滑模衬砌U型混凝土渠道的优势和改进完善的探讨
杨永军 李 方 宋晶波
(阿拉善左旗水务局,内蒙古 阿拉善 750300)
摘 要:滑模衬砌U型混凝土渠道技术发明应用20余年中,推广到18个省、市自治区,取得巨大的社会效益和经济效益,充分显现出其“多、快、好、省”的技术经济优势;研究总结并改进完善,提高衬砌质量和适应性,扩大推广范围,对保证我国节灌农业发展目标的实现具有积极重要的推动作用。
关键词:滑模;衬砌;U型渠;混凝土
中图分类号:TV551 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2002)04—0066—03
1 天空总结滑模衬砌渠道技术的意义
1.1 我国渠道防渗工作的形势和任务
近十多年,我国中等干旱年份农业灌溉缺水300亿m3以上,造成的粮食减产高达700~800亿kg;农业用水已占水资源利用的70%,但有效利用率只有40%,其中渠系水的有效利用率仅50%;据统计全国渠道渗漏损失的水量高达1 700亿m3/年,其根源是我国已建的防渗渠道工程仅占渠道总长度的18%。目前我国农田灌溉面积约5 333万hm2,占总耕地的535,但防渗渠道控制的灌溉面积截止98年底只有1 387万hm2(其中管道灌溉控制520万hm2),仅占有效灌溉面积的1/4。
我国政府到2010年节水灌溉的发展战略目标是:全国灌溉水的利用率由40%提高到55%以上;节水灌溉面积由目前的1 530万hm2发展到3 330万hm2;在全国灌溉用水不增加的情况下灌溉面积由目前的5 333万hm2扩大到6 000万hm2,即必须保证解决未来16亿人的吃饭问题。在我国国民经济欠发达、经济实力薄弱、水利基础设施欠帐过多和农业灌溉技术落后等种种不利条件下,要实现这一目的困难很大,挖掘渠系防渗节水的潜力具有极其重要的意义。
1.2 研究总结滑模衬砌渠道技术的目的
近20年来,不同渠道防渗衬砌的工艺技术的结构形式不断涌现,在不同地域和条件下发挥出各自的优势;其中,采用滑模现浇衬砌以U型断面为主的中小型渠道,由于其所具有显著的“多、快、好、省”几个方面的优势,现已在全国18年省、市、自治区的600多个单位推广滑模衬砌机1 200余套,据不完全统计,已衬砌U型渠道近2万km,节省工程投资数千万、渠道占地数千hm2,年减少渗漏水量近亿m3,年社会效益高达数亿元,为我国节水农业的发展作出了巨大贡献,1993年被水利部科技推广中心向全国发文推荐。但由于各地区的实际条件不同,该技术在推广过程中还存在着一些值得探讨改进的方面;因此,研究总结其成功的经验和目前推广中存在的问题,扬长避短更好的发挥其优势,对推动和实现我国政府2010年节灌农业发展战略目都有着巨大的现实意义。
2 滑模衬砌型混凝土渠道的优势
采用混凝上衬砌渠道是渠道防渗的主导模式,根据结构和施工方式可简单归为:①预制混凝土板护面,下垫塑膜、沥青玻璃丝布和圬工无纺布等复合防渗结构的平底或弧度梯形渠道;②滑模现浇整体或预制型槽拼装U型混凝土渠道,后者也有采用复合防渗结构;③机制混凝园管进行低压或无压输水;④人工现浇或预制混土板拼装梯形或U型渠道。
滑模现浇整体混凝土U型渠道分为渠顶轻轨支承悬模机型和以渠床土膜作支承的机型两类,前者适用较大断面渠道的衬砌施工,后者适用中小型渠道衬砌,并已研制出可衬砌直径达2m的机组型号,以后者推广应用最为普遍,其技术和经济方面的优势体现在以下方面:
2.1 推广应用的适应性强
滑模机械结构简单,操作容易,一机可衬砌5种断面渠道,既适宜老灌区边生产边改造,也适用新建灌区的渠道防渗建设,每台机组万元左右的投入,是其它任何衬砌施工模式中固定资产投入最低的,使推广应用具备了条件。
2.2 衬砌施工进度的“超高速”
在各个工序相衔接的条件下,可从拌和料到浇筑成型达到60m/h的速度连续浇筑,节省大量的工序和环节;根据各地不同类型和结构渠道衬砌用工量的对比,滑模现浇是人工现浇工效的12~16倍,其他各种预制拼装结构工效的15~20倍。
2.3 施工质量的保证率高、稳定性好
滑模机械施工,只要控制渠道土模整形、原材料质量、混凝土拌和、浇筑及养护五个环节的工序质量即可,如采用配套的渠床成型机械开挖,则施工的基本和关键技术环节全部由机械来完成。因此,比其他各种衬砌结构和施工方式,由于工序的减化、劳动强度的大大减轻和消除了大量人工操作,质量控制管理由于这些原因从而使得质量的稳定性和褒证率大大提高,符合现代质量管理科学的要求;
2.4 节省建设费用
滑模现浇衬砌渠道,相对其它结构形式不仅节省从预制、搬运到安装成型过程中大量的用工,也节省大量其它材料费用的支出。如山西五台县采用滑模施工。88年衬砌直径120cm的干渠6.5km,节省投资30万元;笔者92年曾对某灌区可采用滑模施工的部分支渠(受当地滑模机规格研制所)和全部斗渠与原设计方案进行方案对比分析,在将混凝土标号由15#改为520#的情况下,综合节省投资高达57%;工程越大效益越显著(参见附表1)
各地应用滑模施工的情况也表明,与其它衬砌结构相比可节省1/3~1/2的建设资金;
2.5 水力条件好
滑模衬砌U型整体渠道,断面标准、平直光滑无接缝、不生杂草、糙率小、水力半径小、流速快、不淤积、输水能力强。
2.6 节省建设用地
U型衬砌断面与梯型断面相比可节省渠道占地40%~50%;
2.7 防渗效果理想
复式防渗结构起关键防渗作用的塑膜等软材料实施工中难以保证不受损伤;因此从滑模衬砌整体渠道的实际防渗效果和匡成荣等人〔1〕对新建的三种衬砌结构的防渗效果测定的对比可看出,整体结构防渗效果与复式结构几乎相当,详见表2
2.8 运行管理工作量轻、费用低
由于浇筑质量好,加上整体结构和反拱所具有的抗冻胀能力,因此运行管理的工作量和费用与预制拼装结构是截然不同的效果,笔者97年见到陕西咸阳某灌区滑模研制最初衬砌数条壁厚仅4cm、110#混凝土U型斗型,运行20年仍表面平整光滑和结构基本完好,很少见到有修补的痕迹。
3 滑模衬砌施工技术推广中应当注意的问题
3.1 仿制滑模机械的痹端
滑模机械虽然结构简单,但其中包含混凝土施工复杂的工艺技术,并经反复试验和逐步改进完善成型,尤其浇筑U型渠的薄壁结构和土膜的弹性、减振等作用都要求机械性能的设计必须适度和合理。自行仿制没有试验研究的经验、条件和机会,因此一些地区和单位因自行仿制不当出现由于拖膜偏心、不密实和出现蜂窝麻面等影响质量和使用的问题,因此自行仿制作法不可取;
3.2 确定渠道设计方案时应注意的问题
不同地区由于地下水位、最大冻深、土壤类型、渠道运行模式等条件均不相同,确定渠道衬砌设计方案时应当根据实际条件和整体U型渠道刚性结构的特点,明确设计标准和思路,按需要与滑模衬砌机生产厂家协商确定或改变机型参数,如增加壁厚、改变渠型或结构;直接套用厂家定型机组的作法不可取,单纯追求节省投资选择过薄渠壁结构的做法更不可取。
3.3 滑模衬砌施工中应注意的问题
3.3.1 填方渠道填筑土方的密实程度至关重要,不密实则易在滑模衬砌浇筑振动成型过程中混凝土难以密实光滑,特别是土膜变型过大不能很好的支承混凝土渠壁,渠壁显现或隐蔽存在纵向裂缝(一般均在直壁与切点部位),混凝土凝固收缩则裂缝加宽和贯通,因此必须注意土膜的填筑质量要求。
3.3.2 干旱高强度蒸发地区,施工安排不当则造成土膜含水率低或表面蒸发脱水干燥,滑模浇筑混凝土过程中,由于混凝渠壁很薄,土膜迅速吸水使未成混凝土脱水和易性变差,造成振动不密实、不光滑和蜂窝麻面过多,这是目前较常见的质量问题。根据各地实际情况可采取的措施:①合理安排施工计划,渠道自上而下逐级(段)建设,创造良好的供水条件;②衬砌施工前引水充分浸泡渠床,边挖边衬不脱节;③提高混凝土标号和衬砌厚度;④严格控制砂石料比例,克服以往直接采用不筛分毛砂的作法,防止骨料过多造成和易性变差;⑤混凝土配比试验按适当加大水灰比和砂率考虑配比;⑥掺加木质素磺酸钙、糖蜜、腐殖酸、松香热聚物引气型等各类普通型减水剂,在不减水泥用量的情况下单方混凝土成本仅增加几元,可有效改善混凝土和易性,增加返浆性能对克服因土膜吸水或配料不当等由拌和料和易性变差造成的振捣、收面等质量问题大有益处,尤其是U型混凝土薄壁结构施工特殊的情况下,应当作为施工技术措施特别强调和要求。
4 提出探讨的几个问题
应当强调适度增大混凝土设计标号,这是因现一般渠道衬砌混凝土标号均为150#,而目前生产水泥标号均在425#以上,这样高标号水泥配低标号混凝土不但施工中和易性差,尤其对衬砌型渠薄壁结构极为不利;另一方面对北方大部地区防渗抗冻融及冻胀破坏也不利,适当增加混凝土设计标号是必要的。
从保证施工质量、运行安全及减少维护的观点出发,现厂家定型的滑模衬砌机型系列D30和D40型号设计衬砌壁厚应由4~5cm增大到6~7cm,其它渠型视实际增大1~2cm的厚度也是必要的。由于滑模衬砌整体型混凝土渠本身就具有相对节省30~50%的投资费用优势,为进一步扩大推广和适用范围,尤其着眼点放在加强整体结构性和增强防渗、抗冻及长久安全使用上考虑,增加混凝土设计标号、衬砌渠壁厚度、掺加减水剂等措施应当经济上可行,相反不应片面以节省投资为目的而不适当追求过薄的壁厚和采用较低的设计标号。
增加不同条件下应用滑模衬砌施工的多种断面或结构的衬砌机型系列。
现定型系列滑模衬砌机设计衬砌U型渠园弧夹角152°、宽深比约为1;沙质土壤填筑渠床时由于渠壁过徒土膜易坍塌难以成型,尤其不能采用配套生产的土膜开挖整形机组施工,而该机组不仅开挖成型的断面标准,减少无谓增厚导致的浪费,而且生产效率高成型费用低;因此应增加减少圆心夹角、增大边坡坡度的衬砌断面机组型号系列。
提高中小型U型渠道抗冻胀破坏能力除考虑增加壁厚和混凝土标号外还应采取适当的结构和断面形式。
在滑模衬砌机震动模至拖模园弧中心底部加装整根高度为渠底衬砌厚1/2的“V”型切力,震动模处固定、减震模和拖模横向固定而轴线方向有一定自由度,形成纵向拼装渠型结构,反拱仍可抵抗垂直抬升的冻胀力,但横向则由刚性变为铰接的柔性结构,用适应水平冻胀变形来消除冻胀力破坏,U型渠体结构本身不承受冻胀压力造成的弯矩和剪切力,即变刚性结构为柔性结构切缝用聚乙烯油膏止水。
根据U型渠道受冻胀危害主要表现在水平方向且多出现直壁段与园弧切点处呈纵向裂缝甚至鼓出的特点,建议增加一是渠壁增厚的变截面U型渠衬砌机型系列;二是形成改进减小园心夹角、减小直壁段高度、宽深比达1.2~1.5的宽浅式断面,不但有利于减轻承受水平冻胀挤压力的面积和提高冻胀承受力,而且在冻胀消失后使渠道衬砌结构易于随土床的复位而恢复渠型。
5 几点建议
如前所述,滑模衬砌浇筑U型混凝土U型渠道所具有诸多优点和优势是不容忽视的,在我国现阶段节灌任务极为繁重和艰巨的情况下,应当更进一步研究加大和加快推广力度,同时必须为适应不同地区和条件提供推广的条件。
丰富适应不同条件和需求的滑模衬砌多种系列、不同结构的产品类型。
应当深入研究和总结各地推广应用经常遇到的问题,编写更详细的指导性技术资料,避免用户走弯路。
滑模衬砌U型混凝土渠道的施工技术自发明到推广应用也已20余年,而且在全国较大范围得到应用,应当形成国家级或至少是省级的技术标准和施工规范。
施工过程中生产环节越多,尤其是人工操作介入越多,则工程质量控制中的漏洞也越多,从而也影响到今后运行管理;不同的设计施工方案选择不但决定施工质量管理的难易而且在建设费用的投入方面更存在极大差异;滑模机械化自动衬砌渠道在同等条件下应当是克服以上一系列痹病和问题的较好选择;研究总结的目的是为进一步推广,但要适应不同需求和条件就必须改进以创造广泛推广的基础。
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