纵向锚索的偏摆系数测试值为0.0014，环向锚索的综合摩阻系数为0.07。
3.2.2 张拉工艺研究 渡槽采用后张法施工。槽身纵向有粘结预应力钢绞线，单端张拉；环向无粘结钢绞线，两端同步张拉。为保证槽身受力均匀，纵、环向预应力钢绞线采用对称张拉。槽身预应力参数明确后，通过仿真计算优选细化槽身的张拉工序。参考《水工混凝土结构设计规范》SL 191-2008[2]，预应力张拉施工阶段槽体截面边缘的混凝土法向应力应符合下列规定：
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槽身施加预应力必须同时满足混凝土龄期≥7d和混凝土抗压强度不低于设计强度等级值的80%，故预应力张拉施工阶段槽体截面边缘的混凝土压应力和拉应力分别不能超过20.74 N/mm2和2.11 N/mm2。
渡槽槽身预应力布置与一般常规预应力构件不一样，单槽钢绞线布置束数众多，纵横向预应力锚索布置达281束，而工程工期紧，故张拉工序确定需综合考虑张拉施工期槽身应力控制标准，并且张拉施工工艺力图简单，通过反复试算和研究确定张拉工序。按先张拉端肋环向钢绞线（共23束），再张拉纵向钢绞线（共40束），最后张拉渐变段至跨中区域环向钢绞线（共218束）的顺序进行。钢绞线张拉前先单根预紧再整束张拉，单根钢绞线的预紧力为张拉控制应力的10%。纵向钢绞线张拉完毕，才能进行造槽机外模拆除，所有预应力钢绞线张拉完毕造槽机才能移位过孔。
（1）端肋环向钢绞线张拉顺序
端肋环向预应力张拉前先对钢绞线编号见图4，然后按绞线编号由小到大的次序张拉奇数号钢绞线0→0.1F→F（持荷5min锚固），再张拉偶数号钢绞线0→0.1F→F（持荷5min锚固）。为保证对称张拉，每次张拉两束环向钢绞线。
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图4 环向预应力钢绞线分区及编号
（2）纵向钢绞线张拉顺序
纵向钢绞线的分区张拉次序依次为：A区→B区→C区→D区，钢绞线分区及编号见图5。首先，张拉A区钢绞线，0→0.1F→F（持荷5min锚固）。然后，张拉其他各分区钢绞线绞，按绞线编号由小到大的次序，先张拉奇数号钢绞线0→0.1F→0.5F（锚固）,再张拉偶数号钢绞线0→0.1F→F（持荷5min锚固），最后补张奇数号钢绞线0.5F→F（持荷5min锚固）。为保证对称张拉，每次张拉两束纵向钢绞线。
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（3）渐变段至跨中区域环向钢绞线张拉顺序
渐变段至跨中区域环向预应力张拉前先从两端向中间依次对钢绞线编号（见图4），然后从两端向中间同步张拉奇数号钢绞线0→0.1F→F（持荷5min锚固），再张拉偶数号钢绞线0→0.1F→F（持荷5min锚固）。为保证对称张拉，每次张拉两束环向钢绞线。
经过仿真张拉计算，以上张拉工序槽身截面边缘最大压应力及拉应力分别为8.35 N/mm2和0.50 N/mm2，满足应力控制标准。另外，张拉试验期槽身贴片测得截面边缘最大压应力及拉应力分别为8.06 N/mm2及0.25 N/mm2，与计算值相近，也能满足应力控制标准。
3.3预应力孔道压浆
渡槽采用真空辅助压浆工艺进行孔道压浆，要求终张拉完毕后2天内对纵向有粘结预应力管道进行压浆作业。通过仿真模型试验确定了灌浆浆材的性能和灌浆工艺。
在预应力张拉完成静停12h后，用砂轮切割锚具外多余钢绞线（留约3.0～3.5cm长），用无收缩混凝土密封锚头，待达到一定强度护即可压浆。先对孔道灌注清水，检查孔道的通孔情况，同时清洗润湿孔道，并用空气压缩机将孔道内积水吹出，为压浆做准备。
浆材采用级别不低于42.5的普通硅酸盐水泥配制，浆体强度不低于50MPa，水胶比不超过0.26～0.28，浆液搅拌后3h压力泌水率应控制在2％，最大不得大于3％。压浆过程中观察排气管的出浆情况，当浆液稠度和储浆桶一样，且流速稳定时，暂停压浆泵1～2分钟，保持出浆口的阀门敞开，然后再开启压浆泵，待出浆口出浆顺畅后，关闭出浆端阀门，使压浆泵的压力达到0.5～0.7MPa，持压5分钟后，关闭压浆端阀门及压浆泵，完成压浆。压浆顺序应先下层孔道后上层孔道，同一孔道的压浆应连续、一次完成。从浆液搅拌到压入槽体的时间不超过40min。
4 预应力施工质量控制
渡槽预应力施工过程中严格质量控制与检验。控制按照原材料进厂、制作与安装、施加预应力和孔道压浆等阶段分别进行，并对关键工序进行特别要求。现对预应力张拉施工关键工序作简要介绍。
（1）张拉施工过程控制。渡槽张拉施工运用计算机技术实现了数字化张拉，该张拉方法通过编程将张拉加载速率、持荷时间和伸长值等参数全过程自动化控制，不仅提高了张拉精度、张拉效率，精简了施工人员，同时可避免人工张拉中的人为读数误差和张拉加载过程中时有发生的张拉不规范操作，比如张拉速率控制不严和张拉持荷时间不足等。
（2）张拉设备。预应力张拉施工前所有张拉机具应由具备资质的检验机构进行配套标定，标定期一般为6个月，如经检修必须重新标定。压力表、测力计应在标定前单独进行校正合格。对于张拉油压表要求选用精度为0.4级的防震型油压表，当使用超过允许误差或发生故障时必须重新校正。
（3）细节要求。钢绞线的张拉实行双控，以张拉应力控制为主，以伸长值进行校核，实际伸长量应不超过理论伸长量的±6%，当伸长量超过±6%时应查明原因。另外，要求张拉锁定后钢绞线回缩量不大于6mm。
5 结语
大型渡槽一般采用预应力结构，工程建成后能否安全输水，预应力施工质量起到了决定性的作用，而预应力施工技术应结合设计和当前的先进的技术理念不断创新和探索。
渡槽主体工程已于2013年完工，充水试验监测数据表明槽体应力及变形与设计计算分析结果基本相当，槽身工作性状良好。充水试验结果从侧面说明渡槽工程的预应力施工是成功的，其实践经验可供类似工程借鉴和参考。