新型混凝土鋼絲網薄殼水窖的設計及施工

鄭 勇 ，唐小娟

(甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

水窖在我國西部無集中供水條件的地區被廣泛使用，是用來收集和儲存雨水的關鍵性建筑物，其主要建設材料為混凝土，目前正在使用的混凝土水窖有930萬個[1]，主要用于飲用水之目的的人口約有300萬人[2]。西部地區使用的混凝土水窖大部分依據《雨水集蓄利用工程技術規范》GB/T50596-2010[3]，水窖窖體采用混凝土澆筑，窖體抗壓、抗拉強度依靠混凝土澆筑的厚度，一般情況下30 m3的水窖窖壁厚度要大于15 cm；防滲依靠在窖壁表面涂刷純水泥漿。根據對西部地區混凝土水窖使用情況普查，影響混凝土水窖破損的主要原因是窖壁滲漏和混凝土強度不夠。其缺陷主要表現在：①防滲處理主要依靠在窖壁表面涂刷純水泥漿。混凝土水窖成型蓄水后，水泥中的膠凝物會向水中逐漸析出，造成純水泥漿與混凝土窖壁分離，窖壁防滲效果降低，水從窖壁滲出后，窖壁后的黃土層遇水失陷，造成窖壁后空洞，窖壁失去穩定被拉裂，使水窖漏水，報廢；②窖蓋厚度大于20 cm，重量大，移動難，窖體只能人工開挖，窖壁施工需要模板支護，導致水窖造價偏高；③由于混凝土強度限制，水窖容積受限。通過對甘肅省會寧縣實際普查，結果表明：3年內，30 m3以上的水窖破損率為39.4%，且水窖容積越大破損率越高，因此當前黃土高原地區水窖容積一般都在30 m3之內。

1 設計思路與方法

1.1 設計思路

設計保留原水窖設計規范中水窖窖體的圓臺形狀和窖頂形狀，在窖體結構中創新性的加入焊接鋼絲網和錳鋼鋼絲網，旨在增加窖體的抗拉強度，減少混凝土用量；設計穩定的止水層，窖體結構更加穩定；設計注重機械施工，改變原來只能人工開挖的條件，達到降低水窖建造成本的目的。

1.2 材料與方法

(1)主要建筑材料選擇：混凝土選擇M10、C15、C20三種配合比的混凝土，鋼絲網選擇φ1.0 mm，網眼60 mm×60 mm的普通電焊鋼絲網；φ2.0 mm，網眼20 mm×20 mm的錳鋼鋼絲網。

(2)防水材料選擇：考慮到防水層的穩定性、阻水效果以及與混凝土和鋼絲網的結合性，設計選擇用純水泥漿作為防水材料。

(3)混凝土強度測試：水窖窖體采用鋼絲網混凝土材料，與混凝土材料結構相比，可增加窖體的強度。可對不同混凝土材料的軸心抗壓強度和軸心抗拉強度做水工測試。

(4)設計條件：我國西部黃土高原黃土層水窖開挖的地質條件為地震烈度VIII級。

2 設計方案與施工工藝

2.1 設計方案

混凝土水窖是雨水收集的核心工程，現有的設計方案和施工工藝受到材料的限制，水窖的容積也受到限制。新材料的應用，極大地改變了水窖的設計方案和施工工藝，降低了工程造價，延長了水窖使用壽命，增加了水窖容積。因此，設計之重點就落在了混凝土鋼絲網薄殼水窖的設計及施工工藝上。

窖體設計仍采用傳統的圓臺形[3]，容積為30～60 m3，邊坡比降0.05，窖壁采用M10水泥砂漿60 mm，中間防滲止水層采用水泥原漿，厚度5 mm。鋼絲網采用φ1.0 mm,網眼60 mm×60 mm的普通電焊鋼絲網，窖壁厚度65 mm。但在窖體防滲止水層上采用新的創新手段，即在鋼絲網的一面，采用水泥原漿，厚度5 mm。窖頂設計半球形，高徑比為1∶6，厚度200 mm，現澆C20混凝土，鋼絲網采用φ2.0 mm，網眼20 mm×20 mm的錳鋼鋼絲網。窖底設計半球形，現澆C15混凝土145 mm，中間防滲止水層采用水泥原漿，厚度5mm。鋼絲網采用φ1.0 mm，網眼60 mm×60 mm的普通電焊鋼絲網，窖底厚度150 mm。

2.2 施工工藝

混凝土窖蓋的施工工藝宜按照窖蓋的設計圖修建土質模型，建好后再鋪設塑料膜，澆筑C20混凝土100 mm，再鋪設鋼絲網，同時，澆筑C20混凝土100 mm，在表面鋪設塑料膜養護。窖壁的施工工藝則應分不同的窖體容積而定，例如，對于容積25 m3以下的窖體宜采用人工開挖，而對于25 m3以上的則宜采用挖掘機進行機械操作，同時，結合人工修邊。具體工序采用邊墻噴水，用木槌人工砸密實，砸實密度大于93%；用M10水泥砂漿抹面30 mm；加掛鋼絲網，用425號純水泥漿抹面5 mm；用M10水泥砂漿抹面30 mm；噴水養護24 h以上。施工要連續作業，則每道工序的間隔時間不得大于3 h。窖底的施工工藝也應按照設計圖紙確定開挖空間，按照3:7灰土夯填200 mm，澆筑C15混凝土100 mm，鋪設鋼絲網，并與窖壁鋼絲網連接綁扎，用425號純水泥漿抹面5 mm，用M10水泥砂漿抹面45 mm，噴水養護24 h以上。

3 技術指標分析

3.1 強度測試分析

通過水工測試， C20鋼絲網混凝土試件中采用普通電焊鋼絲網φ2.0 mm，網眼20 mm×20 mm的錳鋼鋼絲網，M10、C15鋼絲網混凝土試件中采用φ1.0 mm，網眼60 mm×60 mm的普通電焊鋼絲網。結果表明：不同混凝土材料的軸心抗壓強度變化不大，但軸心抗拉強度有較大的變化。M10、C15和C20的鋼絲網混凝土比混凝土的軸心抗拉強度分別提高了16.95倍、17.48倍、96.60倍。同時，與傳統混凝土鋼絲網混凝土的使用，與現有技術相比較，極大地增強了水窖窖壁、窖蓋的抗拉、抗剪強度，窖體更薄，只有原設計的65%，混凝土澆筑量減少了32%。

3.2 工程量分析

使用鋼絲網薄殼水窖，完全可以破解當前西部使用的水窖結構不穩定、易破損等難題，同時，在水窖材料強度上也有大幅度提高，完全可以滿足設計更大蓄水量的水窖之需求。通過對比傳統混凝土和鋼絲網混凝土薄殼水窖兩種不同結構形式水窖的工程量，通過30、40、60 m3等三種蓄水容積，計算結果表明：盡管兩種形式的水窖開挖土方量相同，但在混凝土用量方面，新設計比原設計減少混凝土用量32%，而且窖頂重量比原設計減輕20%，新設計容易增加吊掛點；同時，新設計增加了鋼絲網的用量，原設計有模板用量。窖頂重量只有原來的80%，而且使用鋼絲網后，窖頂著掛點多、強度大、容易吊裝。窖體的開挖采用機械開挖，人工修邊的方法，節省了施工費用。建窖成本比現有技術減少26%。

3.3 造價影響分析

以2017年10月在甘肅省會寧縣翟家所鄉張城堡村修建的30 m3水窖為例，進行材料和施工等單項指標的工程量單價分析。計算結果表明：材料費較傳統混凝土設計降低4.6%，但新型混凝土鋼絲網薄殼水窖的設計卻比傳統水窖的建造費用要節省37.3%，剖其主要原因在于，傳統混凝土水窖設計只能采用人工開挖的施工方式，而新型水窖設計則可采用機械開挖、機械吊裝的機械化作業方式，而且隨著社會經濟不斷發展，勞動力價格指數不斷上漲，人工開挖水窖將會成為歷史，機械化作業則是發展趨勢。

4 推廣應用效果

會寧縣位于甘肅省中部，屬黃土高原丘陵區，水資源短缺，地下水礦化度高，流域內無可利用地表水資源，利用水窖集雨為唯一可利用的飲用水水源。全縣總人口58萬，有40萬人使用水窖[5]，水窖建設類型在我國西部地區有典型代表性。自2008年開始，在這里建立集雨飲用水安全保障示范區，研究和推廣一些先進的適用技術。在集雨水量安全保障的研究中，選擇該縣的翟家所鄉、會師鎮、柴家門鄉、新添堡鄉、老君坡鄉、太平店鎮等6個鄉鎮為主要研究對象，開展現狀調研，主要摸清了707戶家庭的集雨飲用水背景狀況，逐戶測量了集流面面積、水窖容積和水窖破損情況。調查表明：調查水窖共計2 106眼，正在使用的水窖為1 277眼，已破損不能蓄水的水窖為829眼，水窖破損率39.4%，其中水窖建成使用3年內破損的有703眼，占到總破損85%，水窖容積為15～30 m3，容積越大破損率越高，究其破損的主要原因是傳統設計的水窖在止水、防止滲漏環節存在重大技術缺陷，農戶在水窖施工環節不容易完全控制施工工藝環節所致。

2015年3月，在會寧縣翟家所鄉張城堡村修建30、40、60 m3三種容積的新型混凝土鋼絲網薄殼水窖。截至2018年3月，水窖連續蓄水3年，每個水窖空窖、復蓄水4次，運轉良好，滿足推廣應用的條件。通過推廣示范，新型混凝土鋼絲網薄殼水窖具有的優點包括：造價低，水窖成本組成中材料費約占總成本的30%，工費成本約占總成本的70%。由于新技術采用機械化施工，減小了勞動強度，降低了水窖的建設成本；水窖所需材料通用，大多數縣以上及地區都可以采購到，方便購買；施工簡便，施工中不需要專業工具、模具等，也降低了建筑成本，一般泥瓦工匠都可以實施；防滲使用純水泥漿，設在窖壁中間，防滲效果比現有技術更穩定、更好；考慮到在西部農村實施，該項技術盡可能地將復雜的技術簡單化，不需要復雜的技術培訓，做到了廣大農戶“一看就會”，便于推廣。

5 結 語

我國西部地區正在開展的新農村建設中，美麗鄉村、海綿村鎮等項目正在推進，其中水環境建設中的 蓄水建筑物將是重點。截至2017年12月底，甘肅省還有93萬人，21萬個家庭利用水窖收集雨水解決飲用水安全問題。水窖是關鍵性的蓄水設施，由于多種原因，農戶正在使用的水窖破損嚴重，蓄水量減少，各用水戶的水量安全不能保障。在原有水窖設計基礎上發展起來的鋼絲網混凝土薄殼水窖解決了原設計的技術缺陷，有效地解決了水窖在窖壁的防滲、抗拉強度、機械化施工的技術難點，發展前景廣闊。

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