發布時間：2019-07-04所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：從配合比設計、結構設計、生產工藝、施工工藝以及質量控制等方面闡述了田間裝配式混凝土渠道應用技術的研究現狀，指出了目前工程應用中存在的問題及今后的研究方向，可為田間裝配式混凝土渠道相關產品的研發與應用提供技術參考。 關鍵詞：田間;裝配式
摘要：從配合比設計、結構設計、生產工藝、施工工藝以及質量控制等方面闡述了田間裝配式混凝土渠道應用技術的研究現狀，指出了目前工程應用中存在的問題及今后的研究方向，可為田間裝配式混凝土渠道相關產品的研發與應用提供技術參考。
關鍵詞：田間;裝配式混凝土渠道;斗農渠;應用技術
0前言
裝配式混凝土構件作為建筑工業化的產物具有工程質量易于控制，便于管理和工廠化生產等優點，其生產機械、模具、場地能得到充分利用，且其生產、施工，對周圍環境影響較小。目前，裝配式混凝土構件在建筑領域發展較迅速，其在水利工程領域中的應用于20世紀60年代雖有嘗試，但隨后相關研究曾一度停滯，直至1993年國家科技委把“農田水利裝配式建筑物技術”列為國家級科技成果重點推廣計劃，裝配式混凝土制品在水利工程領域中的研究與應用才又得到重視。
20多年來，在農田水利裝配式混凝土構件技術的研究和推廣上，盡管諸多學者做了大量的工作，但推廣工作至今仍未取得較大進展。本文對田間裝配式混凝土渠道，從配合比設計、結構設計、生產工藝、施工工藝以及質量控制等多個方面對國內外相關的研究進展進行了綜述，闡述了其目前存在的問題，并提出了相關建議，以期為田間裝配式混凝土渠道應用技術的進一步推廣和應用提供參考。
1配合比設計
1.1技術參數
目前，裝配式混凝土渠道多采用普通干硬性混凝土，其技術參數主要包括混凝土強度等級、抗滲等級和抗凍等級。GB/T32748—2016《渠道襯砌與防滲材料》規定，小型渠道襯砌混凝土強度等級不應低于C15，抗滲等級不低于W4，抗凍等級在寒冷和嚴寒地區不低于F50。按照此標準，由于混凝土強度不高，采用干硬性混凝土普遍存在孔洞、蜂窩、裂縫等問題，抗滲等級和抗凍等級很難達到設計要求。另外，受水流沖刷的部位，水膠比的要求一般不大于0.50。
因此，在生產中混凝土強度應適當提高。蔣元海[1]認為裝配式混凝土渠槽一般很少配筋，在混凝土強度較低的情況下常出現搬運破損現象，因此，為降低產品在運輸過程中的破損率，提高工程施工質量，建議混凝土抗壓強度不低于30MPa。有關研究表明，U型槽采用C15~C20混凝土，強度偏低，尤其在寒區，強度和抗凍要求較高，建議使用C50F300混凝土。
1.2混凝土種類
由于裝配式混凝土渠道屬于薄板結構，在澆筑及運行過程中極易出現裂縫，影響渠道的正常運行，因此，混凝土原材料和種類的選擇尤為關鍵[2]。目前，針對混凝土渠道原材料的相關參數已有相關規定[1]，但混凝土種類的選擇尚無標準，文獻[3-4]對此觀點也不統一。
通過對膨脹混凝土的性能試驗與分析以及在襯砌渠道工程中的應用實踐表明，利用膨脹混凝土襯砌渠道較普通混凝土防滲、抗裂性好，并具有顯著的經濟效益。另有研究通過分析P·O42.5級水泥摻量、鋼渣微粉摻量對膠凝材料安定性的影響規律，對比鋼渣微粉對膠凝材料安定性的影響，生產出了表面光滑、無裂紋且工業廢渣超過膠凝材料的70%的混凝土防滲U型槽。蘇煒煥[3]研制了聚丙烯纖維混凝土U型槽，認為混凝土的力學性能和耐久性能得到大幅度改善。
陶琦[4]提出了采用自密實RPC混凝土生產新型裝配式U型渠，與傳統U型渠道相比具有外觀質量好、強度高、耐久性好，安裝方便、施工便捷，占地面積小等優點。筆者認為，目前研發的新型混凝土性能雖基本能滿足使用要求，但由于構件普遍較重，田間吊裝已成為當下的技術瓶頸，因此，同時滿足輕質量、低坍落度和高耐久性等技術指標的新型混凝土配合比的設計與研發尤為迫切。此外，對于裝配式混凝土渠槽種類的選擇，不僅要從材料方面考慮，還要考慮結構形式，如是否配筋等。
2結構設計
2.1最佳斷面型式
田間渠道常見的斷面型式有：梯形、矩形、拋物線形以及U形等。由于U型渠道下部為半圓曲線，沒有梯形、矩形斷面的坡腳死角，流速分布較均勻，無渦流回流現象，其濕周短、水力半徑大，符合水流的自然特性，使用U型斷面不僅可提高渠道輸水能力，有利于縮短灌溉周期，而且增大了水流挾沙能力，渠道不易產生淤積現象，為最佳水力斷面。據統計，U型斷面較梯形斷面每公里輸水損失可減少3.7%。20世紀70年代，U型渠道在日本、法國和意大利等國得到了廣泛應用，斷面形式大多是半圓、拋物線和半橢圓，我國近年來采用最多的是半圓形加直線段的斷面形式。
2.2U型渠尺寸和外傾角
U型斷面襯砌從結構上減少了凍脹破壞現象，但存在斷面不優化、受力不均勻等問題，適用范圍受限，在強凍脹情況下，圓弧段與直線段連接處易出現裂縫和斷裂。現階段斷面優化方法主要有混合遺傳算法、貓群算法和人工蜂群算法等。研究表明，最佳受力斷面形式如下：直線段高度為半圓形直徑的1/3~1/2，直線段稍向外傾斜(以1∶0.2為宜)，頂部向外延伸寬度可取壁厚的2~3倍。陸立國[5]在研究寧夏灌區斗(農)渠襯砌結構優化定型時，提出外傾角為11.3~21.8°時出現裂縫或斷裂的現象較少，并認為外傾角大小是決定U型弧板破壞的關鍵因素。
劉定民[6]從混凝土外觀質量、抗凍脹性效果、節水性能、占地面積、工程成本和流態等方面綜合比較了U型渠槽8.5°、12°、15°和18°四種外傾角，認為12°外傾角為最佳。通過理論分析可知，渠道的外傾角越大，渠道的穩定性越好，但在實際應用中，由于外傾角的增大會占用過多的耕地面積，因此，選擇外傾角應根據當地工程特點和氣候特征，在滿足凍脹破壞、土壓力的同時盡可能占用較少的耕地。
2.3生產長度
對于渠槽生產長度，工程建設最常用的是50cm或75cm。黑龍江水科院[9]提出了一種新型矩形槽，其生產長度為2m，是傳統U型槽尺寸的4倍。當前U型渠槽的生產長度主要由工程實踐決定，缺少相關理論支持，為此，需研究一定長度和斷面尺寸的渠道(考慮邊界約束條件)在溫度應力、地下水壓力等耦合作用下的最大變形與混凝土自身抗拉強度的關系，并綜合考慮生產、運輸、吊裝、拼縫處理、勞動成本等因素，從而最終確定最佳生產長度。
3生產工藝
裝配式混凝土渠道的澆筑和養護均在預制廠完成，其生產工藝對產品質量和生產成本起著決定性作用，而生產工藝需根據混凝土拌合物的流態來確定。劉志明[11]總結了國內裝配式混凝土構件的拆分技術、制造技術和施工工藝流程等，認為普通細石混凝土進行澆筑有利于提高混凝土的強度和耐久性，并提出了干濕熱養護法蒸汽養護的工藝。另外，有關文獻對裝配式混凝土U型渠槽進行蒸汽養護并進行試驗，提出了滿足要求的混凝土配合比。
4施工工藝
4.1運輸與吊裝
由于混凝土U型槽由曲面組成，構件較薄，裝卸運輸中構件受力不均勻易造成構件的斷裂與破損。在產品運輸過程中，工作人員的疏忽常常會造成裂縫、掉角現象。目前，由于田間施工大型機械設備、吊裝機難以進出，為便于人工搬運，混凝土U型槽長度最常見的尺寸為50~75cm，然而混凝土U型槽生產長度越小，拼接縫施工越多，不僅提高了施工成本，工程質量也難以保證。為盡可能降低產品在運輸或搬運過程中的破損率，運輸工具及吊裝設備配置、運輸路線和吊點設置的合理規劃等都必須進行統籌兼顧。另外，可以從提高產品質量、優化產品形狀或者改變運輸方式等方面進行研究或通過研發田間微型吊裝機或搬運車、田間軌道等進行吊裝大尺寸混凝土U型槽以代替傳統的人工搬運。
5質量控制
裝配式混凝土渠道的質量控制指標包括：外觀質量、抗滲性能、抗凍性能和抗壓強度�，F階段質量控制針對更多的是混凝土預制構件產品本身的質量，對于工程實體的質量還未引起足夠的重視。產品的外觀和尺寸偏差可通過肉眼觀察和量測得到，而工程實體驗收時的質量控制較困難，有關研究認為渠道襯砌的隱伏裂縫、超過1cm的混凝土厚度變化、墊層破壞程度都可在探地雷達(GPR)剖面上得到有效反映。
有關抗滲試驗的研究較為成熟，產品一般采用注水法試驗，工程實體較多采用靜水法和動水法測滲。溫和地區對產品抗凍性能不做要求，而寒冷和高寒地區一般通過提高混凝土抗壓強度來控制抗凍指標。因此，混凝土抗壓強度是反映混凝土工程質量及保證工程安全性及耐久性的核心指標。U型槽作為薄壁混凝土構件具有一定的特殊性，其骨料粒徑、厚度及工作性與常態混凝土有較大區別，而裝配式混凝土構件的特點要求U型槽施工安裝時，不能現場取樣，只能在制作產品時，取樣成型，不能真實反映施工安裝時U型槽混凝土的質量。
JC/T2003—2009《灌排用預制混凝土渠槽》提出采用內外、壓破壞試驗來反映裝配式U型渠槽的質量，但此種方法得到的是混凝土構件的抗折強度，并非構件實體的抗壓強度。也有文獻提出采用回彈法對薄壁小構件裝配式渠槽進行強度試驗，試圖建立U型槽混凝土的無損檢測測強曲線。但由于U型槽屬于薄壁結構，回彈試驗時會因振顫而產生能量損失，因此，難以準確建立測強曲線。因此，U型槽混凝土的抗拉強度和抗壓強度現場檢測方法仍將是今后研究的重點。
6結語
(1)裝配式混凝土渠道工廠化預制、裝配式施工是農田水利現代化建設的發展方向。
(2)同時滿足低坍落度、低彈模、輕質量和高耐久性等技術指標的新型混凝土配合比設計是今后田間裝配式渠道應用技術研究的重要方向。
(3)裝配式混凝土渠道之間的連接工藝和方法需進一步完善，考慮生態因素和信息化計量因素的結構設計以及新型止水材料仍是當下研究的重點。
(4)圍繞工程中渠槽等薄壁混凝土構件的破損機理、制備技術、檢測方法與質量標準等內容，在理論分析、數值模擬和模型試驗的基礎上，深入開展相應薄壁構件的檢測方法和質量評價標準的研究將是今后研究方向。
(5)應加強工程實體的質量控制，除強度和耐久性指標外，田間裝配式混凝土渠道的結構連接質量、拼接縫的止水性能和隱蔽工程的外觀質量等相關檢測方法的制定也是未來研究的重要方向。
(6)我國農田水利工程領域缺乏裝配式預制混凝土構件生產及工程應用的相關規范，為保證產品質量，規范工程施工，編制相應的標準和規程尤為迫切和必要。
參考文獻：
[1]蔣元海.《灌排用裝配式混凝土渠槽》標準簡介[J].混凝土與水泥制品,2009(4):23-27.
[2]武永娜,孫景路,張守杰.新型U形結構在渠系防滲建筑物中的研究與應用[J],黑龍江水利科技,2015(10):15-18.
[3]蘇煒煥.聚丙烯纖維混凝土U型槽配合比試驗研究[J].吉林水利,2013(2):1-3.
水利工程師論文投稿刊物：《吉林水利》主管單位：吉林省水利廳，主辦單位：吉林省水利宣傳中心，國內統一刊號：22-1179/TV，國際標準刊號：1009-2846，水文水資源、水利工程與管理、農田水利、水利漁業、水利經濟、工作研究、計算機應用。
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