新型裝配式涵閘在農田水利工程規劃設計中運用分析

仲 凱 楊曉飛

(鹽城市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 鹽城 224000)

引言

自環境保護、節能減排上升至國家戰略高度后，裝配式建筑形式受到廣泛關注和使用，當前，此類建筑形式在農田水利工程中發揮著越來越重要的作用。通過應用新型裝配式涵閘，能夠縮短工程、降低成本的同時，減少環境污染，增強工程社會效益。為更好推進新型裝配式涵閘，對其運用要點進行分析是必要的。

1 探討農田水利工程規劃設計中新型裝配式涵閘的運用意義

農田水利工程作為兼具經濟效益和社會效益的重要工程，其建設質量對解決周邊用水和灌溉等問題以及社會發展具有重要意義。以往傳統涵閘建設主要是現場澆筑，具有較多濕作業，不僅施工時間較長、管理難度較大，整體質量也無法得到保證，無法滿足日益發展的農田水利工程建設與發展需求。但通過運用新型裝配式涵閘，能夠有效解決以上問題，同時還具有以下意義。

第一，新型裝配式涵閘的使用有利于提高工程整體質量與建設效率。由于部分農田水利工程建設單位規模較小，施工、管理人員整體素質良莠不齊，外加冬春修水利帶來的時間限制，導致實際施工過程中難免存在一些問題，進而無法滿足養護條件和工程質量。但裝配式結構最大特點是預制構件在工程建設開展前就已經在工廠制作或完成，大部分施工作業為現場安裝，不受現場施工條件及季節的影響，而且，能夠與土方工程一同開展，保證施工質量的前提下施工效率大大提升。

第二，滿足文明施工要求，保護環境、節約資源。對于農田水利建筑工程而言，常規工程涉及較多混凝土等濕作業工作，且具有較大噪聲，污染環境的同時影響周邊居民正常休息。但新型裝配式涵閘的使用極大地減少了現場濕作業，而且，施工構件和鋼模板可以反復使用，節約建設資源與資金，增強了工程經濟效益和社會效益。另外，裝配式涵閘后期維修、更換較為簡單，即便出現構件損壞也能夠靈活調整，減少損失和浪費的同時保證建筑運行質量。

2 分析農田水利工程規劃設計中運用新型裝配式涵閘的要點

2.1 新型裝配式涵閘應用結構

農田水利工程規劃設計中運用新型裝配式涵閘時，需要于施工現場開展構件安裝作業，所以，為保證新型涵閘滿足裝配式構件預制、運輸以及后期施工等原則，設計、拆分涵閘結構時應把握以下要點：(1)新型涵閘平面形狀長寬比、寬高比合理，嚴格控制局部凹入和突出尺寸，剛度、質量均勻分析，形狀簡約、對稱。(2)豎向布置，涵閘中需要承受豎向力的構件，其剛度與截面尺寸均應該從上至下、以對稱狀態逐漸加大。(3)劃分構件時，重點考慮后期安裝簡易程度以及整體受力合理性，保證對稱配筋[1]。

與此同時，滿足上述原則的基礎上，還應考慮安裝和運輸的簡便性，為此，將新型裝配式涵閘劃分為以下構件。具體如下圖1所示。

合理劃分新型裝配式涵閘組成構件后，為提高運用質量，需掌握連接方式，并保證涵閘建筑物的穩定性與耐久性。一般情況下，干連接和濕連接是裝配式建筑物主要的連接方式，前者使用機械套筒、螺栓、預應力以及焊接等，后者則是灌漿、樺式接頭以及漿錨連接等。對于田間水利工程而言，考慮此類工程的操作性、經濟性和安全性，主要使用綜合型連接方法，即樺式接頭和螺栓連接，從而整合干、濕連接優點，同時輔以橡膠墊止水，以此減少構件之間的剛性接觸。具體連接方式如下表1所示。

圖1 新型裝配式涵閘構件

2.2 新型裝配式涵閘應用要點

在田間水利工程中運用新型裝配式涵閘時，為保

表1 新型裝配式涵閘構件連接方式

證涵閘建設質量以及后續投入使用作用最大化，需要對多種因素進行綜合分析與考慮，以此掌握應用要點。具體如下。

2.2.1 分析新型涵閘結構和穩定性

首先，確定新型涵閘尺寸。由于尺寸與實際灌溉面積、過水流量以及上下游水深等之間具有密切聯系，因此，假設工程灌溉面積為600畝農田，上下游水深分別為1m和0.9m，過水流量0.4m3/s，涵閘底部高程為渠底高程，圓管涵長度、滲徑系數、防滲長度均為6m，圓管涵直徑80mm。另外，建筑投入使用后會受到沖刷影響，為此，上下游板底長度、閘門高度、安裝提升高度分別為2.4m、1.3m、1.1m，擋墻高度為閘門高度與安全提升高度總和，即2.4m，翼墻前端以及與擋墻接觸側高度分別為0.6m和2.4m，使用混凝土材料標號為C30。新型涵閘正視圖如圖2所示。

圖2 新型裝配式涵閘正視圖

2.2.2 分析位移

涵閘處于完工無水和正常運行兩種狀態下時，其位移特性存在一定差異，所以，為掌握涵閘豎向沉降和橫向位移等參數，應用新型裝配式涵閘時可以使用Abaqus三維數值分析軟件進行位移特性分析[2]。當涵閘處于完工但未投入使用的狀態下時，主要受到靜荷載作用，在該情況下，新型裝配式涵閘出現的最大沉降位移主要發生于涵管墊塊處，而最大橫向水平位移則發生于底板下游段；當涵閘處于正常運作狀態下時，最大沉降位移位置變化為上游擋墻端，而最大橫向水平位移發生于下游底板端。為進一步保證新型裝配式涵閘運用質量，應通過對比兩種工況下的位移量掌握各項參數，把控方向。當涵閘處于完建期時，其豎向位移最大值、最小值、沉降值分別為1.82mm、1.38mm、0.44mm，而正常使用狀況下的豎向位移最大值、最小值、沉降值分別為0.34mm、0.13mm、0.21mm，位移情況普遍小于完建期。在水平位移方面，當涵閘處于完建期時，其最大水平位移參數為0.25mm，正常運作狀態下，水平位移最大參數為0.34mm。通過與農田水利涵閘設計標準與規范進行對比，該裝配式涵閘地基最大沉降量在允許值30mm以下，最大沉降差在20mm以內，因此，該結構具有較強穩定性，符合農田水利工程運用要求。

2.2.3 分析應力

由于應力的產生可能會對新型裝配式涵閘使用期間的安全穩固性造成影響，為此，在將其運用于農田水利工程規劃設計中時，應開展規范的應力分析工作，該環節仍需結合兩種工作狀況，從而準確分析應力情況。當該涵閘處于完建期工況時，墊塊處會發生最大拉應力，而最大主壓應力則產生于管涵處；當涵閘處于正常運作工況時，最大拉應力和最大主壓應力的產生位置并未發生變化，但數值根據實際情況會產生大小變化。因此，不同工況不會影響新型裝配式涵閘應力產生位置造成變化，僅會影響應力值大小。具體參數為：在完建工況下，上游底板、下游底板、上游擋墻、下游擋墻、上游翼墻、下游翼墻、管涵以及墊塊的最大拉應力分別為0.57MPa、0.47MPa、0.58MPa、0.35MPa、0.14MPa、0.10MPa、0.18MPa、0.66MPa；正常使用工況下的最大拉應力分別為0.22MPa、0.10MPa、0.28MPa、0.14MPa、0.05MPa、0.03MPa、0.09MPa、0.25MPa。當涵閘處于完建期時，仍按照該順序，最大主應力分別為0.42MPa、0.47MPa、0.61MPa、0.55MPa、0.75MPa、0.81MPa、1.11MPa、0.24MPa；正常使用狀態下，涵閘的最大主應力分別為0.21MPa、0.11MPa、0.32MPa、0.21MPa、0.25MPa、0.17MPa、0.48MPa、0.31MPa。

2.2.4 分析新型涵閘整體穩定性

當新型裝配式涵閘投入使用后，主要受到揚壓力、土壓力、重力、水壓力等作用力的影響，為此，應分析此類涵閘正常使用工況下的水平力和垂直力，具體參數如表2所示。

表2 新型裝配式涵閘正常運作期間水平力與垂直力

由此可見，在農田水利工程規劃設計中應用新型裝配式涵閘時，應結合工程具體運用目的，根據工程需求進行差異化設計，同時根據不同工況下各項要素的影響情況判斷涵閘穩定性等方面是否符合要求。規劃設計與運用要點為。

第一，當新型裝配式涵閘處于完建期工況下時，最大沉降位移發生于涵管墊塊處，而當其處于正常運行狀態下時，其最大沉降位移發生于上游擋墻端。而最大橫向水平位移無論在哪種工況下所處的位置不變，變化的僅有參數。因此，在新型裝配式涵閘實際設計和運用過程中，相關工作人員應根據不同工況分析其最大沉降位移和最大橫向水平位移發生的位置和參數，判斷各項參數是否符合相關規范要求，若是不符合應及時調整結構，為后續使用的安全穩固性提供保障[3]。

第二，分析完建期工況和正常運行狀況下涵閘的最大拉應力和最大主壓應力，掌握其發生位置與參數，結合混凝土具體標號判斷新型裝配式涵閘是否滿足強度要求。

第三，當新型裝配式涵閘處于正常使用狀態時，需對其抗滑穩定系數和抗浮穩定安全系數進行計算，判斷其是否滿足設計要求，從而保證新型裝配式涵閘具有較高穩定性，得以在后續投入使用后充分發揮作用。

2.3 新型裝配式涵閘應用質量控制

運用新型裝配式涵閘時，其質量控制要點應落實在以下三個方面。

第一，控制構件預制工藝質量。即控制混凝土拌合作業，進場前落實材料檢驗工作，合格后方可進入使用場地，同時，嚴格控制材料配比，使用強制式拌合機拌合混凝土，控制材料使用量偏差，拌合時間3min以上。另外，預制模板作為主要施工材料，相關工作人員應將模具浸泡于15%～20%濃度的稀鹽酸溶液中，時間控制在5min～10min范圍內，之后使用潔凈球進行雜物清理，使用軟毛巾和洗衣服清洗兩遍，最后將模具晾干刷涂CXP脫模劑，濃度3%。除此之外，控制混凝土澆筑與養護要點，即保證混凝土模具澆筑的連續性和振搗時間的充分性，避免內部存在氣泡，完成構件澆筑作業后根據實際施工條件科學選擇養護方式開展養護作業，例如，蒸汽養護、遠紅外線養護等，立足于經濟性和環保性，科學選擇養護方式，保證養護質量。

第二，控制預制構件吊裝與運輸質量。質量控制重點是吊裝方式的選擇以及吊裝順序，均應按照施工現場實際情況和條件進行選擇，其中，構件與吊索水平夾角應在45°～60°之內，且吊裝過程不可出現大幅度擺動[4]。構件運輸方面則應選擇載重汽車，憑借此類交通運輸工具的安全穩定性、效率高以及裝卸方便等特性，保證運輸質量，避免造成構件損壞。

第三，安裝質量控制。開展構件安裝作業時，要在吊裝就位后檢查螺母是否擰緊，并進行橡膠墊的鋪設，按照安裝程序規范落實安裝作業。其中，在安裝預制構件時，相關施工人員應使用小型吊機，且掌握以下質量要點：一是檢查構件質量，判斷是否存在破損情況以及其安防面是否按照要求清潔完畢；二是對構件位置和型號進行核對，保證其一致性后，確保錨固長度符合安裝設計要求；三是對安裝后的構件進行檢查，判斷是否與擱置面緊密接觸，并將多余橡膠墊剪切。

3 結 論

綜上所述，新型裝配式涵閘對農田水利工程建設質量、各項效益的實現以及行業發展具有極強現實意義。因此，在實際運用過程中，相關工作人員應立足于實際設計涵閘結構，并落實穩定性、應力等分析工作，以此保證其運用的安全穩定性。