鋼筋混凝土裝配式渠槽發(fā)展綜述

閆自影 馬文亮

（華北水利水電大學土木與交通學院 河南鄭州 450045）

我國是農業(yè)大國，灌溉事業(yè)一直是國家重視的大問題［1］。但是，隨著我國老齡化加重，農村勞動力少也逐步成為常態(tài)，進而造成相關技術人員短缺及一些專業(yè)技術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)過程浪費材料及勞動力。鋼筋混凝土裝配式渠槽作為新型水利構筑物，可以在工廠統(tǒng)一生產后運至施工現場，在作業(yè)現場進行組裝、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。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)現場施工，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一步節(jié)約了施工成本，減少了勞動力的浪費，提高了施工生產率，突破了傳統(tǒng)農田水利構筑物發(fā)展的瓶頸，為現代化農業(yè)水利的發(fā)展提供了方向。

此外，長期以來，我國經濟主要以高速發(fā)展作為主導，導致資源消耗大、浪費多，這一特點在現場澆筑式水利工程的建設過程中尤為突出。由于現場澆筑式結構具有質量問題不好把握、工期長、能耗大、浪費資源和污染大等缺點，在國家經濟轉向高質量發(fā)展的引領下，這種現場澆筑方式需要得到優(yōu)化及改變。相較于傳統(tǒng)現澆混凝土渠槽，預制裝配式混凝土渠槽具有節(jié)約資源、工期短、勞動生產率與建筑品質高等眾多優(yōu)勢，與國家倡導的綠色可持續(xù)發(fā)展理念高度吻合［2］。預制裝配式渠槽的發(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技術的利用率，是新時期水利行業(yè)的主要發(fā)展趨勢。

1 研究現狀

渠槽早期被用于農作物的灌溉，幾乎所有都是人工開挖。當時，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行作業(yè)。但是，這樣的渠槽截面形式不但單一，無法滿足一些特殊地質的要求，而且滲水情況十分嚴重。為了滿足一些特殊工程的需要，國內專家學者對此進行了大量的研究，逐步推進了渠槽的發(fā)展［3］。預制裝配式混凝土早期用于建筑，來源于國外，在我國起步相對較晚，但是，在我國改革開放的大背景下，該技術如星星之火一般應用到了基建的各個方面，鋼筋混凝土裝配式渠槽就是應用了預制裝配式混凝土很好的見證。

鋼筋混凝土渠槽在農田水利工程中應用較為普遍，隨著國內外學者對此的不斷探索，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］等對渠槽的斷面形式進行了大量的研究，通過若干個工程實例，分析構件在實際施工中的受力特征，同時，對構件結構提出了優(yōu)化建議，不僅如此，此項研究最大的成就是為后來者可以在計算機上進行相關的有限元分析提供了依據，為水利事業(yè)做出了很大的貢獻。

張力學［5］等在常見的梯形斷面、矩形斷面及型斷面的基礎上，提出了半圓形這一斷面形式。從經濟費用方面選擇最優(yōu)斷面，將過水流量設置為相同取值，對比半圓形斷面渠、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。同時還指出，對于混凝土U 形渠槽，當直立段高度等于或小于底弧半徑的1/8 時，其所用費用與半圓形斷面幾乎一樣；當直立段高度為底弧直徑的1/3～1/2之間時，工程量將增加2%～5%左右，費用也會增高。

張萬江［6］等人提出了鋼筋混凝土裝配式U型渠在濟陽縣土地整理工程中的應用，介紹了鋼筋混凝土裝配式U 型渠槽的制作及裝配工藝，并且在濟陽縣曲堤鎮(zhèn)土地整理項目中進行了實際應用，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，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、后期管理方便等突出的優(yōu)點，并進一步提倡裝配式U 型渠值得大力推廣，這一應用及提倡進一步推動了渠槽在我國的發(fā)展。

滕凱等人［7］認為標準混凝土U型過水斷面渠槽具有斷面形式簡單、渠槽底部受力條件好等優(yōu)點，但無人通過一個近似計算公式將標準混凝土U型過水斷面渠槽臨界水深計算出來。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用，但一些現存的公式在使用時需要往返折回，非常繁瑣，其表達形式亦是非常復雜，因此，亟須一個簡單的近似計算公式對混凝土U型渠槽臨界水深進行計算。故滕凱等人采用優(yōu)化擬合理論，他們的方案是標準剩余差設定為目標函數，在工程實際條件及規(guī)范要求范圍內，利用最優(yōu)化擬合替代，為今后的實際工程應用提供一個形式簡單直觀的近似計算公式作為參考。

劉學軍、鄭國華［8］指出前人對矩形渠槽緩流分水已有一定程度的研究，但是對急流分水的認識程度還不能達到工程應用的要求。針對急流分水研究不足這一現狀，他們便進行了明渠側面分水的試驗研究。他們將影響分水比參數的引水口形狀、引水口寬度、引水口角度及主渠來流佛汝德數作為控制變量，進行了探索性的研究。結果表明：側渠引水角度及主渠來流佛汝德數這兩個因素與分水比成反比，即前者越大，后者越?。粋惹趯挾扰c分水比成正比，即引水口寬度越大，分水比越大。并且對實驗進行了公式性的總結，建立了在急流及緩流情況下主渠側面分水的數學公式，并結合實例進行了驗證，彌補了前人對主渠急流側面分水研究的不足，進一步推動了渠槽的發(fā)展，為做工程設計提供了參考依據。

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、混凝土渠槽工程經濟方面、混凝土渠槽自身結構方面、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函數，通過一系列的實驗及驗算，得到拋物線形混凝土渠槽對應水力最優(yōu)斷面處寬深比為2.06；半橢圓形混凝土渠槽對應水力最優(yōu)斷面處寬深比為2.0，即橢圓形斷面長軸與短軸相等時為水力最優(yōu)斷面；懸鏈線形渠槽對應水力最優(yōu)斷面處寬深比近似為2.0，此時，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，對現澆渠槽與裝配式渠槽的施工特點進行對比分析。其指出大斷面現澆矩形渠槽澆筑費用高、拼接模板難度大、質量問題不容易把控，如果開窗時采用模板，由于開口面積大，拼接模板的工程量也會隨之增加，質量更難把握。由于是現澆式，現場需要大量的勞動力，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，容易出現漏振現象，一旦出現這種情況，就會產生漏水、工作縫處的起臺掛簾現象。而裝配式渠槽則可以克服這些缺點，值得深入研究。

李記明、宋文浚等［11］在對北趙引黃灌區(qū)預制混凝土U 型渠槽不僅進行了原材料檢測，還對混凝土配合比進行了設計試驗，即通過添加各種外加劑，如混凝土抗凍劑、高效早強劑、減水劑，做若干組配合比的試驗進行優(yōu)選，并做若干組對應的室內自密實混凝土的配合比試驗。通過對比預制混凝土U型槽標養(yǎng)狀態(tài)下與蒸汽養(yǎng)護狀態(tài)下的抗壓強度及抗?jié)B、抗凍實驗，得出不同條件下的渠槽構件性能。試驗研究結果表明，摻加不同等級粉煤灰的混凝土對渠槽試件的抗壓性能及抗?jié)B性能影響不大，但對抗凍性能影響很大，較低的粉煤灰摻量能夠提高混凝土渠槽的抗凍性能。此外，標養(yǎng)28d 的混凝土渠槽試件強度明顯高于蒸養(yǎng)28d 的混凝土渠槽試件，說明高溫會改變混凝土材料的性質，導致強度降低。并且模擬出構件在實際施工中的受力特征，即采用ABAQUUS 有限元軟件分析構件應力狀況。提交分析作業(yè)后，查看計算結果，該等級下的混凝土極限彎拉強度明顯低于計算得出的構件最大拉應力，經過對比分析，可以得出，構件發(fā)生了脆性破壞。通過此次模擬，給出了真實施工中的指導意見，即同等級混凝土情況下，對槽底進行加厚處理，或改變混凝土型號，提高強度級別，使混凝土渠槽的最大拉應力得到提高及混凝土抗彎拉強度得到加強，進一步提高混凝土構件實際的承載能力。

2 研究發(fā)展方向

從現澆式渠槽轉向裝配式渠槽的過程中，投入了大量專家學者的心血，但是，裝配式渠槽的研究永遠在路上。以下是筆者淺談的幾點關于大型裝配式渠槽的研究發(fā)展方向。

（1）關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件，因此渠槽構件之間連接的處理方式極其重要。因構件之間連接縫不僅多且復雜，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)新出一種新型的預留構件止水方法?？梢試L試在預制渠槽構件相關部位預留有相應的止水槽，渠槽構件吊裝到位后，在預留止水槽內注入專門的止水膠或者注入改性瀝青，其余部分用高強度的微膨脹混凝土填實［12］，后期對此進行定期的養(yǎng)護，待強度提高到設計值即可。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。

大型裝配式渠槽構件的吊裝也是一個值得考慮的問題。水利工程一般都是露天野外作業(yè)，現場環(huán)境及場地條件極其復雜，所以，采用建筑上常用的大型吊車及塔吊顯然不可取?？梢試L試渠槽結構底板現澆、側壁吊裝的方式，在達到強度的地板上架設高噸位的龍門吊。在澆筑底板時，預留好龍門吊的軌道，預留的軌道后期直接用混凝土澆筑掩埋，如此又可以增強底板的整體性。此時，底板現澆在前，側壁吊裝在后，施工可以有條不紊地進行，不僅可以使施工效率得到提高，還不會造成勞動力的浪費。

（2）裝配式渠槽質量的評定方法。裝配式渠槽相較于現澆式渠槽會有更多的節(jié)點處理問題，一旦出現節(jié)點定位不準的情況，必然造成構件安裝困難，進而影響工期，并且直接影響到裝配式渠槽結構的整體穩(wěn)定性及應力分配的問題。因此，可以嘗試發(fā)明一種針對該種類型渠槽的節(jié)點定位工具。例如，裝配式矩形渠槽的關鍵節(jié)點處在側壁與底板之間，即底板插筋垂直度及間距的重點把握，對此可以采用雙層校位板，既可以保證節(jié)點的位置，又可以為質量測評提供依據，為今后大規(guī)模推廣使用奠定基礎。大型裝配式渠槽一般都是百年大計，要求的使用時間特別長，所以，亟須形成一套評價大型裝配式渠槽的科學方案。

3 結語

裝配式渠槽在農業(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。在國家大力支持裝配式結構的背景下，裝配式渠槽必定成為未來水利工程發(fā)展的方向之一。依托各位專家學者的研究，裝配式渠槽結構具有施工時受天氣因素和現場環(huán)境因素影響小、減少資源的消耗、保護人與自然賴以生存的美好環(huán)境、工程的質量和效率得到進一步的提高、施工事故發(fā)生概率得到明顯減少、進一步減少土地及勞動力的使用、降低施工管理費用等優(yōu)點。但現階段裝配式渠槽仍存在構件之間連接的處理方式、構件的吊裝、耐久性可靠性的評定等關鍵應用問題，需要進一步研究創(chuàng)新。愿后來者可以對這些問題在生產實踐與實驗理論研究中論證解決，盡早形成標準化工法。