鄭 勇 ，唐小娟

(甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

水窖在我國(guó)西部無(wú)集中供水條件的地區(qū)被廣泛使用，是用來(lái)收集和儲(chǔ)存雨水的關(guān)鍵性建筑物，其主要建設(shè)材料為混凝土，目前正在使用的混凝土水窖有930萬(wàn)個(gè)[1]，主要用于飲用水之目的的人口約有300萬(wàn)人[2]。西部地區(qū)使用的混凝土水窖大部分依據(jù)《雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范》GB/T50596-2010[3]，水窖窖體采用混凝土澆筑，窖體抗壓、抗拉強(qiáng)度依靠混凝土澆筑的厚度，一般情況下30 m3的水窖窖壁厚度要大于15 cm；防滲依靠在窖壁表面涂刷純水泥漿。根據(jù)對(duì)西部地區(qū)混凝土水窖使用情況普查，影響混凝土水窖破損的主要原因是窖壁滲漏和混凝土強(qiáng)度不夠。其缺陷主要表現(xiàn)在：①防滲處理主要依靠在窖壁表面涂刷純水泥漿?；炷了殉尚托钏?，水泥中的膠凝物會(huì)向水中逐漸析出，造成純水泥漿與混凝土窖壁分離，窖壁防滲效果降低，水從窖壁滲出后，窖壁后的黃土層遇水失陷，造成窖壁后空洞，窖壁失去穩(wěn)定被拉裂，使水窖漏水，報(bào)廢；②窖蓋厚度大于20 cm，重量大，移動(dòng)難，窖體只能人工開(kāi)挖，窖壁施工需要模板支護(hù)，導(dǎo)致水窖造價(jià)偏高；③由于混凝土強(qiáng)度限制，水窖容積受限。通過(guò)對(duì)甘肅省會(huì)寧縣實(shí)際普查，結(jié)果表明：3年內(nèi)，30 m3以上的水窖破損率為39.4%，且水窖容積越大破損率越高，因此當(dāng)前黃土高原地區(qū)水窖容積一般都在30 m3之內(nèi)。

1 設(shè)計(jì)思路與方法

1.1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)保留原水窖設(shè)計(jì)規(guī)范中水窖窖體的圓臺(tái)形狀和窖頂形狀，在窖體結(jié)構(gòu)中創(chuàng)新性的加入焊接鋼絲網(wǎng)和錳鋼鋼絲網(wǎng)，旨在增加窖體的抗拉強(qiáng)度，減少混凝土用量；設(shè)計(jì)穩(wěn)定的止水層，窖體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；設(shè)計(jì)注重機(jī)械施工，改變?cè)瓉?lái)只能人工開(kāi)挖的條件，達(dá)到降低水窖建造成本的目的。

1.2 材料與方法

(1)主要建筑材料選擇：混凝土選擇M10、C15、C20三種配合比的混凝土，鋼絲網(wǎng)選擇φ1.0 mm，網(wǎng)眼60 mm×60 mm的普通電焊鋼絲網(wǎng)；φ2.0 mm，網(wǎng)眼20 mm×20 mm的錳鋼鋼絲網(wǎng)。

(2)防水材料選擇：考慮到防水層的穩(wěn)定性、阻水效果以及與混凝土和鋼絲網(wǎng)的結(jié)合性，設(shè)計(jì)選擇用純水泥漿作為防水材料。

(3)混凝土強(qiáng)度測(cè)試：水窖窖體采用鋼絲網(wǎng)混凝土材料，與混凝土材料結(jié)構(gòu)相比，可增加窖體的強(qiáng)度?？蓪?duì)不同混凝土材料的軸心抗壓強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度做水工測(cè)試。

(4)設(shè)計(jì)條件：我國(guó)西部黃土高原黃土層水窖開(kāi)挖的地質(zhì)條件為地震烈度VIII級(jí)。

2 設(shè)計(jì)方案與施工工藝

2.1 設(shè)計(jì)方案

混凝土水窖是雨水收集的核心工程，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案和施工工藝受到材料的限制，水窖的容積也受到限制。新材料的應(yīng)用，極大地改變了水窖的設(shè)計(jì)方案和施工工藝，降低了工程造價(jià)，延長(zhǎng)了水窖使用壽命，增加了水窖容積。因此，設(shè)計(jì)之重點(diǎn)就落在了混凝土鋼絲網(wǎng)薄殼水窖的設(shè)計(jì)及施工工藝上。

窖體設(shè)計(jì)仍采用傳統(tǒng)的圓臺(tái)形[3]，容積為30～60 m3，邊坡比降0.05，窖壁采用M10水泥砂漿60 mm，中間防滲止水層采用水泥原漿，厚度5 mm。鋼絲網(wǎng)采用φ1.0 mm,網(wǎng)眼60 mm×60 mm的普通電焊鋼絲網(wǎng)，窖壁厚度65 mm。但在窖體防滲止水層上采用新的創(chuàng)新手段，即在鋼絲網(wǎng)的一面，采用水泥原漿，厚度5 mm。窖頂設(shè)計(jì)半球形，高徑比為1∶6，厚度200 mm，現(xiàn)澆C20混凝土，鋼絲網(wǎng)采用φ2.0 mm，網(wǎng)眼20 mm×20 mm的錳鋼鋼絲網(wǎng)。窖底設(shè)計(jì)半球形，現(xiàn)澆C15混凝土145 mm，中間防滲止水層采用水泥原漿，厚度5mm。鋼絲網(wǎng)采用φ1.0 mm，網(wǎng)眼60 mm×60 mm的普通電焊鋼絲網(wǎng)，窖底厚度150 mm。

2.2 施工工藝

混凝土窖蓋的施工工藝宜按照窖蓋的設(shè)計(jì)圖修建土質(zhì)模型，建好后再鋪設(shè)塑料膜，澆筑C20混凝土100 mm，再鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，同時(shí)，澆筑C20混凝土100 mm，在表面鋪設(shè)塑料膜養(yǎng)護(hù)。窖壁的施工工藝則應(yīng)分不同的窖體容積而定，例如，對(duì)于容積25 m3以下的窖體宜采用人工開(kāi)挖，而對(duì)于25 m3以上的則宜采用挖掘機(jī)進(jìn)行機(jī)械操作，同時(shí)，結(jié)合人工修邊。具體工序采用邊墻噴水，用木槌人工砸密實(shí)，砸實(shí)密度大于93%；用M10水泥砂漿抹面30 mm；加掛鋼絲網(wǎng)，用425號(hào)純水泥漿抹面5 mm；用M10水泥砂漿抹面30 mm；噴水養(yǎng)護(hù)24 h以上。施工要連續(xù)作業(yè)，則每道工序的間隔時(shí)間不得大于3 h。窖底的施工工藝也應(yīng)按照設(shè)計(jì)圖紙確定開(kāi)挖空間，按照3:7灰土夯填200 mm，澆筑C15混凝土100 mm，鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，并與窖壁鋼絲網(wǎng)連接綁扎，用425號(hào)純水泥漿抹面5 mm，用M10水泥砂漿抹面45 mm，噴水養(yǎng)護(hù)24 h以上。

3 技術(shù)指標(biāo)分析

3.1 強(qiáng)度測(cè)試分析

通過(guò)水工測(cè)試， C20鋼絲網(wǎng)混凝土試件中采用普通電焊鋼絲網(wǎng)φ2.0 mm，網(wǎng)眼20 mm×20 mm的錳鋼鋼絲網(wǎng)，M10、C15鋼絲網(wǎng)混凝土試件中采用φ1.0 mm，網(wǎng)眼60 mm×60 mm的普通電焊鋼絲網(wǎng)。結(jié)果表明：不同混凝土材料的軸心抗壓強(qiáng)度變化不大，但軸心抗拉強(qiáng)度有較大的變化。M10、C15和C20的鋼絲網(wǎng)混凝土比混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度分別提高了16.95倍、17.48倍、96.60倍。同時(shí)，與傳統(tǒng)混凝土鋼絲網(wǎng)混凝土的使用，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，極大地增強(qiáng)了水窖窖壁、窖蓋的抗拉、抗剪強(qiáng)度，窖體更薄，只有原設(shè)計(jì)的65%，混凝土澆筑量減少了32%。

3.2 工程量分析

使用鋼絲網(wǎng)薄殼水窖，完全可以破解當(dāng)前西部使用的水窖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、易破損等難題，同時(shí)，在水窖材料強(qiáng)度上也有大幅度提高，完全可以滿足設(shè)計(jì)更大蓄水量的水窖之需求。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)混凝土和鋼絲網(wǎng)混凝土薄殼水窖兩種不同結(jié)構(gòu)形式水窖的工程量，通過(guò)30、40、60 m3等三種蓄水容積，計(jì)算結(jié)果表明：盡管兩種形式的水窖開(kāi)挖土方量相同，但在混凝土用量方面，新設(shè)計(jì)比原設(shè)計(jì)減少混凝土用量32%，而且窖頂重量比原設(shè)計(jì)減輕20%，新設(shè)計(jì)容易增加吊掛點(diǎn)；同時(shí)，新設(shè)計(jì)增加了鋼絲網(wǎng)的用量，原設(shè)計(jì)有模板用量。窖頂重量只有原來(lái)的80%，而且使用鋼絲網(wǎng)后，窖頂著掛點(diǎn)多、強(qiáng)度大、容易吊裝。窖體的開(kāi)挖采用機(jī)械開(kāi)挖，人工修邊的方法，節(jié)省了施工費(fèi)用。建窖成本比現(xiàn)有技術(shù)減少26%。

3.3 造價(jià)影響分析

以2017年10月在甘肅省會(huì)寧縣翟家所鄉(xiāng)張城堡村修建的30 m3水窖為例，進(jìn)行材料和施工等單項(xiàng)指標(biāo)的工程量單價(jià)分析。計(jì)算結(jié)果表明：材料費(fèi)較傳統(tǒng)混凝土設(shè)計(jì)降低4.6%，但新型混凝土鋼絲網(wǎng)薄殼水窖的設(shè)計(jì)卻比傳統(tǒng)水窖的建造費(fèi)用要節(jié)省37.3%，剖其主要原因在于，傳統(tǒng)混凝土水窖設(shè)計(jì)只能采用人工開(kāi)挖的施工方式，而新型水窖設(shè)計(jì)則可采用機(jī)械開(kāi)挖、機(jī)械吊裝的機(jī)械化作業(yè)方式，而且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，勞動(dòng)力價(jià)格指數(shù)不斷上漲，人工開(kāi)挖水窖將會(huì)成為歷史，機(jī)械化作業(yè)則是發(fā)展趨勢(shì)。

4 推廣應(yīng)用效果

會(huì)寧縣位于甘肅省中部，屬黃土高原丘陵區(qū)，水資源短缺，地下水礦化度高，流域內(nèi)無(wú)可利用地表水資源，利用水窖集雨為唯一可利用的飲用水水源。全縣總?cè)丝?8萬(wàn)，有40萬(wàn)人使用水窖[5]，水窖建設(shè)類型在我國(guó)西部地區(qū)有典型代表性。自2008年開(kāi)始，在這里建立集雨飲用水安全保障示范區(qū)，研究和推廣一些先進(jìn)的適用技術(shù)。在集雨水量安全保障的研究中，選擇該縣的翟家所鄉(xiāng)、會(huì)師鎮(zhèn)、柴家門鄉(xiāng)、新添堡鄉(xiāng)、老君坡鄉(xiāng)、太平店鎮(zhèn)等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為主要研究對(duì)象，開(kāi)展現(xiàn)狀調(diào)研，主要摸清了707戶家庭的集雨飲用水背景狀況，逐戶測(cè)量了集流面面積、水窖容積和水窖破損情況。調(diào)查表明：調(diào)查水窖共計(jì)2 106眼，正在使用的水窖為1 277眼，已破損不能蓄水的水窖為829眼，水窖破損率39.4%，其中水窖建成使用3年內(nèi)破損的有703眼，占到總破損85%，水窖容積為15～30 m3，容積越大破損率越高，究其破損的主要原因是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的水窖在止水、防止?jié)B漏環(huán)節(jié)存在重大技術(shù)缺陷，農(nóng)戶在水窖施工環(huán)節(jié)不容易完全控制施工工藝環(huán)節(jié)所致。

2015年3月，在會(huì)寧縣翟家所鄉(xiāng)張城堡村修建30、40、60 m3三種容積的新型混凝土鋼絲網(wǎng)薄殼水窖。截至2018年3月，水窖連續(xù)蓄水3年，每個(gè)水窖空窖、復(fù)蓄水4次，運(yùn)轉(zhuǎn)良好，滿足推廣應(yīng)用的條件。通過(guò)推廣示范，新型混凝土鋼絲網(wǎng)薄殼水窖具有的優(yōu)點(diǎn)包括：造價(jià)低，水窖成本組成中材料費(fèi)約占總成本的30%，工費(fèi)成本約占總成本的70%。由于新技術(shù)采用機(jī)械化施工，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了水窖的建設(shè)成本；水窖所需材料通用，大多數(shù)縣以上及地區(qū)都可以采購(gòu)到，方便購(gòu)買；施工簡(jiǎn)便，施工中不需要專業(yè)工具、模具等，也降低了建筑成本，一般泥瓦工匠都可以實(shí)施；防滲使用純水泥漿，設(shè)在窖壁中間，防滲效果比現(xiàn)有技術(shù)更穩(wěn)定、更好；考慮到在西部農(nóng)村實(shí)施，該項(xiàng)技術(shù)盡可能地將復(fù)雜的技術(shù)簡(jiǎn)單化，不需要復(fù)雜的技術(shù)培訓(xùn)，做到了廣大農(nóng)戶“一看就會(huì)”，便于推廣。

5 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)西部地區(qū)正在開(kāi)展的新農(nóng)村建設(shè)中，美麗鄉(xiāng)村、海綿村鎮(zhèn)等項(xiàng)目正在推進(jìn)，其中水環(huán)境建設(shè)中的 蓄水建筑物將是重點(diǎn)。截至2017年12月底，甘肅省還有93萬(wàn)人，21萬(wàn)個(gè)家庭利用水窖收集雨水解決飲用水安全問(wèn)題。水窖是關(guān)鍵性的蓄水設(shè)施，由于多種原因，農(nóng)戶正在使用的水窖破損嚴(yán)重，蓄水量減少，各用水戶的水量安全不能保障。在原有水窖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的鋼絲網(wǎng)混凝土薄殼水窖解決了原設(shè)計(jì)的技術(shù)缺陷，有效地解決了水窖在窖壁的防滲、抗拉強(qiáng)度、機(jī)械化施工的技術(shù)難點(diǎn)，發(fā)展前景廣闊。

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