小型水工建筑物裝配式施工技術研究

王海龍

（南京市水利規劃設計院股份有限公司廣東分公司，廣州 510610）

1 引言

裝配式施工技術誕生于20世紀初，該技術是實現建筑工程工業化和產業化的一個十分重要的技術手段[1]。該技術主要是綜合考慮施工制作和運輸等因素，對建筑物進行合理的拆分和設計，然后將傳統的整體建筑拆分成若干個相互獨立的結構，對各構件進行預制，最后，運輸至施工現場進行拼接安裝，從而構建結構完整、質量合格的建筑物[2，3]。如今，裝配式施工技術已經廣泛應用在我國的建筑領域，尤其適用于規格標準化、結構組合化、生產工業化的建筑工程中。小型水工建筑物的規模較小、應用廣泛、數量較為龐大，將裝配式技術應用于小型水工建筑物中可以實現高質量、高效率、經濟環保的建設目標。

為了更好地將裝配式技術應用于水工建筑物的施工中，本文梳理裝配式技術的主要優勢，對裝配式輸水渠道、涵洞和涵閘、倒虹吸、渡槽等構造進行研究，以新型裝配式涵閘結構設計和質量控制為例對裝配式設計和應用進行具體的分析。

2 裝配式技術的優勢

和傳統的建筑技術方式相比，裝配式技術可以明顯提高施工效率和經濟效益，其主要優勢主要包括[4，5]：

1）施工精度高，工程質量好。由于裝配式構件是在工廠加工，生產環境較好，可以保證構件的精密度，并且明顯提高混凝土澆筑、振搗和養護等環節的施工質量。

2）可以減少原材料及能源消耗。生產和加工過程可以明顯減少鋼材、混凝土、燃油的消耗，據統計可以節約大概15%的原材料。

3）有利于提升施工效率，節約成本。裝配式構件在工廠內可以依托機械化流水線加工，自動化程度較高，工人的操作相對熟練，縮短了生產加工過程的時間，節約了項目的造價。

4）施工周期較短。裝配式技術的施工流程可以實現導流、清基、預制等工序的平行作業，預制構件直接吊裝至施工現場地后直接進行安裝即可，可以省略安裝、拆卸模板，以及混凝土施工工序，使現場施工時間大大縮短，從整體上大幅度縮短了施工周期。

3 小型水工建筑物裝配式設計

3.1 裝配式渠道設計

3.1.1 渠道斷面形狀的選擇

渠道設計流量在1~5 m3/s時，為了有利于機械化施工，可以選擇梯形斷面；流量小于或等于1 m3/s的情況下，可選擇U形渠道。

3.1.2 渠道邊坡系數

梯形斷面渠道的邊坡系數根據邊坡的穩定性計算，考慮到工程量和成本，邊坡系數一般取1~1.5，對于土質條件較差的區域，邊坡系數可取2~2.5。

3.1.3 渠道糙率系數

渠道糙率系數是反映渠床粗糙程度的指標，可根據渠道的護面、施工、養護等情況確定。

3.1.4 渠底縱坡比降

渠底縱坡比降由工程區域的地形、地貌、土質以及渠道的功能等因素確定。在保證一定的斷面過流能力的情況下，采用較大的渠底縱坡比降可以提高水流速度，減小渠道的橫截面面積，繼而減少工程量。但是流速過高會增加水頭勢能損失，并且水流對渠道的沖刷較為嚴重；反之，當渠底縱坡比降較小，水流流速較小時，可以減少沿程的勢能損失，但會因此加大渠道內泥沙的淤積量，影響渠道的過水能力。最終，渠道比降的確定應保證渠道不沖和不淤流而確定。

3.1.5 渠道的斷面寬深比

渠道的斷面寬深比β一般通過最佳斷面確定，在保證渠道的過水流量滿足需要的情況下，選擇過水斷面面積最小的方案。在含沙量較小、渠床的土質狀況不良、流量較大的情況下，優先選擇寬淺式的渠道。

3.2 裝配式倒虹吸的設計參數

3.2.1 斷面形式

根據相關設計規范的要求，應在總水頭的損失小于或等于渠道系統的給定值的情況下，確定倒虹吸管道橫斷面的形式、尺寸大小、材質等。斷面的倒虹吸管主要分為圓形和箱形2種類型，前者主要應用在高水頭、小流量的水利工程中，一般工程項目受力條件和水利條件較好時，優先選擇該形式；后者主要應用于低水頭和大流量的工況。

3.2.2 管路的布置

管路布置的形式包括豎井式和斜管式2種，二者的應用范圍和優缺點見表1。

表1 豎井式和斜管式布置的應用范圍和優缺點

3.2.3 進出口段的布置

以流量≤5 m3/s的倒虹吸為例，根據國家相關規范[6]，在該流量下選擇采用單管布置的裝配式倒虹，進出口段僅設置攔污柵，管身直接伸入胸墻內，不設置喇叭口，如圖1所示。

圖1 箱型倒虹吸布置構造圖

3.3 裝配式渡槽的設計參數

槽底縱坡的大小直接決定了槽身過水斷面的形式和水流速，縱坡的偏大時，可以減少工程量和工程成本，但同時也會加大水頭的損失，降低渡槽的輸水效率。經過工程實踐可知，一般槽內的設計流速在1.0~2.5 m/s，槽底的縱坡選擇1/500~1/1 500。渡槽身斷面的形式包括矩形和U形斷面2種。

3.4 裝配式涵洞的設計

小型裝配式涵洞上下游的水位差較小，洞內的水流速度也較小，在該情況下，一般選擇無壓力式或自由式出流的涵洞，不需要考慮涵洞的防滲、排水和消能的情況。

涵洞包括箱型涵洞和圓管涵洞，箱型涵洞主要分為單孔、雙孔、三孔的鋼筋混凝土結構，包括正方形斷面和矩形斷面2種；圓管涵洞的水利條件和受力條件較好，能夠承受較大的壓力，施工過程簡單，工程量相對較小。為了確保無壓涵管在任何水位時持續保證無壓流狀態，保證洞內的流量和水深始終保持穩定，要確保洞內的水面始終保持一定的凈空高度。

4 新型裝配式涵閘結構設計和質量控制

在小型水工建筑物中，涵閘是最常見的建筑物形式，主要分為有壓涵洞式涵閘和無壓涵洞式涵閘，結構相對簡單，主要包括進口首部、洞身、進出口連接段3部分。

4.1 裝配式涵閘構件拆分原則

對涵閘進行科學的拆分是裝配式設計的重要環節，對預制構件的加工、運輸、安裝有直接的影響。構件的拆分原則：對于平面形狀應該簡單、規則、對稱；豎向布置規則且均勻；構件劃分遵循受力合理、連接簡單、少規格、多組合的原則。

4.2 裝配式涵閘構件的連接

預制混凝土的結構連接方式有干連接和濕連接2種，干連接一般采用螺栓、焊接、企口、機械套筒等連接方式；濕連接主要有底?，F澆、漿錨連接、灌漿拼裝等方式。小型水工建筑物中涵閘的連接方式決定了涵閘的穩定性、耐久性、止水效果等方面，構件連接時，可以輔以橡膠墊進行止水并減少剛性接觸確保連接的耐久性。主要的構件連接方式見表2。

表2 構件連接方式

4.3 構件預制工藝質量控制

4.3.1 混凝土拌和控制要點

首先，應在混凝土原材料進場后及時進行檢驗，確保材料合格；要嚴格按照配和比進行混凝土的配制，推薦采用強制式拌和機拌和混凝土，攪拌時間應≥3 min，并嚴格控制混凝土的坍落度。

4.3.2 預制模具清理控制要點

預制模具的清理是質量控制的要點，模具需要在鹽酸溶液中浸泡至少5 min，用清潔球清理模具上的雜物，用洗衣粉溶液浸泡模具并用毛巾清洗至少2次；晾干模具后，在表面涂抹3%的脫模劑。

4.3.3 混凝土澆筑質量控制要點

混凝土澆筑過程的控制要點及其主要步驟如圖2所示。

圖2 混凝土澆筑質量控制要點及主要步驟

裝配式構件養護是確保構件質量的重要工序，主要可采用蒸汽、熱拌混凝土熱模、遠紅外線養護3種養護方式。其中，蒸汽養護的時間較短，可以有效提高模板的周轉率，節約現場的施工空間，應用范圍較廣。

4.4 預制構件安裝程序

各個構件在機械吊裝就位后，應及時鋪設橡膠墊并擰緊螺母。構件的安裝程序見圖3所示。

圖3 構件的安裝程序

小型水工建筑物的構件一般采用小型吊機安裝，在安裝過程中應該確保構件在安裝過程中不發生碰撞和損壞，安放面保持清潔；構件的型號和位置確保一致后，檢查安裝完成后的構件是否已經和擱置面有緊密的接觸，最后減掉多余的橡膠墊。

5 結語

建筑裝配化技術的應用已經取得了良好的經濟效益，如何更好地發揮裝配式施工技術的技術和經濟優勢是建筑行業中重要的課題。本文以小型水工建筑物的裝配化技術的應用為例，研究裝配式的輸水渠道、涵洞和涵閘、倒虹吸、渡槽等具體參數的設計，具體分析了新型裝配式涵閘結構設計和質量控制的主要過程，以期為裝配化技術應用于小型水工建筑提供參考。