石自堂，孫春光，朱雨平

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.湖北楚峰水電工程有限公司，湖北 荊州 434020)

1 混凝土U型渠的施工方法

混凝土U型渠自20世紀(jì)70年代投運(yùn)以來(lái)，由于其水力條件和受力條件較優(yōu)[1]，在國(guó)內(nèi)外得到了迅速推廣。目前，混凝土U型渠已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)田灌溉末級(jí)渠系(斗、農(nóng)渠)優(yōu)先選擇的渠型。

混凝土U型渠的廣泛應(yīng)用催生了多種施工方法，且這些方法在不斷向高效率的機(jī)械化方向發(fā)展。盡管施工步驟在不斷簡(jiǎn)化，但總體可以歸納為土方渠道碾壓密實(shí)，斷面開(kāi)挖成型，混凝土襯砌這三步，其中混凝土襯砌又有現(xiàn)澆襯砌及預(yù)制混凝土槽襯砌兩種方法[2]。下面簡(jiǎn)要介紹這兩種混凝土襯砌方法。

1.1 現(xiàn)澆襯砌

U型渠現(xiàn)澆襯砌方法是先將土方渠道碾壓密實(shí)，再開(kāi)挖U斷面，利用模具邊澆筑、邊機(jī)械振動(dòng)、邊擠壓成型。渠道開(kāi)挖成型是根據(jù)渠道開(kāi)口寬度、深度、形狀等特性設(shè)計(jì)模具對(duì)開(kāi)挖基本成型的土渠進(jìn)行夯實(shí)、擠壓成型，形成通常所說(shuō)的土模(也稱底模)；還要做一套內(nèi)模，其材料是鋼材，內(nèi)外模具配套使用，以保證混凝土澆筑厚度均勻一致。混凝土現(xiàn)澆施工時(shí)，多采用U型開(kāi)挖機(jī)進(jìn)行土模開(kāi)槽，混凝土襯砌機(jī)套用內(nèi)模進(jìn)行澆筑，振動(dòng)與擠壓均由襯砌機(jī)完成。目前在我國(guó)現(xiàn)澆襯砌多為半人工半機(jī)械。

1.2 預(yù)制混凝土槽施工

預(yù)制混凝土槽襯砌需在專用的混凝土構(gòu)件制作場(chǎng)地預(yù)制混凝土U型槽。由于混凝土的重度較大，限制于上裝、搬運(yùn)、下卸等運(yùn)輸及施工條件，故U型槽不能很厚、每節(jié)不能很長(zhǎng)。在預(yù)制混凝土施工時(shí)，薄殼形狀的構(gòu)件導(dǎo)致混凝土水灰比、制模、振搗等難以控制，尤其是水灰比不穩(wěn)定、振搗不密實(shí)，直接影響預(yù)制成品的抗?jié)B性能和耐久性。通常U型槽構(gòu)件的長(zhǎng)度控制在50 cm，構(gòu)件之間多用砂漿勾縫[3]，其砂漿強(qiáng)度低且勾縫的寬度和深度很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，渠槽接縫的接頭或勾縫往往會(huì)成為該渠槽的薄弱點(diǎn)，經(jīng)常在渠道完工或運(yùn)用后不久就出現(xiàn)裂縫、錯(cuò)縫或沉降，造成襯砌的渠道生長(zhǎng)雜草，不僅不能很好發(fā)揮U型渠的防滲、過(guò)水等功能，而且還影響觀感。由于此類方法速度慢且質(zhì)量難以保證，不宜連續(xù)機(jī)械化施工。

2 混凝土U型渠施工環(huán)節(jié)與施工難點(diǎn)

2.1 混凝土U型渠的施工環(huán)節(jié)

在混凝土U型渠的施工過(guò)程中，每步的施工質(zhì)量好壞將對(duì)U型渠的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，甚至直接決定混凝土U型渠的使用壽命，下面就涉及的施工環(huán)節(jié)如土方渠道碾壓、U斷面開(kāi)挖、混凝土現(xiàn)澆襯砌等進(jìn)行論述。

2.2 土方渠道碾壓

土方渠道碾壓之前先要對(duì)土方渠道進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)斷面加工，即對(duì)低洼處進(jìn)行土方回填、高處開(kāi)挖，初步形成標(biāo)準(zhǔn)斷面；再對(duì)不密實(shí)的土體進(jìn)行碾壓，特別是對(duì)回填土的碾壓要求更高。碾壓過(guò)程中要控制土方厚度、土料含水量、碾壓遍數(shù)等，最終控制指標(biāo)為密實(shí)度。

土方碾壓對(duì)混凝土質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在混凝土防滲層的厚薄和沉降變形上。由于碾壓后的土方是混凝土襯砌的外?；A(chǔ)，在土方制備外模的過(guò)程當(dāng)中，不密實(shí)土層容易發(fā)生變形，造成外模不標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)、外模之間的間距不一致，導(dǎo)致U渠混凝土厚薄不一致，易使混凝土產(chǎn)生裂縫，降低混凝土強(qiáng)度和承載能力。同時(shí)，不密實(shí)土層容易在渠道后續(xù)運(yùn)行中發(fā)生沉降變形，導(dǎo)致混凝土渠槽局部發(fā)生脫層現(xiàn)象，在渠道內(nèi)水壓力的作用下，使渠槽底部產(chǎn)生集中的拉應(yīng)力，易形成貫穿裂縫，造成渠道滲漏[4]。

2.3 U斷面開(kāi)挖

目前開(kāi)挖的工作方式主要是機(jī)械粗挖與人工精修結(jié)合，其中機(jī)械粗挖是借助挖掘機(jī)或開(kāi)溝機(jī)等機(jī)械沿一條放線粗挖渠道[5]。人工精修工作則是依靠人力，借助外模模板來(lái)對(duì)粗挖后的渠道進(jìn)行修飾和整平，最后做成一個(gè)較為完整的U型渠槽毛斷面。

渠道粗挖前，需要用經(jīng)緯儀復(fù)核渠道的中心控制線，校核渠線的方向，要求兩次測(cè)角誤差不超過(guò)30″。若方向存在偏差，致使襯砌形成的混凝土渠道不順直，后續(xù)感觀效果很差。

2.4 混凝土現(xiàn)澆襯砌

混凝土現(xiàn)澆襯砌既是工程施工的難點(diǎn)，也是工程的關(guān)鍵點(diǎn)。

(1)難點(diǎn)在于現(xiàn)澆襯砌時(shí)的要防止未凝固的混凝土塌落。在幾乎鉛直、較密實(shí)的U型土渠外壁上現(xiàn)澆混凝土襯砌，要保證未凝固的混凝土立住、站穩(wěn)，其難度很大，這個(gè)問(wèn)題是現(xiàn)澆混凝土施工中普遍存在的，以往的現(xiàn)澆施工中，采用的解決辦法通常是：①延長(zhǎng)模具定型時(shí)間，充分約束混凝土拌和物，等其終凝后再拆模；②采用一定手段降低混凝土的流動(dòng)性，包括降低水灰比、選擇碎石作為粗骨料等；③摻用混凝土速凝劑。

(2)重點(diǎn)在于確保混凝土現(xiàn)澆襯砌的質(zhì)量?，F(xiàn)澆襯砌時(shí)，要防止未凝固的混凝土塌落只是一個(gè)方面，更重要的是保證襯砌混凝土的強(qiáng)度、厚度等質(zhì)量要求。影響混凝土質(zhì)量的因素很多，如：混凝土骨料級(jí)配、水灰比、振搗等。在目前的混凝土U型渠現(xiàn)澆施工中，混凝土宜采用細(xì)骨料級(jí)配、控制合適的坍落度與水灰比；機(jī)械振搗器帶動(dòng)混凝土振動(dòng)，降低混凝土本身的黏著程度，使骨料下沉，減少水泥縫隙，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)密實(shí)程度和硬化速度。

3 混凝土U型渠施工機(jī)械

湖北楚峰水電工程有限公司于2006年就承接了U型渠的施工項(xiàng)目，由于沒(méi)有施工機(jī)械，只能采用傳統(tǒng)的人工施工方法，不僅做出的渠道質(zhì)量不好、外觀差，不能盈利不說(shuō)，而且還有合同額5%的虧損。從2007年初開(kāi)始探索研制用于此類施工的機(jī)械，如小型壓土機(jī)、挖掘機(jī)、襯砌機(jī)等，施工進(jìn)度和質(zhì)量都有很大提高，當(dāng)年就有小盈利。此后相繼研制了第一代、第二代U型溝渠土方掘進(jìn)襯砌機(jī)。截止到2010年，第三代U型溝渠土方掘進(jìn)襯砌一體機(jī)出現(xiàn)了，該一體機(jī)長(zhǎng)度8 300 mm(掘進(jìn)機(jī)部分4 300 mm、襯砌機(jī)部分3 200 mm、連接部分800 mm，根據(jù)需要可連接或脫開(kāi))、寬度1 835 mm，能獨(dú)立完成開(kāi)溝、碾壓、立模、襯砌等一體式工作，每分鐘能生產(chǎn)2 m U型渠道，該機(jī)生產(chǎn)的混凝土U型渠質(zhì)量好，壽命長(zhǎng)，外觀感好。由于該機(jī)機(jī)械化程度較高，施工節(jié)省了大量的人力，根據(jù)最近5年施工渠道的財(cái)務(wù)統(tǒng)計(jì)分析，生產(chǎn)U50以上的渠道，每公里可盈利1.5 萬(wàn)元以上。

3.1 U型一體機(jī)構(gòu)造與工作原理

該機(jī)稱為U型溝渠土方掘進(jìn)襯砌一體機(jī)，以柴油機(jī)為主體動(dòng)力，以履帶式拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)為驅(qū)動(dòng)裝置。履帶式拖拉機(jī)和其上的機(jī)組室、駕駛室組成機(jī)械主體，主機(jī)的前置部分是一個(gè)U形槽掘進(jìn)部件用以開(kāi)溝，后置部分為混凝土襯砌部件用于襯砌。柴油機(jī)經(jīng)通過(guò)皮帶與三個(gè)液壓泵并聯(lián)，三個(gè)液壓泵產(chǎn)生的液壓能傳遞給各個(gè)做功點(diǎn)的液壓馬達(dá)，提供行進(jìn)、掘土、排土所需的能量。掘進(jìn)部件采用開(kāi)溝葉片，螺旋輸送機(jī)，傾斜、水平傳送帶相結(jié)合將基礎(chǔ)開(kāi)挖成U型并將殘土輸送至溝渠一側(cè)，同時(shí)U型機(jī)碾壓土體，進(jìn)一步壓實(shí)土料。襯砌部件為一臺(tái)襯砌機(jī)，通過(guò)鋼絲繩懸掛在掘進(jìn)機(jī)后部，完成混凝土攤鋪、振搗、收光。該機(jī)械自帶動(dòng)力，能獨(dú)立完成U型渠的開(kāi)挖與襯砌工作[5]。該機(jī)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1 U型渠土方掘進(jìn)襯砌一體機(jī)簡(jiǎn)圖Fig.1 Brief introduction to U-shape excavating-and-lining machine 1-掘進(jìn)葉片；2-切土盤；3-U型掘進(jìn)筒；4-傾斜傳送帶；5-履帶；6-水平傳送帶；7-減速器；8-導(dǎo)向滑模；9-成型U型滑模；10-震動(dòng)器；11-壓邊板；12-翼板；13-分型板；14-液壓裝置；15-機(jī)組室；16-提升液壓缸

3.2 U型一體機(jī)施工過(guò)程

3.2.1 開(kāi)挖前的施工準(zhǔn)備工作

采用U型一體機(jī)建造混凝土U型渠時(shí)，其開(kāi)挖前施工步驟與傳統(tǒng)施工較為一致，都是按照施工放線、基礎(chǔ)清淤、土方填筑碾壓、布設(shè)控制線這四個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行。在這幾個(gè)步驟后，得到一個(gè)能使用U型一體機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖襯砌的施工作業(yè)面。

3.2.2 U型斷面開(kāi)挖及加固

掘進(jìn)機(jī)開(kāi)啟后，主機(jī)前方懸掛的U型掘進(jìn)部件在提升液壓缸的控制下插入基礎(chǔ)土層中。固定在掘進(jìn)部件主軸前端的掘進(jìn)葉片，在主軸帶動(dòng)下向前掘進(jìn)，懸著切割如圖2所示A部分土壤，該部分土壤在掘進(jìn)葉片的推動(dòng)下進(jìn)入U(xiǎn)型筒內(nèi)。隨后焊接在U型筒壁前端的兩片切土盤隨著車體整體前移，將剩余土壤(B部分)切下，掉落到U型筒內(nèi)，與A部分土壤一同向后輸送，接著由焊接在U型筒壁后側(cè)的螺旋輸送機(jī)輸送到傳送帶上，最后被排出溝渠，即完成了U型溝渠的初步成型，得到一個(gè)粗糙U型斷面。

圖2 U型一體機(jī)切土截面示意圖Fig.2 Sectional drawing of U-shape excavating-and-lining machine

在初步成型后是整形階段，掘進(jìn)葉片和切土盤后是一個(gè)U型筒，該U型筒與提升液壓缸相連接，并在提升液壓缸的壓力下緊壓地面。在U型一體機(jī)的行進(jìn)過(guò)程中，該U型筒充當(dāng)了壓板作用，能鏟凸補(bǔ)凹，連續(xù)修整U型斷面。同時(shí)，在掘進(jìn)過(guò)程中，U型一體機(jī)能利用自身重量再次碾壓溝渠基礎(chǔ)，在U型筒的約束作用下，不僅不會(huì)破壞U型渠斷面的完整性，還能進(jìn)一步提高溝渠土密實(shí)度。

3.2.3 混凝土現(xiàn)澆襯砌

U型渠斷面開(kāi)挖完成后，由U型一體機(jī)的后置部分(即襯砌機(jī))進(jìn)行U型槽混凝土襯砌。襯砌機(jī)通過(guò)一條粗鋼絲繩連接在主機(jī)后端，由主機(jī)為其提供前進(jìn)動(dòng)力。

襯砌機(jī)前端是一個(gè)與U型溝渠截面形狀一致的導(dǎo)向滑模，該滑摸能緊密貼合在U型溝渠截面上，其主要作用是為襯砌定向，也可以支撐整個(gè)襯砌機(jī)。在導(dǎo)向滑模的定向作用下，襯砌機(jī)沿著渠槽運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向滑模后方是成型滑模，成型滑模的尺寸比導(dǎo)向滑模小40～50 mm，充當(dāng)襯砌內(nèi)模的作用。在成型滑模中還集成有振動(dòng)器，其處于成型滑模和土模之間，呈45°角斜插狀態(tài)，可充分振搗要澆注混凝土的每個(gè)角落。成型滑模上方是混凝土料斗，混凝土由料斗底部的分料板分配到進(jìn)料口的兩側(cè)，進(jìn)入到成型滑模與U型溝渠之間的間隙中均勻攤鋪。此外，成型滑模兩側(cè)設(shè)置有壓邊板，可以對(duì)U型溝渠及鎖口中的混凝土進(jìn)行整形。

4 不同施工方法做出的U渠質(zhì)量對(duì)比

該U型一體機(jī)自2010年投入使用以來(lái)，先后在湖北省沙洋、荊州、武漢等地進(jìn)行了大量的U型渠道施工，承建U型渠道長(zhǎng)度達(dá)320 km。為了驗(yàn)證用該機(jī)施工的混凝土U型渠質(zhì)量，特聘請(qǐng)了有檢測(cè)資質(zhì)的單位對(duì)渠道質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)對(duì)象分別為用該機(jī)施工的混凝土U型渠和用傳統(tǒng)現(xiàn)澆方法施工的混凝土U型渠，樣本為荊州市內(nèi)的U型一體機(jī)施工渠道(3組樣本)與附近傳統(tǒng)現(xiàn)澆渠道(也為3組樣本)，6組樣本的渠道地理位置、建成時(shí)間、建筑材料相近，可以在一定程度上說(shuō)明是否使用機(jī)械施工的優(yōu)劣。檢測(cè)項(xiàng)目分別為渠道的外觀完整性、順直性、橫斷面尺寸標(biāo)準(zhǔn)性、襯砌層厚度合格率、填土密實(shí)度達(dá)標(biāo)率和渠道滲漏量等。

對(duì)檢測(cè)后記錄下的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，其成果見(jiàn)表1。

5 U型一體機(jī)施工優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的施工方法比，用U型溝渠土方掘進(jìn)襯砌一體機(jī)做成混凝土U型渠無(wú)論是外在的感觀、橫斷面尺寸標(biāo)準(zhǔn)度，還是渠基填土密實(shí)度、渠道滲漏量等方面都較優(yōu)，根據(jù)多年的反復(fù)研究，U型一體機(jī)施工主要優(yōu)勢(shì)為：

(1)選擇了合適的U型斷面。該斷面的形式如圖3。其斷面屬于直線圓弧相切型，其控制混凝土拌和物塌落的機(jī)理是：直線部分并非鉛直面，而是與鉛直面形成一定的角度，該角度有利于混凝土拌和物貼合在渠槽土表面，且不大幅增加占地費(fèi)用和施工成本[6]，在襯砌厚度為60 mm時(shí)，該角度通過(guò)論證確定在14°。

圖3 混凝土U型渠斷面Fig.3 Section of concrete U-shaped channel

(2)為保證混凝土U型渠施工質(zhì)量，重視和掌握土方渠道碾壓、U斷面開(kāi)挖、混凝土現(xiàn)澆襯砌等環(huán)節(jié)的施工方法；混凝土采用細(xì)骨料級(jí)配、控制合適的坍落度與水灰比；機(jī)械振搗器帶動(dòng)混凝土振動(dòng)，降低混凝土本身的黏著程度，使骨料下沉，減少水泥縫隙，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)密實(shí)程度和硬化速度。

(3)鎖口與渠身同時(shí)澆筑，見(jiàn)圖4。鎖口部分的混凝土在地基土的約束下保持一定形狀，同時(shí)其與渠身混凝土相連接，給渠身混凝土提供相應(yīng)的黏聚力，以克服在重力作用下向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，使渠身混凝土拌和物在初凝之前可以保持一定的形狀，不發(fā)生過(guò)大的變形，事實(shí)證明該改進(jìn)措施起到了極大作用。

表1 兩種施工渠道質(zhì)量檢測(cè)對(duì)照表Tab.1 Comparison of quality inspection of two construction channels

注：傳統(tǒng)現(xiàn)澆法施工是指采用機(jī)械、配合人工碾壓、開(kāi)挖成型，現(xiàn)場(chǎng)立模，人工現(xiàn)澆、振搗混凝土的方法。

圖4 渠身鎖口示意圖Fig.4 Schematic of canal body and fore shaft

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