淺談混凝土薄殼窖建造技術

莊文賢 尹德慶 王 雯 張靜西 劉廣勤 李曉明

針對傳統混凝土建窖技術造價高、施工期長、抗裂性差等方面的問題,研制出以原狀土基坑和氣囊為內外模板構建水窖的工藝及氣囊裝置。實踐表明，修建水窖對雨水進行資源化利用是國內許多缺水地區緩解水資源供需矛盾的有效途徑，可對跨區域調水形成有效補充。傳統混凝土水窖施工工藝復雜，建造成本偏高，大體量窖體易于發生水壓漲裂，影響到工程投資回報率及社會資金的投資積極性。為解決上述問題，研發出新型薄殼窖快建工藝及氣囊模板裝置，可低成本快速構建抗裂型薄殼窖，具有很強的推廣應用價值。

一、結構形式

混凝土薄殼窖根據需要可為球形、橢球形薄殼結構，系統構成要素如圖1所示。它由蓄水間、窖壁、窖頸、窖蓋、沉砂池和進水管六部分組成。

球形薄殼窖的技術參數有以下幾項：

1.水窖內徑

式中：D1為水窖內徑，m；V為球體積，m3，依據需水量與來水量計算確定。

2.開挖直徑

式中：B為開挖直徑，m；a窖壁厚，m；D1為水窖內徑，m。

3.開挖深度

式中：H為開挖深度，m；h為凍土層厚度，m；D2=D1+2d，d為窖壁厚度，m。

4.混凝土

采用細石混凝土。

二、施工工藝流程及氣囊模板裝置

混凝土薄殼窖施工依托原狀土邊壁和充氣氣囊模板完成，具體施工步驟見圖2。氣囊模板裝置為中間設有連接桿件的球形柔性密閉氣囊。

三、施工技術要點

1.選擇窖址

窖址選定的總原則是根據水窖的用途及集流系統進行整體規劃布局，按照地質、地形適用條件等情況科學選定。具體而言，要優選在土質良好，靠近集流場，方便取水，遠離院墻、房基、灌木的原狀土地段。

2.基坑開挖

按照水窖的外部尺寸在地面放線并開挖基坑，基坑底部挖成下凹球面，基坑側面垂直，先機械粗挖，后人工細挖修正，盡量避免超挖和回填。

3.澆筑窖底混凝土

在基坑凹面上鋪筑10～15cm厚細石混凝土構建窖底，澆筑后的窖底混凝土呈下凹球面。

圖1 薄殼窖結構示意圖

4.安設氣囊模板

將氣囊模板底部的桿端插入窖底混凝土中心位置，用充氣機對氣囊充氣8～10kPa找形，固定氣囊模板頂部及四周以防止澆筑過程中發生側偏和上浮。

5.澆筑邊壁混凝土

以細石混凝土對稱緩慢澆筑原狀土基坑與氣囊模板間10～15cm的預留空隙，混凝土坍落度控制在100～120mm范圍內。

6.澆筑窖頂混凝土

在氣囊模板頂部鋪筑10～15cm厚細石混凝土，預埋進水管，一體澆筑混凝土窖口部分。

7.抽氣拆除氣囊模板

待澆筑的窖體混凝土初凝后，用抽氣機抽盡氣囊模板內空氣，從窖口取出收縮的氣囊模板，以水泥砂漿、水泥凈漿對窖體內壁蜂窩麻面部位進行防水處理，待窖壁混凝土達到一定強度后進行窖頂壓土回填。

四、施工注意事項

基坑開挖施工要嚴格按圖紙放線，盡量避免超挖與回填；氣囊模板位置安設準確；施工過程應注意避免銳物劃傷氣模；采用細石混凝土對稱施工；避免大體量混凝土集中傾倒防止氣囊上浮與偏移；做好窖體內壁防水。

圖2 混凝土薄殼窖施工流程圖

五、新技術的優缺點及適用范圍分析

新技術的優點是建窖快、抗裂性能高、造價低：與傳統混凝土窖回填土邊界條件不同，新型薄殼窖直接依托原狀土建窖，在一定工作范圍內邊壁土體浸水后強度不減，窖體抗裂邊界條件更好，并可減少基坑開挖與回填的工程量；氣囊模板可自動找型，比表面積也相對較小，以氣囊模板構建薄殼窖，混凝土用量小，窖體的結構力學性能優良；氣囊彈性可自動補償混凝土凝結期間的塑性收縮，促使窖壁混凝土與原狀土邊壁間的緊密貼合，窖體邊界條件更好，抗裂性能也更高；窖體一次性整體澆筑，無施工冷縫，可當天成窖，施工期短；成本低，施工技術門檻低，易于為群眾掌握與接受，有利于引導社會資金進行規模化推廣應用。

新技術的不足在于對建窖區域的土質條件要求相對較高：未經壓實或排水固結的回填土區域、遇水濕陷區域、開挖條件不良的軟土、流沙、滲水區域不適合于該項技術；對于有堅硬碎石土、塊石的山區，基坑開挖尺寸難以精準把控，建議根據開挖實際情況因地制宜調整擬建窖體規格，避免部分窖體邊壁混凝土過厚造成不必要的工料浪費。

混凝土薄殼窖技術除了用于建設水窖外，還可用于沼氣池、化糞池及儲藏室等地下窖體工程建設。

六、應用分析

連云港市贛榆區進行30m3容積驗證窖試澆筑試驗，基坑開挖與窖體澆筑各需半天，工期為傳統建窖技術的1/20～1/10，造價為 3500元左右，約為傳統建窖技術的50%～70%。以30m3容積混凝土新型薄殼窖市場報價5000元、使用壽命50年、年蓄水50年估算，單位供水成本2元/m3，低于長江向北京調水沿途2～10元/m3不等的供水成本，綜合考慮農戶自行投資與施工等有利因素，混凝土薄殼窖施工技術的建窖投入更低，可與跨區域調水相競合筑牢國內供水安全屏障