小型水工建筑物裝配式施工技術(shù)研究

王海龍

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)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(shù)誕生于20世紀(jì)初，該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑工程工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)十分重要的技術(shù)手段[1]。該技術(shù)主要是綜合考慮施工制作和運(yùn)輸?shù)纫蛩兀瑢ㄖ镞M(jìn)行合理的拆分和設(shè)計(jì)，然后將傳統(tǒng)的整體建筑拆分成若干個(gè)相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，對各構(gòu)件進(jìn)行預(yù)制，最后，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場進(jìn)行拼接安裝，從而構(gòu)建結(jié)構(gòu)完整、質(zhì)量合格的建筑物[2，3]。如今，裝配式施工技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在我國的建筑領(lǐng)域，尤其適用于規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)組合化、生產(chǎn)工業(yè)化的建筑工程中。小型水工建筑物的規(guī)模較小、應(yīng)用廣泛、數(shù)量較為龐大，將裝配式技術(shù)應(yīng)用于小型水工建筑物中可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的建設(shè)目標(biāo)。

為了更好地將裝配式技術(shù)應(yīng)用于水工建筑物的施工中，本文梳理裝配式技術(shù)的主要優(yōu)勢，對裝配式輸水渠道、涵洞和涵閘、倒虹吸、渡槽等構(gòu)造進(jìn)行研究，以新型裝配式涵閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制為例對裝配式設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行具體的分析。

2 裝配式技術(shù)的優(yōu)勢

和傳統(tǒng)的建筑技術(shù)方式相比，裝配式技術(shù)可以明顯提高施工效率和經(jīng)濟(jì)效益，其主要優(yōu)勢主要包括[4，5]：

1）施工精度高，工程質(zhì)量好。由于裝配式構(gòu)件是在工廠加工，生產(chǎn)環(huán)境較好，可以保證構(gòu)件的精密度，并且明顯提高混凝土澆筑、振搗和養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量。

2）可以減少原材料及能源消耗。生產(chǎn)和加工過程可以明顯減少鋼材、混凝土、燃油的消耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)可以節(jié)約大概15%的原材料。

3）有利于提升施工效率，節(jié)約成本。裝配式構(gòu)件在工廠內(nèi)可以依托機(jī)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(chǎn)加工過程的時(shí)間，節(jié)約了項(xiàng)目的造價(jià)。

4）施工周期較短。裝配式技術(shù)的施工流程可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流、清基、預(yù)制等工序的平行作業(yè)，預(yù)制構(gòu)件直接吊裝至施工現(xiàn)場地后直接進(jìn)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(xiàn)場施工時(shí)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(shè)計(jì)

3.1 裝配式渠道設(shè)計(jì)

3.1.1 渠道斷面形狀的選擇

渠道設(shè)計(jì)流量在1~5 m3/s時(shí)，為了有利于機(jī)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(shù)

梯形斷面渠道的邊坡系數(shù)根據(jù)邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算，考慮到工程量和成本，邊坡系數(shù)一般取1~1.5，對于土質(zhì)條件較差的區(qū)域，邊坡系數(shù)可取2~2.5。

3.1.3 渠道糙率系數(shù)

渠道糙率系數(shù)是反映渠床粗糙程度的指標(biāo)，可根據(jù)渠道的護(hù)面、施工、養(yǎng)護(hù)等情況確定。

3.1.4 渠底縱坡比降

渠底縱坡比降由工程區(qū)域的地形、地貌、土質(zhì)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(yán)重；反之，當(dāng)渠底縱坡比降較小，水流流速較小時(shí)，可以減少沿程的勢能損失，但會因此加大渠道內(nèi)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(yīng)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?dāng)嗝婷娣e最小的方案。在含沙量較小、渠床的土質(zhì)狀況不良、流量較大的情況下，優(yōu)先選擇寬淺式的渠道。

3.2 裝配式倒虹吸的設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2.1 斷面形式

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，應(yīng)在總水頭的損失小于或等于渠道系統(tǒng)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(zhì)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(yīng)用在高水頭、小流量的水利工程中，一般工程項(xiàng)目受力條件和水利條件較好時(shí)，優(yōu)先選擇該形式；后者主要應(yīng)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(yīng)用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 豎井式和斜管式布置的應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)

3.2.3 進(jìn)出口段的布置

以流量≤5 m3/s的倒虹吸為例，根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范[6]，在該流量下選擇采用單管布置的裝配式倒虹，進(jìn)出口段僅設(shè)置攔污柵，管身直接伸入胸墻內(nèi)，不設(shè)置喇叭口，如圖1所示。

圖1 箱型倒虹吸布置構(gòu)造圖

3.3 裝配式渡槽的設(shè)計(jì)參數(shù)

槽底縱坡的大小直接決定了槽身過水?dāng)嗝娴男问胶退魉伲v坡的偏大時(shí)，可以減少工程量和工程成本，但同時(shí)也會加大水頭的損失，降低渡槽的輸水效率。經(jīng)過工程實(shí)踐可知，一般槽內(nèi)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

小型裝配式涵洞上下游的水位差較小，洞內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(shí)持續(xù)保證無壓流狀態(tài)，保證洞內(nèi)的流量和水深始終保持穩(wěn)定，要確保洞內(nèi)的水面始終保持一定的凈空高度。

4 新型裝配式涵閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和質(zhì)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(jié)構(gòu)相對簡單，主要包括進(jìn)口首部、洞身、進(jìn)出口連接段3部分。

4.1 裝配式涵閘構(gòu)件拆分原則

對涵閘進(jìn)行科學(xué)的拆分是裝配式設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，對預(yù)制構(gòu)件的加工、運(yùn)輸、安裝有直接的影響。構(gòu)件的拆分原則：對于平面形狀應(yīng)該簡單、規(guī)則、對稱；豎向布置規(guī)則且均勻；構(gòu)件劃分遵循受力合理、連接簡單、少規(guī)格、多組合的原則。

4.2 裝配式涵閘構(gòu)件的連接

預(yù)制混凝土的結(jié)構(gòu)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(jī)械套筒等連接方式；濕連接主要有底模現(xiàn)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?jīng)Q定了涵閘的穩(wěn)定性、耐久性、止水效果等方面，構(gòu)件連接時(shí)，可以輔以橡膠墊進(jìn)行止水并減少剛性接觸確保連接的耐久性。主要的構(gòu)件連接方式見表2。

表2 構(gòu)件連接方式

4.3 構(gòu)件預(yù)制工藝質(zhì)量控制

4.3.1 混凝土拌和控制要點(diǎn)

首先，應(yīng)在混凝土原材料進(jìn)場后及時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)，確保材料合格；要嚴(yán)格按照配和比進(jìn)行混凝土的配制，推薦采用強(qiáng)制式拌和機(jī)拌和混凝土，攪拌時(shí)間應(yīng)≥3 min，并嚴(yán)格控制混凝土的坍落度。

4.3.2 預(yù)制模具清理控制要點(diǎn)

預(yù)制模具的清理是質(zhì)量控制的要點(diǎn)，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(zhì)量控制要點(diǎn)

混凝土澆筑過程的控制要點(diǎn)及其主要步驟如圖2所示。

圖2 混凝土澆筑質(zhì)量控制要點(diǎn)及主要步驟

裝配式構(gòu)件養(yǎng)護(hù)是確保構(gòu)件質(zhì)量的重要工序，主要可采用蒸汽、熱拌混凝土熱模、遠(yuǎn)紅外線養(yǎng)護(hù)3種養(yǎng)護(hù)方式。其中，蒸汽養(yǎng)護(hù)的時(shí)間較短，可以有效提高模板的周轉(zhuǎn)率，節(jié)約現(xiàn)場的施工空間，應(yīng)用范圍較廣。

4.4 預(yù)制構(gòu)件安裝程序

各個(gè)構(gòu)件在機(jī)械吊裝就位后，應(yīng)及時(shí)鋪設(shè)橡膠墊并擰緊螺母。構(gòu)件的安裝程序見圖3所示。

圖3 構(gòu)件的安裝程序

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

5 結(jié)語

建筑裝配化技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，如何更好地發(fā)揮裝配式施工技術(shù)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢是建筑行業(yè)中重要的課題。本文以小型水工建筑物的裝配化技術(shù)的應(yīng)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(shù)的設(shè)計(jì)，具體分析了新型裝配式涵閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制的主要過程，以期為裝配化技術(shù)應(yīng)用于小型水工建筑提供參考。