半圓形預應力砼渠槽生產技術研究與應用

席 陽

（中國水電建設集團朝陽風電開發有限公司，遼寧 北票 122100）

一、半圓形預應力砼渠槽生產設備

離心振動—半圓形預應力混凝土渠槽生產主要包括以下幾個系統：混凝土攪拌輸送與布料系統、渠槽骨架鋼筋加工系統、高強鋼絲預應力張拉系統、渠槽離心振動成型系統、蒸汽養護系統、拆裝模具系統等設備。

（一）混凝土攪拌輸送與布料系統

混凝土攪拌機采用強制式拌和機，由于引水渠槽所用混凝土要求強度高、水灰比穩定，所以在選用拌和機時要選擇計量精度高、攪拌均勻、攪拌速度快，特別是原材料和混凝土含水量采用自動檢測調整的自動化程度高的產品。攪拌完成的混凝土在輸送到離心機料斗可采用兩種方式，一是輸送帶方式適用于輸送短距離，正常氣溫（5℃～30℃）情況；二是料斗輸送方式（將料斗用架設的軌道運送至目的地，適用于長距離、保溫或防止水分散發的情況。攪拌好的砼通過8.5m長的“單懸臂皮帶輸送機”送入鋼模具內均勻布料。

（二）骨架鋼筋加工系統

渠槽鋼筋加工由兩部分組成，一是縱向預應力高強鋼絲，二是環向普通盤圓鋼。

鋼筋的選用：由于渠槽的截面積相對較小，為薄壁結構，跨度7m，抗撓性強，在選擇拉力筋（縱向筋）時要選擇強度高的預應力鋼絲。由于鋼絲張拉工藝采用先張法，縱向筋最好采用螺旋肋鋼絲或三面刻痕鋼絲，此種鋼絲與混凝土的握裹力強，不容易發生抽絲而喪失預應力現象。另外，為了提高鋼絲在恒應力下抵抗錯轉移位的能力，消除鋼絲冷拔過程中產生的殘余應力，提高鋼絲的比例極限、屈強比和彈性模量，并改善塑性，便于獲得良好的伸直性，方便施工，在選擇鋼絲時，應采用低松弛型預應力高強鋼絲作為縱向主力筋。而環向構造筋可根據荷載需要采用普通熱軋光圓鋼筋即可。

（三）高強鋼絲預應力張拉系統

砼渠槽架設后的撓度（即中點的最大下垂度）不得超過5mm，因此，渠槽縱向筋采用Ф5mm高強鋼絲，在設計長度的高強鋼絲上穿入2個高強鋼螺絲端頭，然后在高強鋼絲的兩端進行液壓機墩頭，將配筋固定在模具內進行預應力張拉，張拉設備采用液壓機及相應的卡具進行，張拉力控制在1177.5N/mm2，渠槽產品可滿足設計最大允許撓度要求。高強鋼絲張拉順序：0 → 105%σcon →95%σcon →σcon；實際張拉值與設計張拉值的允許偏差應控制在±3%之內。（詳見下預應力損失計算）。

（四）砼渠槽離心振動成型系統

1 主要設備

主要設備系統：攪拌系統、旋轉離心系統、喂料系統、振動系統、剎車系統、液壓、電器控制系統。

下料系統包括料斗、附著式振搗器、撥料器、螺旋下料四個部分；

離心系統包括離心電機、托輪及托架兩個部分；

喂料系統包括行走電機、電動滾筒、輸送皮帶及托架、行走軌道；

振動系統包括托架、液壓油缸、振動輪幾個部分；

剎車系統包括液壓油缸和剎車板兩個部分；

液壓系統包括液壓油泵、用于控制振動系統、剎車系統；

電器控制系統主要是一個電路控制柜，用于控制下料系統、離心系統、喂料系統。

2 技術參數

三種渠槽規格的振動離心機主要技術參數：

（1）主電機型號

YCTZ355-4A 55kW （φ350-φ500機）

YCT400-6A 75kW （φ600-φ950機）

YCT400-4A 110kW （φ1100-φ1550機）

（2）調速范圍

1360～140r/min（φ350-φ500機）

850～140r/min （φ600-φ950機）

1400～400r/min（φ1100-φ1550機）

（3）低速運行時間：不得超過1小時。

（4）離心機主軸轉速

1360～140r/min（φ350-φ500機）

850～140r/min （φ600-φ950機）

625～178.5r/min（φ1100-φ1550機）

（5）托輪直徑

Ф800 （φ350-φ500機）

Ф900 （φ600-φ950機）

Ф950 （φ1100-φ1550機）

3 機械設備的特點

與一般離心混凝土產品的生產設備相比，生產引水渠槽最大的區別為設計了低、中、高頻振動系統和模具結構的不同。由于半圓形預應力引水渠槽有嚴格的抗滲要求，而只通過高速離心得到的混凝土密實度達不到抗滲要求。為此，在渠槽離心過程中增加了高頻振動這一工藝。它通過中速離心外加振動輪產生高頻振動，使混凝土混合料在模具旋轉過程中加速合理分布，進一步提高混凝土的密實度和光滑度，降低輸水糙率，達到提高混凝土強度和抗滲性能和輸水能力目的。

實踐告訴我們在生產過程中，由于整個離心、振動機械系統都處在高頻振動狀態，他們所承受的壓力、摩擦力和碰撞力都非常大，因此，機械關鍵部位必須選用耐磨高強而韌性高的特種鋼材為部件加工原料，精密加工而成。振動油壓缸必須為耐振動型，可承受高頻振動。

（五）蒸汽養護系統

渠槽預制是一個批量生產過程，為了縮短砼的養護時間，便于模板的循環周轉利用，離心完畢后砼渠槽帶模具一同進行蒸汽養護。渠槽蒸汽養護14小時即可滿足拆模強度需求，蒸汽養護后脫模繼續在水池中養護渠槽產品，使其強度繼續提高達到設計強度的95%以上。蒸養池內應在幾個不同的部位布設測溫傳感器，對整個蒸汽養護池內的環境溫度作到有效監控，防止局部溫度過高，破壞渠槽。

圖1

（六）模板拆裝系統

渠槽與其他離心混凝土制品另一個不同點在于它是半圓開口型，它受力條件好，便于批量離心生產。渠槽是在圓形模具里進行的，在圓形管模內加設兩片閣板，靠閣板向模內伸出的鋼板長度，來控制渠槽管壁的厚度，蒸汽養護結束后，將鋼模和隔板拆掉即形成兩片半圓形（近于半圓，因為還有10mm閣板厚）開口渠槽。另外鋼模要符合JC364-86《預應力砼管鋼模》要求，主要技術參數如下：

1 鋼模筒體：（1）鋼模長度偏差±5mm；（2）鋼模內徑偏差±1mm。

2 跑輪徑向跳動≤0.5 mm，輪距偏差≤5 mm。

3 振動環徑向跳動≤2 mm，輪距偏差≤5 mm。

二、預應力砼渠槽設計

（一）技術要求

由于凈長7m的半圓形預應力離心混凝土渠槽產品，目前在國內還沒有現成的技術規范和參數、設計依據可尋，通過渠槽產品壓載試驗，逐步摸索出了半圓形預應力渠槽產品的長度、壁厚、砼標號、配筋、預應力等之間的力學關系，并通過生產實踐對設計上的不足又進行了多次的補充和完善，最終使半圓形預應力渠槽產品質量達到設計標準。各種型號渠槽尺寸如圖1所示。

（二）渠槽的配筋設計（以C350型為例）

1 預應力高強鋼絲配筋計算

已知條件：渠槽外徑D=430mm；內徑d=350mm；有效長度l=7000mm；Ec=3.25×104γ0=0.9；αc=0.5；

據公式bx·fcm=Ap·fpy，受壓區高度：

Ap單=19.6mm2；求約高強鋼絲根數為3根；

實配高強鋼絲總面積Ap=19.6×3= 58.8mm2。

2 抗裂驗算

該構件屬于一般要求不出現裂紋的構件，即裂紋控制等級為二級，αct=0.5，完成全部預應力損失后預應力鋼筋合力。

（1）在荷載短期組合下的抗裂驗算

σc-σpc=10.60-9.63=0.97N/mm2； αct·γm·ftk=0.5×1.35×2.41=1.65N/mm2；σc-σpc≤αct·γm·ftk滿足要求。

（2）在荷載長期效應組合下的抗裂驗算ψ=0.3

σk-σpc=6.61-9.63=-3.02<0，滿足要求

故縱向共配5根φk5剛強鋼絲，包括上部2根架立鋼筋。

（3）橫向配筋計算

D=430，d=350，板寬b=1000，計算混凝土受壓為正，受拉為負。

b=4 0；A=b·h=1 0 0 0×4 0=4× 104mm2

取φ=45°一般計算略，得出：

N合=rd（N水′+N自′+N標）=-1.2× （23.75+25.6+3×103）=-3659N

即φR5@3 0 0，AS實=1 9.6×3.3= 64.7mm2＞60mm2。

取φ=30°計算過程略，得出：

綜上所述φ=45°時渠槽所受拉力為最大，即所配鋼筋面積為最大，所有渠槽橫向筋按構造配筋即可。配筋狀態圖如圖2所示。

根據結構需要，在渠槽大小頭箍筋均加密，以改善端部受力狀態。各種型號渠槽配筋數量（見表1）。

另外，在實際生產過程中，通過加載試驗如發現部分型號的渠槽撓度過大，特別是直徑較小的渠槽要注意架載試驗觀察，如有撓度超過5mm時應再加設一根縱筋，使其撓度小于5mm，避免因撓度過大而影響渠槽質量。

三、預應力砼渠槽生產工藝

（一）渠槽生產工藝特點

首先簡要介紹一下引水渠槽離心振動混凝土的生產工藝流程，它與傳統離心混凝土制品成型有一個顯著的不同點，就是在布料過程中是伴隨著旋轉和振動雙重力進行的，另外還多了一個時段的中速振動工序，使混凝土的混合料在高速旋轉過程中混凝土料中的碎石、砂、水泥和水得到合理分布和更加密實。混凝土混合料合理分布在什么情況下為最佳？認為是通過高速旋轉結合高頻振動使各種材料產生向管模壁方向的離心力，由于各種材料的比重存在差異，它們在離心作用下沿著管壁外邊依次是碎石砂漿層、砂漿層向水泥漿層過渡的分布，形成了以粗骨料為骨架，水泥砂漿為填充黏結凝固的結構，使水在高速離心振動過程中逐漸被擠壓析出，接近于水泥實際水化反應所需水分，混凝土強度得到顯著提高。通過大量的試驗得出渠槽里邊的水泥砂漿厚度為2～5mm為最佳，水泥砂漿層的存在恰增加了管內壁的光潔度，提高了混凝土的抗滲性。

圖2

實踐證明：要想得到分布合理、水灰比小（未摻外加劑時為0.35～0.4，成松散狀，坍落度為10mm～15mm）而具有低流動性的高密實度高強抗滲混凝土，光靠一般意義上的成型工藝是很難達到技術要求的。為此，在旋轉離心作用力下又增加了高頻振動這一工藝，在低速旋轉布料過程中，通過振動加快了布料速度，混凝土通過中速離心加上高頻振動（每分鐘10000～20000次），使混凝土在模具內同時受到離心力、振動力、重力、粘著力、摩擦力等共同作用下，達到均勻合理分布且高密實度（將混凝土內部氣體迅速排除）的目的。最后再通過高速離心旋轉，使混凝土中多余水泥漿析出使渠槽內壁光潔度得到大大提高。

（二）砼配合比設計（以C350型渠槽為例）

1 計算試配強度

式中：

?cu，0——混凝土配制強度（MPa）；

?cu，k——混凝土強度為40（MPa）。

需要說明的是，在本工程技術規范當中規定密封用混凝土采用AA級（阿國規范級別）混凝土，水泥標號為42.5，用量不得低于400kg/m3。混凝土抗壓強度試驗塊為直徑160mm，高為32mm的圓柱體，每組三個試樣，7天和28天抗壓強度分別為21MPa、30MPa。

σ——混凝土強度標準差，為5。

2 粗集料

碎石最大粒徑Dmax=40mm（壁厚）×1/3=13.3，取15mm，采用3～8mm與8～15mm兩種碎石按1∶2進行調配，得到良好的連續級配碎石。

3 計算水灰比

式中αа、αь為回歸系數，分別為0.46、0.07；?ce為水泥標號強度42.5MPa。

4 確定用水量

混凝土坍落度按15mm計，根據試驗用水量為185kg/m3。

5 確定水泥用量

C=W/0.38=486.8kg/m3，取490kg/m3。

6 確定砂率

應按碎石的空隙率來計算，經試驗得出連續繼配碎石的密度為2.7kg/m3，容重rq為1.55kg/m3，空隙率為ΔG42.6%；砂為特細紗，細度模數為1.07，容重rs為 1.5kg/m3，密度為2.6kg/m3。

由此得出砂率Sp=α·rs·ΔG/（rs·ΔG+ rq）×100%=31.2%，取32%。

式中α為砂的撥開系數1.1～1.4，取1.1。

表1 各種直徑渠槽配筋表

表2 經過大量試驗得出各種型號混凝土配合比差異表

表3 部分型號渠槽安全超高

7 砼配合比

上述混凝土配合比完全可滿足強度和光潔度要求。

（三）離心成型操作步驟

1 開始操作前認真檢查所有設備狀況，并低速試車。

2 將綁扎鋼筋及張拉完畢的管模，吊運至離心托架上，檢查管模的各部位。

3 啟動離心機主電機，電機轉速為電機允許最低轉速，并將喂料小車喂料臂開到承口端。開始對下料系統。

4 檢查一切正常后，離心機操作手將振動輪通過換向閥手柄使它與管模振動環接觸。在振動輪作用下對承口進行低速布料，若料斗下料不暢，要啟動下料斗上的附著式振動器。整個喂料過程，必須伴隨著各部位的振動。

5 振動輪振動力的大小根據電流表和油壓來確定，使電流不得超過電機的額定電流。

6 振動結束后，將振動輪脫離管模，使電機速度逐漸提速至中速離心狀態，然后進行中速振動。

7 中速振動結束后，將離心機提速，進行高速離心環節，直至管壁光潔，在結束離心時為了減輕漿水對內壁的沖刷，應采用剎車。

8 高速離心結束后在吊運管模時，管模應輕吊輕放，嚴禁碰撞。

（四）蒸汽養護

渠槽成型后進入蒸汽養護環節。將成型好的管模放入蒸養池后，先靜養60min后，再逐步放蒸汽養護，必須嚴格控制升溫幅度，特別是第一個小時，必須控制在25℃以下，防止升溫過快造成混凝土干裂。利用150min左右時間逐步升溫至80℃～90℃，恒溫6小時（C350～C700型，大型號渠槽根據混凝土壁厚度相應增加）結束。夏季（氣溫高于30℃）要對混凝土采取降溫措施，防止混凝土失水過快造成布料成型困難。成型后將管模放入蒸養池可直接進行升溫蒸養，恒溫時間可適當縮短1～3小時。

（五）渠槽生產的質量控制

1 建立齊全的質量紀錄，工序跟蹤檢查紀錄，責任落實到人；

2 每套管模應按編號使用，不得混淆；

3 將渠槽進行編號、注明生產日期；

4 每個班組檢查混凝土質量，作7天和28天混凝土抗壓強度；

圖3（國外）灌溉主渠跨路倒虹吸向兩條支渠供水

圖4（國外）灌溉主渠穿越丘陵地區輸水

5 定期抽檢不同型號渠槽的抗裂性能和抗滲性能，以及撓度，判斷渠槽生產工藝是否存在質量缺陷；

6 制定渠槽檢驗標準，建立渠槽出廠檢驗制度，不合格品不準出廠。

四、半圓形預應力渠槽在灌溉工程中應用

渠槽型號的選擇：

引水渠一般分為三級：第一級為主渠，主要作用為從水源（水庫或河流）中引水，渠槽型號一般為C1100～ C1850mm；第二級為支渠，主要任務是從主渠取水輸送到灌區中的澆灌渠；第三級為毛渠，如果灌溉區域面積過大還可設第四級毛毛渠，支渠渠槽型號一般為C500～C1100，毛渠型號一般為C350～C500。

1 渠槽安全超高

與其他形式引水渠道一樣，半圓形渠槽輸水時也存在安全超高問題，為防止流水外溢，安全超高的尺寸一般為渠槽直徑的10%～15%，這種安全超高輸水運行不會產生涌水外溢。

2 渠槽型號的確定

根據地形測量資料和灌溉面積確定所需流量Q，然后根據下列公式計算各級所需渠槽的型號（截面半徑）：

其中：

Q表示流量m3/s，設計可知；S表示徑流截面m2，可求得；

R表示渠道截面半徑，用m表示；i表示坡率，設計可知；

n表示人工參數——渠槽粗糙度須小于0.015，取0.014。

這樣就可得出使用渠槽型號。

結論

離心振動——半圓型預應力混凝土引水渠槽產品，目前在國內是一項空白產品，還沒有生產技術規范和標準。歐洲國家將這種渠槽應用于農業灌溉工程已有多年歷史，該產品在現代化大農業引水工程中是一項很有實用價值且是一種節水型的農業水利產品，特別是在丘陵和溝壑地區，地勢高洼不平一般排灌溝工程是無法實現輸水灌溉，通過應用離心振動半圓形預應力砼渠槽來實現“由低位向高位，或高位經過低位向高位”區域輸水灌溉的目的，這種節水產品用于集約化農業灌溉顯示出了較好的優勢。該產品具有：適應于機械化規模化大批量生產，產品的生產效率高成本低特點，砼渠槽使用壽命可達50年，灌溉效率和效益可大幅提高等特性。渠槽應用實例圖片如圖3和圖4所示。

[1]周建.砼渠槽離心-振動成型機組及生產工藝研究和應用[J].水利水電施工，2007（03）：103-106.