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农田水利装配式混凝土渠道应用技术研究综述

发布时间:2019-07-04 16:02所属分类:农业论文浏览:1

摘要:从配合比设计、结构设计、生产工艺、施工工艺以及质量控制等方面阐述了田间装配式混凝土渠道应用技术的研究现状,指出了目前工程应用中存在的问题及今后的研究方向,可为田间装配式混凝土渠道相关产品的研发与应用提供技术参考。 关键词:田间;装配式

  摘要:从配合比设计、结构设计、生产工艺、施工工艺以及质量控制等方面阐述了田间装配式混凝土渠道应用技术的研究现状,指出了目前工程应用中存在的问题及今后的研究方向,可为田间装配式混凝土渠道相关产品的研发与应用提供技术参考。

  关键词:田间;装配式混凝土渠道;斗农渠;应用技术

吉林水利

  0前言

  装配式混凝土构件作为建筑工业化的产物具有工程质量易于控制,便于管理和工厂化生产等优点,其生产机械、模具、场地能得到充分利用,且其生产、施工,对周围环境影响较小。目前,装配式混凝土构件在建筑领域发展较迅速,其在水利工程领域中的应用于20世纪60年代虽有尝试,但随后相关研究曾一度停滞,直至1993年国家科技委把“农田水利装配式建筑物技术”列为国家级科技成果重点推广计划,装配式混凝土制品在水利工程领域中的研究与应用才又得到重视。

  20多年来,在农田水利装配式混凝土构件技术的研究和推广上,尽管诸多学者做了大量的工作,但推广工作至今仍未取得较大进展。本文对田间装配式混凝土渠道,从配合比设计、结构设计、生产工艺、施工工艺以及质量控制等多个方面对国内外相关的研究进展进行了综述,阐述了其目前存在的问题,并提出了相关建议,以期为田间装配式混凝土渠道应用技术的进一步推广和应用提供参考。

  1配合比设计

  1.1技术参数

  目前,装配式混凝土渠道多采用普通干硬性混凝土,其技术参数主要包括混凝土强度等级、抗渗等级和抗冻等级。GB/T32748—2016《渠道衬砌与防渗材料》规定,小型渠道衬砌混凝土强度等级不应低于C15,抗渗等级不低于W4,抗冻等级在寒冷和严寒地区不低于F50。按照此标准,由于混凝土强度不高,采用干硬性混凝土普遍存在孔洞、蜂窝、裂缝等问题,抗渗等级和抗冻等级很难达到设计要求。另外,受水流冲刷的部位,水胶比的要求一般不大于0.50。

  因此,在生产中混凝土强度应适当提高。蒋元海[1]认为装配式混凝土渠槽一般很少配筋,在混凝土强度较低的情况下常出现搬运破损现象,因此,为降低产品在运输过程中的破损率,提高工程施工质量,建议混凝土抗压强度不低于30MPa。有关研究表明,U型槽采用C15~C20混凝土,强度偏低,尤其在寒区,强度和抗冻要求较高,建议使用C50F300混凝土。

  1.2混凝土种类

  由于装配式混凝土渠道属于薄板结构,在浇筑及运行过程中极易出现裂缝,影响渠道的正常运行,因此,混凝土原材料和种类的选择尤为关键[2]。目前,针对混凝土渠道原材料的相关参数已有相关规定[1],但混凝土种类的选择尚无标准,文献[3-4]对此观点也不统一。

  通过对膨胀混凝土的性能试验与分析以及在衬砌渠道工程中的应用实践表明,利用膨胀混凝土衬砌渠道较普通混凝土防渗、抗裂性好,并具有显著的经济效益。另有研究通过分析P·O42.5级水泥掺量、钢渣微粉掺量对胶凝材料安定性的影响规律,对比钢渣微粉对胶凝材料安定性的影响,生产出了表面光滑、无裂纹且工业废渣超过胶凝材料的70%的混凝土防渗U型槽。苏炜焕[3]研制了聚丙烯纤维混凝土U型槽,认为混凝土的力学性能和耐久性能得到大幅度改善。

  陶琦[4]提出了采用自密实RPC混凝土生产新型装配式U型渠,与传统U型渠道相比具有外观质量好、强度高、耐久性好,安装方便、施工便捷,占地面积小等优点。笔者认为,目前研发的新型混凝土性能虽基本能满足使用要求,但由于构件普遍较重,田间吊装已成为当下的技术瓶颈,因此,同时满足轻质量、低坍落度和高耐久性等技术指标的新型混凝土配合比的设计与研发尤为迫切。此外,对于装配式混凝土渠槽种类的选择,不仅要从材料方面考虑,还要考虑结构形式,如是否配筋等。

  2结构设计

  2.1最佳断面型式

  田间渠道常见的断面型式有:梯形、矩形、抛物线形以及U形等。由于U型渠道下部为半圆曲线,没有梯形、矩形断面的坡脚死角,流速分布较均匀,无涡流回流现象,其湿周短、水力半径大,符合水流的自然特性,使用U型断面不仅可提高渠道输水能力,有利于缩短灌溉周期,而且增大了水流挟沙能力,渠道不易产生淤积现象,为最佳水力断面。据统计,U型断面较梯形断面每公里输水损失可减少3.7%。20世纪70年代,U型渠道在日本、法国和意大利等国得到了广泛应用,断面形式大多是半圆、抛物线和半椭圆,我国近年来采用最多的是半圆形加直线段的断面形式。

  2.2U型渠尺寸和外倾角

  U型断面衬砌从结构上减少了冻胀破坏现象,但存在断面不优化、受力不均匀等问题,适用范围受限,在强冻胀情况下,圆弧段与直线段连接处易出现裂缝和断裂。现阶段断面优化方法主要有混合遗传算法、猫群算法和人工蜂群算法等。研究表明,最佳受力断面形式如下:直线段高度为半圆形直径的1/3~1/2,直线段稍向外倾斜(以1∶0.2为宜),顶部向外延伸宽度可取壁厚的2~3倍。陆立国[5]在研究宁夏灌区斗(农)渠衬砌结构优化定型时,提出外倾角为11.3~21.8°时出现裂缝或断裂的现象较少,并认为外倾角大小是决定U型弧板破坏的关键因素。

  刘定民[6]从混凝土外观质量、抗冻胀性效果、节水性能、占地面积、工程成本和流态等方面综合比较了U型渠槽8.5°、12°、15°和18°四种外倾角,认为12°外倾角为最佳。通过理论分析可知,渠道的外倾角越大,渠道的稳定性越好,但在实际应用中,由于外倾角的增大会占用过多的耕地面积,因此,选择外倾角应根据当地工程特点和气候特征,在满足冻胀破坏、土压力的同时尽可能占用较少的耕地。

  2.3生产长度

  对于渠槽生产长度,工程建设最常用的是50cm或75cm。黑龙江水科院[9]提出了一种新型矩形槽,其生产长度为2m,是传统U型槽尺寸的4倍。当前U型渠槽的生产长度主要由工程实践决定,缺少相关理论支持,为此,需研究一定长度和断面尺寸的渠道(考虑边界约束条件)在温度应力、地下水压力等耦合作用下的最大变形与混凝土自身抗拉强度的关系,并综合考虑生产、运输、吊装、拼缝处理、劳动成本等因素,从而最终确定最佳生产长度。

  3生产工艺

  装配式混凝土渠道的浇筑和养护均在预制厂完成,其生产工艺对产品质量和生产成本起着决定性作用,而生产工艺需根据混凝土拌合物的流态来确定。刘志明[11]总结了国内装配式混凝土构件的拆分技术、制造技术和施工工艺流程等,认为普通细石混凝土进行浇筑有利于提高混凝土的强度和耐久性,并提出了干湿热养护法蒸汽养护的工艺。另外,有关文献对装配式混凝土U型渠槽进行蒸汽养护并进行试验,提出了满足要求的混凝土配合比。

  4施工工艺

  4.1运输与吊装

  由于混凝土U型槽由曲面组成,构件较薄,装卸运输中构件受力不均匀易造成构件的断裂与破损。在产品运输过程中,工作人员的疏忽常常会造成裂缝、掉角现象。目前,由于田间施工大型机械设备、吊装机难以进出,为便于人工搬运,混凝土U型槽长度最常见的尺寸为50~75cm,然而混凝土U型槽生产长度越小,拼接缝施工越多,不仅提高了施工成本,工程质量也难以保证。为尽可能降低产品在运输或搬运过程中的破损率,运输工具及吊装设备配置、运输路线和吊点设置的合理规划等都必须进行统筹兼顾。另外,可以从提高产品质量、优化产品形状或者改变运输方式等方面进行研究或通过研发田间微型吊装机或搬运车、田间轨道等进行吊装大尺寸混凝土U型槽以代替传统的人工搬运。

  5质量控制

  装配式混凝土渠道的质量控制指标包括:外观质量、抗渗性能、抗冻性能和抗压强度。现阶段质量控制针对更多的是混凝土预制构件产品本身的质量,对于工程实体的质量还未引起足够的重视。产品的外观和尺寸偏差可通过肉眼观察和量测得到,而工程实体验收时的质量控制较困难,有关研究认为渠道衬砌的隐伏裂缝、超过1cm的混凝土厚度变化、垫层破坏程度都可在探地雷达(GPR)剖面上得到有效反映。

  有关抗渗试验的研究较为成熟,产品一般采用注水法试验,工程实体较多采用静水法和动水法测渗。温和地区对产品抗冻性能不做要求,而寒冷和高寒地区一般通过提高混凝土抗压强度来控制抗冻指标。因此,混凝土抗压强度是反映混凝土工程质量及保证工程安全性及耐久性的核心指标。U型槽作为薄壁混凝土构件具有一定的特殊性,其骨料粒径、厚度及工作性与常态混凝土有较大区别,而装配式混凝土构件的特点要求U型槽施工安装时,不能现场取样,只能在制作产品时,取样成型,不能真实反映施工安装时U型槽混凝土的质量。

  JC/T2003—2009《灌排用预制混凝土渠槽》提出采用内外、压破坏试验来反映装配式U型渠槽的质量,但此种方法得到的是混凝土构件的抗折强度,并非构件实体的抗压强度。也有文献提出采用回弹法对薄壁小构件装配式渠槽进行强度试验,试图建立U型槽混凝土的无损检测测强曲线。但由于U型槽属于薄壁结构,回弹试验时会因振颤而产生能量损失,因此,难以准确建立测强曲线。因此,U型槽混凝土的抗拉强度和抗压强度现场检测方法仍将是今后研究的重点。

  6结语

  (1)装配式混凝土渠道工厂化预制、装配式施工是农田水利现代化建设的发展方向。

  (2)同时满足低坍落度、低弹模、轻质量和高耐久性等技术指标的新型混凝土配合比设计是今后田间装配式渠道应用技术研究的重要方向。

  (3)装配式混凝土渠道之间的连接工艺和方法需进一步完善,考虑生态因素和信息化计量因素的结构设计以及新型止水材料仍是当下研究的重点。

  (4)围绕工程中渠槽等薄壁混凝土构件的破损机理、制备技术、检测方法与质量标准等内容,在理论分析、数值模拟和模型试验的基础上,深入开展相应薄壁构件的检测方法和质量评价标准的研究将是今后研究方向。

  (5)应加强工程实体的质量控制,除强度和耐久性指标外,田间装配式混凝土渠道的结构连接质量、拼接缝的止水性能和隐蔽工程的外观质量等相关检测方法的制定也是未来研究的重要方向。

  (6)我国农田水利工程领域缺乏装配式预制混凝土构件生产及工程应用的相关规范,为保证产品质量,规范工程施工,编制相应的标准和规程尤为迫切和必要。

  参考文献:

  [1]蒋元海.《灌排用装配式混凝土渠槽》标准简介[J].混凝土与水泥制品,2009(4):23-27.

  [2]武永娜,孙景路,张守杰.新型U形结构在渠系防渗建筑物中的研究与应用[J],黑龙江水利科技,2015(10):15-18.

  [3]苏炜焕.聚丙烯纤维混凝土U型槽配合比试验研究[J].吉林水利,2013(2):1-3.

  水利工程师论文投稿刊物:《吉林水利》主管单位:吉林省水利厅,主办单位:吉林省水利宣传中心,国内统一刊号:22-1179/TV,国际标准刊号:1009-2846,水文水资源、水利工程与管理、农田水利、水利渔业、水利经济、工作研究、计算机应用。

  

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