新型裝配式渠槽在農田水利工程中的應用

劉長順 張景奎 鄭繼 吳超

摘要 為響應和貫徹國家大力發展裝配式建筑的精神，引領裝配式結構更快更廣的服務農田水利建設。從材料選用及性能、結構設計、模具制作與生產、施工工藝和質量管理等方面系統闡述了新型裝配式渠槽在農田水利工程中應用技術，以期為新型渠系裝配式建筑物應用技術革新與發展提供有益參考。

關鍵詞 新型;裝配式渠槽;農田水利;應用技術

中圖分類號 S-274文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）11-0194-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.11.052

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Application of New Type Assembly Channel in Irrigation and Water Conservancy Project

LIU Chang-shun1，ZHANG Jing-kui2， ZHENG Ji1，2 et al

（1.Anhui Construction Engineering Quality Supervision and Testing Station，Bengbu，Anhui 233000;2.Water Resources Research Institute of Anhui and Huaihe River Commission， Bengbu，Anhui 233000）

Abstract In order to respond to and implement the national spirit of vigorously developing prefabricated buildings， it leads the prefabricated structures to serve the construction of irrigation and water conservancy more quickly and widely.This paper systematically expatiates the application technology of new-type prefabricated canal in farmland water conservancy project from the aspects of material selection and performance， structure design， mold making and production， construction technology and quality management， in order to provide beneficial reference for the innovation and development of new-type prefabricated canal building application technology.

Key words New-type;Assembly type flow channel;Irrigation and water conservancy;Application technology

作為建筑工業化的產物，裝配式生產技術在許多發達國家已成為最重要的建筑技術。裝配式結構能夠保證工程質量、提高施工效率、降低對周圍環境的影響，能夠最大限度地做到“四節一環?！?，使得裝配式混凝土構件的工程應用優勢十分突出[1-4]。目前，國內預制裝配式結構在農田水利工程中應用尚處于研究階段，在工程應用中涉及裝配式建筑物的材料選擇、結構形式、連接方式、施工工藝及質量管理等方面尚缺少標準規范，且存在較多的工藝技術難點，導致推廣應用難以實施[1，3-5]。近年來，政府及相關部門號召“大力發展裝配式建筑”。2016年，國務院在關于印發“十三五”節能減排綜合工作方案的通知中提出大力發展裝配式建筑，推動產業結構調整升級。2017年5月，中國水利學會召開“預制混凝土制品技術創新與應用研討會”，裝配式混凝土制品在水利工程領域中的研究與應用受到高度關注[1]。為響應和貫徹國家和安徽省“大力發展裝配式建筑”的精神，引領裝配式結構更快更廣的服務農田水利建設，對新型渠系裝配式建筑物在農田水利工程中的應用技術進行嘗試和探索顯得尤為迫切和重要。

1 研究現狀

目前，裝配式混凝土結構在建筑領域發展極為迅速，水利工程領域中的應用在20世紀60年代雖有嘗試，但隨后相關研究曾一度停滯，直至1993年國家科技委把“農田水利裝配式建筑物技術”列為國家級科技成果重點推廣計劃，裝配式混凝土結構在水利工程領域中的研究與應用才重新得到重視[4]。20多年來，在小型農田水利裝配式建筑物技術的研究和推廣上，國內學者做了一些探索性的工作[4-5]。2016年江蘇省高郵市在傳統田間工程裝配式建筑物基礎上，研制了新型復合的板材、高溫壓制等較先進的技術，一定程度上推進了裝配式渠系建筑物應用進程[6];2017年張少卿[5]通過理論計算對田間裝配式涵閘進行了設計定型，并對裝配式建筑物的混凝土材料配合比選用進行了初步的探析;2019年韓廷超[7]從結構優化設計、材料選用、安裝過程及質量控制等方面對一種新型的田間裝配式涵閘的應用進行了闡述;2020年趙艷[6]針對小型渠系水利工程裝配式建筑，從結構、材料和評價指標等方面進行了研究和探討?？偟膩碚f，渠系裝配式建筑物的應用技術已成為農田水利領域研究與開發的新熱點，尤其在建筑物的結構設計與連接、建筑材料選擇與優化等方面取得了長足的進步，在我國有著極為廣闊的應用前景。為此，筆者結合所研發的新型裝配式渠槽，從材料選用及性能、結構設計、模具制作與生產、施工工藝和質量管理等方面進行系統的探討，以期為新型渠系裝配式建筑物應用技術革新與發展提供有益參考。

2 研究內容

2.1 材料選用及性能

2.1.1 材料選用。

我國正在大力倡導生態節能、資源綜合利用的建筑材料應用與研發，綠色環保且物理力學性能良好的廢舊橡膠纖維混凝土備受關注[2]。橡膠纖維混凝土，是以普通混凝土為基材，按照一定比例摻入橡膠集料和纖維，經過凝結硬化而制成的一種工程復合材料。橡膠顆粒（圖1）的摻入可以顯著改善混凝土的脆性，使混凝土在外荷載作用下表現出明顯的延性，同時可以提升混凝土的抗沖擊、耐沖磨、防滲等性能，聚丙烯纖維（圖2）對混凝土具有阻裂、增強增韌的作用，將兩者按一定比例摻入，能夠揚長避短，綜合發揮各自在增強混凝土性能方面的優勢。此外，橡膠的摻入可緩解天然砂的過度開采和隨之而造成的日益嚴重的環境和生態問題。亦能有效解決廢舊橡膠處理的難題，減輕了資源和環境壓力，起到了資源節約和環境保護雙重作用，已成為當前國內外研究的熱點。橡膠纖維混凝土的性能特點特別適用于小型渠系裝配式建筑物，在現代農業發展和高標準農田建設中將具有極為廣闊的應用前景。

2.1.2 性能研究。

通過一系列的模型試驗，深入探究橡膠纖維水工混凝土基本力學性能和耐久性能，為橡膠纖維水工混凝土理論設計及工程應用提供有價值的參考。

該研究采用正交試驗方法進行橡膠纖維水工混凝土的基本力學性能試驗和耐久性試驗，包括抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度試驗、抗滲性能和抗凍性能等，分析影響橡膠纖維水工混凝土力學性能的主要因素以及橡膠參量、橡膠粒徑和聚丙烯纖維摻量對混凝土主要力學性能和耐久性能的影響規律，采用層次分析法解決了橡膠纖維混凝土多指標正交試驗設計最優方案選擇的問題。確定了橡膠纖維水工混凝土的最佳配合比。采用層次分析法所選出的最優配合比見表1。

2.2 結構設計 目前，明渠渠道之間最常見的連接方式為平口對接，一般是分塊安裝，接縫多，易產生開裂、錯位，進而出現滲漏現象，嚴重影響了工程使用壽命[1，5]?，F有的承插式帶肋結構和搭接式結構，雖然抗滲漏效果有了一定的提高，但由于結構缺陷很可能會出現局部張嘴現象;另外，承插式帶肋混凝土U形渠道因橫向肋梁的存在，開挖難度較大，使施工成本增加[1]。因此，為保證裝配式襯砌渠道內壁面能在渠道縱向上連續且光滑，防止槽片錯動是新型裝配式渠槽應用技術研究的重點。

為解決傳統結構拼接技術的不足，基于理論計算和工程實踐綜合分析，筆者對新型裝配式渠槽進行了結構設計[8]：最佳斷面采用半圓形加直線段的斷面形式，直線段高度為半圓形直徑的1/3～1/2，外傾角取12°;渠槽生產長度為1.5 m;拼接采用一種結構簡單，制作成本低，抗變形能力強，能夠增強渠道橫向連接的整體性，提高抵抗地基不均勻變形的能力的新型止水連接形式，該結構形式包括渠槽、止水槽、橡膠止水條、拼接縫填料、承插孔、套環和尼龍銷（圖3）。渠槽一端截面設有止水槽和承插孔，另一端僅設承插孔;承插孔在渠槽端部截面底部左右兩端各設一個，并內置套環;止水槽內填充橡膠止水條;建渠槽之間通過將兩個尼龍銷分別插入承插孔內連接;銷子與兩渠槽承插孔頂部均留有一定的空隙。渠槽之間預留的20 mm的空隙通過拼接縫填料填充。建筑物端部截面底部左右兩端設置的承插孔，內置套環，套環的設置可以減少渠槽端部薄弱部位的碰撞破損。套環端部和中后部各設置一個凸起薄片，凸起薄片可以增大與混凝土的握裹力。止水槽內填充橡膠止水條，遇水膨脹后可以有效填充拼縫間的空隙，使得止水效果明顯增強。建筑物之間通過將兩個尼龍銷分別插入承插孔內連接，銷子與兩渠槽承插孔頂部均留有一定的空隙，既可滿足渠槽的縱向變形需要又可避免銷子與建筑物的接觸破壞;渠槽之間的空隙通過柔性拼接縫填料填充，進一步提高了渠槽之間因基礎沉降而產生的豎向變形能力。

2.3 模具制作與生產

根據完成的小型渠系裝配式結構設計圖集，通過與相關科技企業進行合作，按照模具設計制作的基本要求，設計制作了裝配式渠槽的生產模具。

為降低產品在運輸過程中的破損率，提高工程的施工質量，結合現有資料和工程實際中混凝土強度等級、耐久性和工作性等要求，采用混凝土抗壓強度不得低于30 MPa。混凝土配合比設計方法參照標準[9]規定執行，渠槽澆筑參照表1中配合比進行，渠槽生產的工藝流程見圖4。

2.3.1 模板清理與組裝。

用灰刀、角磨配扭力鋼絲輪（或者手持鋼絲刷）等工具清除模板表面殘渣。在模板內刷（噴）脫模劑，保證均勻且不流淌、不積液。模具應規格化、標準化、定型化。模具組裝宜采用螺栓或者銷釘連接。模具組裝完成后尺寸允許偏差應符合相應要求。

2.3.2 鋼筋綁扎。

鋼筋骨架應按設計圖紙或者技術部門調整的圖紙加工制作，綁扎時在鋼筋骨架邊緣采取兜扣或花扣的方式綁扎，鋼筋骨架應能保證綁扎牢固不易變形，吊運（搬運）鋼筋骨架要求輕起輕放、平起平放，鋼筋骨架制作偏差應符合相應要求。

2.3.3 混凝土澆筑與養護。

澆筑前必須由質檢人員對模具、鋼筋及各類預埋件、預埋孔洞檢查完畢符合澆筑條件后才能澆筑并形成記錄，成型設備的振搗能力和方法應滿足施工要求?？刂茲仓r間，澆筑完混凝土先用塑料抹子進行粗抹平，采取耐高溫防水苫布覆蓋及定制養護罩等方式養護。

2.3.4 脫模與吊運。脫模前進行強度鑒定，要求一般不低于設計75%，脫?；炷翉姸茸畹蛻恍∮?5 MPa。強度達到設計要求后，可進行吊運環節。

2.4 施工工藝

新型渠系裝配式建筑物的施工安裝主要工序包括：填土碾壓、開挖、鋪設安裝（含墊層）、注膠嵌縫、靜水試驗、土方回填和壓頂鋪設。施工工藝見流程圖（圖5）。

2.4.1 填土碾壓。

對于填方渠道，填方前應清理槽底。填土碾壓高度一般要求至渠深的3/4處，便于安裝且節省碾壓方量。剩余部分土方，待安裝結束后，整理填平。填土碾壓時，注意頂面平整，以保證渠槽開挖準確。根據相關標準[10]填土壓實度不宜小于0.93。

2.4.2 基槽開挖?；坶_挖時要嚴格控制斷面尺寸和高程，并保證基底面的設計坡降。在土方開挖前要先放開挖線，按開挖線開挖，盡量避免超挖。開挖基槽共分4道工序：①標中心線。②放點測量：按設計高程每隔20 m在渠底測放“標準塊”，并在一側掛線控制渠線順直。③開挖：根據放好的中心線及其高程，確定初步開挖的寬度和深度。④精修：兩樣架之間由上而下掛線精修，直至挖出設計的渠槽，設計土槽的上口寬度一般比構件需要寬40～100 mm。

2.4.3 鋪設安裝。

每30～50 m在基槽側面設高程控制樁，兩高程控制樁之間設控制線，控制U型渠平面和側邊。按設計要求鋪設碎石或素混凝土墊層。U型槽安裝擬從下游向上游進行?；炷罸型槽放入基槽后，按控制線校正混凝土U型渠側面，并用水平尺橫向校正平面。相鄰U型槽應預留寬20 mm左右的間隙，按此鋪設后待U型槽基本穩定，再進行校正，符合要求后兩側及時回填部分土方臨時固定。

2.4.4 注膠嵌縫。

施工前可采用鋼絲刷、吹風機、刷子等工具將縫內雜質、浮灰等清理干凈，對粗糙、破損表面須打磨修補平整并保證縫面基層干燥。在縫口兩側混凝土表面粘貼不粘紙條，以防嵌填的密封膠涂在兩側混凝土面上而影響外觀。注膠施工機具可采用600 mL大容量施膠槍，也可采用刮刀刮抹施工。施工程序為先刮注縫兩側，然后刮注中間，并反復擠壓直到做平，施工時要防止帶入氣泡。待表面修飾完成后， 將縫口兩側的不粘紙撕去?？p隙要填滿，壓平，抹光。密封材料表干固化前要注意防護，防止水分進入，靜水試驗宜在7 d后進行。

2.4.5 靜水試驗。渠槽抗滲性能測試參照相關標準[10-11]中關于渠槽抗滲測試方法及評定標準進行。具體測試方法如下：

（1）選擇渠段。渠槽安裝、嵌縫完成后，選擇順直完整、斷面規則的具有代表性的渠段，同一型號規格的渠槽一般不少于10節，在渠段梁端修筑橫隔堤，橫隔堤必須穩固、嚴密止水和防止滲漏變形。

（2）注水試驗。往渠段內注水進行試驗，注水高度為槽深度的3/4，注水24 h后，觀測槽身外壁滲漏情況。

（3）判定標準。用百格網法測量外壁滲水潮片面積，外壁潮片面積小于外壁總面積5%，且無水珠流淌，則判定為合格。

2.4.6 土方回填。待渠道注水試驗完成后，回填土方，渠槽兩側回填土施工應同時進行，并嚴格控制分層厚度，采用自制木夯人工夯實。土料填筑時，去除回填土料中不能用于回填的含植物根須、雜物、有機物和易碎易腐物質，包括粗礫砂、礫卵石等。當填土料含水量大于最佳含水量時，可在渠道外翻拌晾曬;當含水量不足時，可灑水補充，使填土達到最佳含水量的要求，確保達到設計壓實度標準。

2.4.7 壓頂鋪設。

壓頂形式一般有磚砌壓頂、預制混凝土條壓頂、現澆砼壓頂等。壓頂尺寸應按設計尺寸要求進行施工控制。壓頂施工應保證其穩固。磚砌壓頂應采用水泥砂漿抹面。壓頂施工前先測量放樣，平整兩側回填土面層至設計標高，回填土要確保夯實至設計壓實度。壓頂鋪設應表面平整、接口對齊、坡度一致、勾縫飽滿，嚴防滲漏?，F澆壓頂，每隔5～8 m設一條伸縮縫，根據設計要求做好填縫處理。有預留出水口要求的U型槽，需要根據要求預制。

2.5 質量管理

2.5.1 質量檢測。在農田水利工程建設中，裝配式建筑物骨料粒徑、壁厚及工作性能與常態混凝土構件有較大差異。由于其壁厚較薄，在對其彈擊過程中會存在顫動，彈擊能損失較大，因此，現行的回彈法、超聲回彈綜合法以及標準尺寸的鉆芯法均不適用于該類構件實體強度檢測。目前，對于預制薄壁構件實體質量檢測，尚無相應的國家或行業標準可以遵循，缺乏有效的檢測和評判依據。因此，在實際工程中，除了通過檢測同期混凝土試塊強度來間接反映薄壁混凝土構件的質量外，對于渠槽等薄壁構件的檢測方法主要是采用內、外壓破壞試驗，這種方法得到的是混凝土構件的抗折強度，并不是構件實體的抗壓強度，而混凝土抗壓強度是反映混凝土工程質量及保證工程安全性及耐久性的核心指標[12]。當前，對于薄壁混凝土構件尚無有效的檢測方法與質量評價標準的現狀，嚴重制約了農田水利工程建設的規范、有序推進。

鑒于以上分析，預制薄壁混凝土構件除應滿足強度設計要求外，還需結合使用功能及特點，具備一定的抵抗外荷載和防滲的能力，同時，預制渠槽構件還應滿足結構尺寸和外觀質量的要求。研究內容包括：

（1）基于模型試驗，研究在同等條件下小直徑芯樣強度和后錨固拔出力分別與標準試塊強度之間的換算關系，進而推定了薄壁結構實體混凝土強度。

（2）根據相關標準和渠槽構件現場檢測情況，對預制渠槽構件的外壓強度和抗滲性能的檢測方法和質量標準進行研究，并提出了預制渠槽和板塊構件尺寸與外觀質量的檢測方法及評定標準。

2.5.2 質量評價。

近年來，由于小型渠系水利工程裝配式建筑物發展時間較短，技術體系不夠成熟、缺乏相應的實踐經驗，設計、生產和施工單位的質量管理水平千差萬別，裝配式建筑工程質量參差不齊，目前仍存在新材料開發應用不全面、結構形式不標準、構件規格欠統一、裝配質量有待提高、缺乏統一的評價指標體系等問題，從而制約了水利裝配式建筑的進一步推廣應用[13-14]。目前，關于裝配式建筑物的產業標準、評價標準等文件相繼頒布，但是大都是關于房建和城市建設，可水利裝配式建筑與房建影響因素不同，評價標準體系文件不能直接運用。當前在水利裝配式工程方面的評價標準體系尚屬空白。基于目前裝配式水利基礎事業建設在我國的發展現狀和趨勢，現階段迫切需要順應新形勢，站在行業發展的角度，從小型水利建筑物的特異性中找到共性并提煉出標準化、系列化成果，建立一套適合水利行業的裝配式評價體系，制定并實施統一、規范的評價標準。這對規范我國水利行業工業化建筑評價，促進傳統的建造方式向現代水利工業化的建造轉變，推進水利建筑工業化的持續健康發展，具有重要的引導作用。

該研究采用理論分析與實例驗證相結合的研究方法，結合小型渠系裝配式水利工程的特點，對小型渠系裝配式建筑物質量評價進行研究，以期能夠構建標準化、系統化的質量評價體系，為小型水利裝配式建筑建造質量的評價提供一種新的思路。首先，采用系統工程的思想，根據小型水利裝配式建筑物質量形成過程，并結合事前、事中、事后三階段質量控制原理和過程理論，分別從生產準備、生產過程、生產后檢驗、運輸及堆放管理、裝配準備、裝配過程、裝配后驗收等方面，采用實地調研、專家訪談、文獻書籍及標準規范等方法識別出質量影響要素。在此基礎上，確立全面系統的小型渠系裝配式混凝土建筑物建造質量評價指標。然后，根據質量評價特點，針對不同層級指標的內涵及特征，采用層次分析法對其賦權，并與多級模糊綜合評價方法相結合，充分反映出建造全過程各階段質量狀況。最后，將小型渠系裝配式混凝土建筑物質量評價的綜合理論方法應用到試驗段建設工程中，進行實例分析和研究，驗證本項目所構建的綜合評價方法的科學性和可行性。

3 結論

（1）通過系統闡述新型裝配式渠槽在材料選用及性能、結構設計、模具制作與生產、施工工藝和質量管理等方面研究內容與應用技術，能夠為小型水利工程建設的技術變革和水利行業建設技術水平的發展提供有益參考和借鑒。

（2）水利裝配式混凝土建筑物尚處于發展初級階段，后

續的研究工作中可考慮更多的建筑物，同時對于裝配式建筑物的節點設計、連接方式以及拼縫防滲處理等還有待進一步深入研究。

（3）當前水利工程建設中迅速發展的新材料、新設計、新工藝為水利裝配式結構的研究提出了新課題，在材料選擇、結構設計，生產和施工工藝等方面都將跨入一個嶄新的發展階段。

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