鋼筋混凝土裝配式渠槽發(fā)展綜述

閆自影 馬文亮

（華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院 河南鄭州 450045）

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，灌溉事業(yè)一直是國(guó)家重視的大問題［1］。但是，隨著我國(guó)老齡化加重，農(nóng)村勞動(dòng)力少也逐步成為常態(tài)，進(jìn)而造成相關(guān)技術(shù)人員短缺及一些專業(yè)技術(shù)得不到普及和利用等問題。傳統(tǒng)式鋼筋混凝土渠槽的施工過程受環(huán)境、自然氣候條件等一些不確定因素的影響大，且作業(yè)過程浪費(fèi)材料及勞動(dòng)力。鋼筋混凝土裝配式渠槽作為新型水利構(gòu)筑物，可以在工廠統(tǒng)一生產(chǎn)后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝、成型、固定，相較于傳統(tǒng)式鋼筋混凝土渠槽的施工，減少了土地的浪費(fèi)。鋼筋混凝土裝配式渠槽的施工模式大概可以將施工速度提升25%，相較于傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工，大概能夠節(jié)省1/3 的材料用量。鋼筋混凝土裝配式渠槽的使用進(jìn)一步節(jié)約了施工成本，減少了勞動(dòng)力的浪費(fèi)，提高了施工生產(chǎn)率，突破了傳統(tǒng)農(nóng)田水利構(gòu)筑物發(fā)展的瓶頸，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)水利的發(fā)展提供了方向。

此外，長(zhǎng)期以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)主要以高速發(fā)展作為主導(dǎo)，導(dǎo)致資源消耗大、浪費(fèi)多，這一特點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)澆筑式水利工程的建設(shè)過程中尤為突出。由于現(xiàn)場(chǎng)澆筑式結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量問題不好把握、工期長(zhǎng)、能耗大、浪費(fèi)資源和污染大等缺點(diǎn)，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展的引領(lǐng)下，這種現(xiàn)場(chǎng)澆筑方式需要得到優(yōu)化及改變。相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土渠槽，預(yù)制裝配式混凝土渠槽具有節(jié)約資源、工期短、勞動(dòng)生產(chǎn)率與建筑品質(zhì)高等眾多優(yōu)勢(shì)，與國(guó)家倡導(dǎo)的綠色可持續(xù)發(fā)展理念高度吻合［2］。預(yù)制裝配式渠槽的發(fā)展有助于激發(fā)水利行業(yè)的創(chuàng)新，提高新型水利材料與新科學(xué)技術(shù)的利用率，是新時(shí)期水利行業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

1 研究現(xiàn)狀

渠槽早期被用于農(nóng)作物的灌溉，幾乎所有都是人工開挖。當(dāng)時(shí)，混凝土的普及度不高，大部分都是土槽，斷面形式多采用梯形，其目的是保證土槽的穩(wěn)定性和方便施工人員進(jìn)行作業(yè)。但是，這樣的渠槽截面形式不但單一，無(wú)法滿足一些特殊地質(zhì)的要求，而且滲水情況十分嚴(yán)重。為了滿足一些特殊工程的需要，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，逐步推進(jìn)了渠槽的發(fā)展［3］。預(yù)制裝配式混凝土早期用于建筑，來源于國(guó)外，在我國(guó)起步相對(duì)較晚，但是，在我國(guó)改革開放的大背景下，該技術(shù)如星星之火一般應(yīng)用到了基建的各個(gè)方面，鋼筋混凝土裝配式渠槽就是應(yīng)用了預(yù)制裝配式混凝土很好的見證。

鋼筋混凝土渠槽在農(nóng)田水利工程中應(yīng)用較為普遍，隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此的不斷探索，其斷面形式日益增多，U型斷面形式、矩形斷面形式居多。

曹俊峰［4］等對(duì)渠槽的斷面形式進(jìn)行了大量的研究，通過若干個(gè)工程實(shí)例，分析構(gòu)件在實(shí)際施工中的受力特征，同時(shí)，對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化建議，不僅如此，此項(xiàng)研究最大的成就是為后來者可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行相關(guān)的有限元分析提供了依據(jù)，為水利事業(yè)做出了很大的貢獻(xiàn)。

張力學(xué)［5］等在常見的梯形斷面、矩形斷面及型斷面的基礎(chǔ)上，提出了半圓形這一斷面形式。從經(jīng)濟(jì)費(fèi)用方面選擇最優(yōu)斷面，將過水流量設(shè)置為相同取值，對(duì)比半圓形斷面渠、矩形斷面渠、U型斷面渠及梯形斷面渠，得出半圓形斷面為最優(yōu)斷面。同時(shí)還指出，對(duì)于混凝土U 形渠槽，當(dāng)直立段高度等于或小于底弧半徑的1/8 時(shí)，其所用費(fèi)用與半圓形斷面幾乎一樣；當(dāng)直立段高度為底弧直徑的1/3～1/2之間時(shí)，工程量將增加2%～5%左右，費(fèi)用也會(huì)增高。

張萬(wàn)江［6］等人提出了鋼筋混凝土裝配式U型渠在濟(jì)陽(yáng)縣土地整理工程中的應(yīng)用，介紹了鋼筋混凝土裝配式U 型渠槽的制作及裝配工藝，并且在濟(jì)陽(yáng)縣曲堤鎮(zhèn)土地整理項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，得出裝配式U 形渠道不僅節(jié)約土地資源，而且水的滲透損耗少，水的利用率比較高，水速也可以得到保障。此外，裝配式U形渠外觀美觀，不同的地形情況都可以適應(yīng)，施工工期短、工作量小、施工遷占很方便。雖然前期一次性投資較大，但整體效益顯著，并且具有使用壽命長(zhǎng)、后期管理方便等突出的優(yōu)點(diǎn)，并進(jìn)一步提倡裝配式U 型渠值得大力推廣，這一應(yīng)用及提倡進(jìn)一步推動(dòng)了渠槽在我國(guó)的發(fā)展。

滕凱等人［7］認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)混凝土U型過水?dāng)嗝媲劬哂袛嗝嫘问胶?jiǎn)單、渠槽底部受力條件好等優(yōu)點(diǎn)，但無(wú)人通過一個(gè)近似計(jì)算公式將標(biāo)準(zhǔn)混凝土U型過水?dāng)嗝媲叟R界水深計(jì)算出來。此外，混凝土U 型渠槽斷面在水利水電配水及輸水工程中廣泛應(yīng)用，但一些現(xiàn)存的公式在使用時(shí)需要往返折回，非常繁瑣，其表達(dá)形式亦是非常復(fù)雜，因此，亟須一個(gè)簡(jiǎn)單的近似計(jì)算公式對(duì)混凝土U型渠槽臨界水深進(jìn)行計(jì)算。故滕凱等人采用優(yōu)化擬合理論，他們的方案是標(biāo)準(zhǔn)剩余差設(shè)定為目標(biāo)函數(shù)，在工程實(shí)際條件及規(guī)范要求范圍內(nèi)，利用最優(yōu)化擬合替代，為今后的實(shí)際工程應(yīng)用提供一個(gè)形式簡(jiǎn)單直觀的近似計(jì)算公式作為參考。

劉學(xué)軍、鄭國(guó)華［8］指出前人對(duì)矩形渠槽緩流分水已有一定程度的研究，但是對(duì)急流分水的認(rèn)識(shí)程度還不能達(dá)到工程應(yīng)用的要求。針對(duì)急流分水研究不足這一現(xiàn)狀，他們便進(jìn)行了明渠側(cè)面分水的試驗(yàn)研究。他們將影響分水比參數(shù)的引水口形狀、引水口寬度、引水口角度及主渠來流佛汝德數(shù)作為控制變量，進(jìn)行了探索性的研究。結(jié)果表明：側(cè)渠引水角度及主渠來流佛汝德數(shù)這兩個(gè)因素與分水比成反比，即前者越大，后者越小；側(cè)渠引水口寬度與分水比成正比，即引水口寬度越大，分水比越大。并且對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了公式性的總結(jié)，建立了在急流及緩流情況下主渠側(cè)面分水的數(shù)學(xué)公式，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，彌補(bǔ)了前人對(duì)主渠急流側(cè)面分水研究的不足，進(jìn)一步推動(dòng)了渠槽的發(fā)展，為做工程設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

陳居乾［9］指出最優(yōu)斷面的選擇可以從以下方面出發(fā)進(jìn)行考慮，即混凝土渠槽水流水力條件方面、混凝土渠槽工程經(jīng)濟(jì)方面、混凝土渠槽自身結(jié)構(gòu)方面、混凝土渠槽工程后期管理方面。首先，將混凝土渠槽水流水力條件作為目標(biāo)函數(shù)，通過一系列的實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)算，得到拋物線形混凝土渠槽對(duì)應(yīng)水力最優(yōu)斷面處寬深比為2.06；半橢圓形混凝土渠槽對(duì)應(yīng)水力最優(yōu)斷面處寬深比為2.0，即橢圓形斷面長(zhǎng)軸與短軸相等時(shí)為水力最優(yōu)斷面；懸鏈線形渠槽對(duì)應(yīng)水力最優(yōu)斷面處寬深比近似為2.0，此時(shí)，可以將懸鏈線形渠槽近似看成半橢圓形渠槽，水力最優(yōu)斷面的選取和半橢圓形渠槽一致。之后，他又結(jié)合多方面因素綜合分析，得出混凝土渠槽特殊斷面型式中半橢圓形相對(duì)最好但仍不是最好的，其次為懸鏈線形。

李偉亭等［10］以新三義寨引黃供水南線工程大斷面混凝土矩形渠槽為基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)澆渠槽與裝配式渠槽的施工特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。其指出大斷面現(xiàn)澆矩形渠槽澆筑費(fèi)用高、拼接模板難度大、質(zhì)量問題不容易把控，如果開窗時(shí)采用模板，由于開口面積大，拼接模板的工程量也會(huì)隨之增加，質(zhì)量更難把握。由于是現(xiàn)澆式，現(xiàn)場(chǎng)需要大量的勞動(dòng)力，澆筑的混凝土渠槽層板高，澆筑過程中需要分層澆筑，這種情況下，容易出現(xiàn)漏振現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)這種情況，就會(huì)產(chǎn)生漏水、工作縫處的起臺(tái)掛簾現(xiàn)象。而裝配式渠槽則可以克服這些缺點(diǎn)，值得深入研究。

李記明、宋文浚等［11］在對(duì)北趙引黃灌區(qū)預(yù)制混凝土U 型渠槽不僅進(jìn)行了原材料檢測(cè)，還對(duì)混凝土配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)試驗(yàn)，即通過添加各種外加劑，如混凝土抗凍劑、高效早強(qiáng)劑、減水劑，做若干組配合比的試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)選，并做若干組對(duì)應(yīng)的室內(nèi)自密實(shí)混凝土的配合比試驗(yàn)。通過對(duì)比預(yù)制混凝土U型槽標(biāo)養(yǎng)狀態(tài)下與蒸汽養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B、抗凍實(shí)驗(yàn)，得出不同條件下的渠槽構(gòu)件性能。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，摻加不同等級(jí)粉煤灰的混凝土對(duì)渠槽試件的抗壓性能及抗?jié)B性能影響不大，但對(duì)抗凍性能影響很大，較低的粉煤灰摻量能夠提高混凝土渠槽的抗凍性能。此外，標(biāo)養(yǎng)28d 的混凝土渠槽試件強(qiáng)度明顯高于蒸養(yǎng)28d 的混凝土渠槽試件，說明高溫會(huì)改變混凝土材料的性質(zhì)，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。并且模擬出構(gòu)件在實(shí)際施工中的受力特征，即采用ABAQUUS 有限元軟件分析構(gòu)件應(yīng)力狀況。提交分析作業(yè)后，查看計(jì)算結(jié)果，該等級(jí)下的混凝土極限彎拉強(qiáng)度明顯低于計(jì)算得出的構(gòu)件最大拉應(yīng)力，經(jīng)過對(duì)比分析，可以得出，構(gòu)件發(fā)生了脆性破壞。通過此次模擬，給出了真實(shí)施工中的指導(dǎo)意見，即同等級(jí)混凝土情況下，對(duì)槽底進(jìn)行加厚處理，或改變混凝土型號(hào)，提高強(qiáng)度級(jí)別，使混凝土渠槽的最大拉應(yīng)力得到提高及混凝土抗彎拉強(qiáng)度得到加強(qiáng)，進(jìn)一步提高混凝土構(gòu)件實(shí)際的承載能力。

2 研究發(fā)展方向

從現(xiàn)澆式渠槽轉(zhuǎn)向裝配式渠槽的過程中，投入了大量專家學(xué)者的心血，但是，裝配式渠槽的研究永遠(yuǎn)在路上。以下是筆者淺談的幾點(diǎn)關(guān)于大型裝配式渠槽的研究發(fā)展方向。

（1）關(guān)于裝配式渠槽連接形式及裝配方式。由于大型裝配式渠槽是一種輸水構(gòu)件，因此渠槽構(gòu)件之間連接的處理方式極其重要。因構(gòu)件之間連接縫不僅多且復(fù)雜，連接處的止水一旦做不到位，裝配式渠槽工程有可能功虧一簣，所以，亟須創(chuàng)新出一種新型的預(yù)留構(gòu)件止水方法?？梢試L試在預(yù)制渠槽構(gòu)件相關(guān)部位預(yù)留有相應(yīng)的止水槽，渠槽構(gòu)件吊裝到位后，在預(yù)留止水槽內(nèi)注入專門的止水膠或者注入改性瀝青，其余部分用高強(qiáng)度的微膨脹混凝土填實(shí)［12］，后期對(duì)此進(jìn)行定期的養(yǎng)護(hù)，待強(qiáng)度提高到設(shè)計(jì)值即可。這種方式不僅止水效果好、耐久性好，且施工方便，有利于推廣使用。

大型裝配式渠槽構(gòu)件的吊裝也是一個(gè)值得考慮的問題。水利工程一般都是露天野外作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及場(chǎng)地條件極其復(fù)雜，所以，采用建筑上常用的大型吊車及塔吊顯然不可取。可以嘗試渠槽結(jié)構(gòu)底板現(xiàn)澆、側(cè)壁吊裝的方式，在達(dá)到強(qiáng)度的地板上架設(shè)高噸位的龍門吊。在澆筑底板時(shí)，預(yù)留好龍門吊的軌道，預(yù)留的軌道后期直接用混凝土澆筑掩埋，如此又可以增強(qiáng)底板的整體性。此時(shí)，底板現(xiàn)澆在前，側(cè)壁吊裝在后，施工可以有條不紊地進(jìn)行，不僅可以使施工效率得到提高，還不會(huì)造成勞動(dòng)力的浪費(fèi)。

（2）裝配式渠槽質(zhì)量的評(píng)定方法。裝配式渠槽相較于現(xiàn)澆式渠槽會(huì)有更多的節(jié)點(diǎn)處理問題，一旦出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位不準(zhǔn)的情況，必然造成構(gòu)件安裝困難，進(jìn)而影響工期，并且直接影響到裝配式渠槽結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及應(yīng)力分配的問題。因此，可以嘗試發(fā)明一種針對(duì)該種類型渠槽的節(jié)點(diǎn)定位工具。例如，裝配式矩形渠槽的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處在側(cè)壁與底板之間，即底板插筋垂直度及間距的重點(diǎn)把握，對(duì)此可以采用雙層校位板，既可以保證節(jié)點(diǎn)的位置，又可以為質(zhì)量測(cè)評(píng)提供依據(jù)，為今后大規(guī)模推廣使用奠定基礎(chǔ)。大型裝配式渠槽一般都是百年大計(jì)，要求的使用時(shí)間特別長(zhǎng)，所以，亟須形成一套評(píng)價(jià)大型裝配式渠槽的科學(xué)方案。

3 結(jié)語(yǔ)

裝配式渠槽在農(nóng)業(yè)灌溉上的使用越來越普遍，但是，大型裝配式渠槽卻不及前者。在國(guó)家大力支持裝配式結(jié)構(gòu)的背景下，裝配式渠槽必定成為未來水利工程發(fā)展的方向之一。依托各位專家學(xué)者的研究，裝配式渠槽結(jié)構(gòu)具有施工時(shí)受天氣因素和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素影響小、減少資源的消耗、保護(hù)人與自然賴以生存的美好環(huán)境、工程的質(zhì)量和效率得到進(jìn)一步的提高、施工事故發(fā)生概率得到明顯減少、進(jìn)一步減少土地及勞動(dòng)力的使用、降低施工管理費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。但現(xiàn)階段裝配式渠槽仍存在構(gòu)件之間連接的處理方式、構(gòu)件的吊裝、耐久性可靠性的評(píng)定等關(guān)鍵應(yīng)用問題，需要進(jìn)一步研究創(chuàng)新。愿后來者可以對(duì)這些問題在生產(chǎn)實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)理論研究中論證解決，盡早形成標(biāo)準(zhǔn)化工法。