钢筋混凝土装配式渠槽发展综述

闫自影 马文亮

（华北水利水电大学土木与交通学院 河南郑州 450045）

我国是农业大国，灌溉事业一直是国家重视的大问题［1］。但是，随着我国老龄化加重，农村劳动力少也逐步成为常态，进而造成相关技术人员短缺及一些专业技术得不到普及和利用等问题。传统式钢筋混凝土渠槽的施工过程受环境、自然气候条件等一些不确定因素的影响大，且作业过程浪费材料及劳动力。钢筋混凝土装配式渠槽作为新型水利构筑物，可以在工厂统一生产后运至施工现场，在作业现场进行组装、成型、固定，相较于传统式钢筋混凝土渠槽的施工，减少了土地的浪费。钢筋混凝土装配式渠槽的施工模式大概可以将施工速度提升25%，相较于传统现场施工，大概能够节省1/3 的材料用量。钢筋混凝土装配式渠槽的使用进一步节约了施工成本，减少了劳动力的浪费，提高了施工生产率，突破了传统农田水利构筑物发展的瓶颈，为现代化农业水利的发展提供了方向。

此外，长期以来，我国经济主要以高速发展作为主导，导致资源消耗大、浪费多，这一特点在现场浇筑式水利工程的建设过程中尤为突出。由于现场浇筑式结构具有质量问题不好把握、工期长、能耗大、浪费资源和污染大等缺点，在国家经济转向高质量发展的引领下，这种现场浇筑方式需要得到优化及改变。相较于传统现浇混凝土渠槽，预制装配式混凝土渠槽具有节约资源、工期短、劳动生产率与建筑品质高等众多优势，与国家倡导的绿色可持续发展理念高度吻合［2］。预制装配式渠槽的发展有助于激发水利行业的创新，提高新型水利材料与新科学技术的利用率，是新时期水利行业的主要发展趋势。

1 研究现状

渠槽早期被用于农作物的灌溉，几乎所有都是人工开挖。当时，混凝土的普及度不高，大部分都是土槽，断面形式多采用梯形，其目的是保证土槽的稳定性和方便施工人员进行作业。但是，这样的渠槽截面形式不但单一，无法满足一些特殊地质的要求，而且渗水情况十分严重。为了满足一些特殊工程的需要，国内专家学者对此进行了大量的研究，逐步推进了渠槽的发展［3］。预制装配式混凝土早期用于建筑，来源于国外，在我国起步相对较晚，但是，在我国改革开放的大背景下，该技术如星星之火一般应用到了基建的各个方面，钢筋混凝土装配式渠槽就是应用了预制装配式混凝土很好的见证。

钢筋混凝土渠槽在农田水利工程中应用较为普遍，随着国内外学者对此的不断探索，其断面形式日益增多，U型断面形式、矩形断面形式居多。

曹俊峰［4］等对渠槽的断面形式进行了大量的研究，通过若干个工程实例，分析构件在实际施工中的受力特征，同时，对构件结构提出了优化建议，不仅如此，此项研究最大的成就是为后来者可以在计算机上进行相关的有限元分析提供了依据，为水利事业做出了很大的贡献。

张力学［5］等在常见的梯形断面、矩形断面及型断面的基础上，提出了半圆形这一断面形式。从经济费用方面选择最优断面，将过水流量设置为相同取值，对比半圆形断面渠、矩形断面渠、U型断面渠及梯形断面渠，得出半圆形断面为最优断面。同时还指出，对于混凝土U 形渠槽，当直立段高度等于或小于底弧半径的1/8 时，其所用费用与半圆形断面几乎一样；当直立段高度为底弧直径的1/3～1/2之间时，工程量将增加2%～5%左右，费用也会增高。

张万江［6］等人提出了钢筋混凝土装配式U型渠在济阳县土地整理工程中的应用，介绍了钢筋混凝土装配式U 型渠槽的制作及装配工艺，并且在济阳县曲堤镇土地整理项目中进行了实际应用，得出装配式U 形渠道不仅节约土地资源，而且水的渗透损耗少，水的利用率比较高，水速也可以得到保障。此外，装配式U形渠外观美观，不同的地形情况都可以适应，施工工期短、工作量小、施工迁占很方便。虽然前期一次性投资较大，但整体效益显著，并且具有使用寿命长、后期管理方便等突出的优点，并进一步提倡装配式U 型渠值得大力推广，这一应用及提倡进一步推动了渠槽在我国的发展。

滕凯等人［7］认为标准混凝土U型过水断面渠槽具有断面形式简单、渠槽底部受力条件好等优点，但无人通过一个近似计算公式将标准混凝土U型过水断面渠槽临界水深计算出来。此外，混凝土U 型渠槽断面在水利水电配水及输水工程中广泛应用，但一些现存的公式在使用时需要往返折回，非常繁琐，其表达形式亦是非常复杂，因此，亟须一个简单的近似计算公式对混凝土U型渠槽临界水深进行计算。故滕凯等人采用优化拟合理论，他们的方案是标准剩余差设定为目标函数，在工程实际条件及规范要求范围内，利用最优化拟合替代，为今后的实际工程应用提供一个形式简单直观的近似计算公式作为参考。

刘学军、郑国华［8］指出前人对矩形渠槽缓流分水已有一定程度的研究，但是对急流分水的认识程度还不能达到工程应用的要求。针对急流分水研究不足这一现状，他们便进行了明渠侧面分水的试验研究。他们将影响分水比参数的引水口形状、引水口宽度、引水口角度及主渠来流佛汝德数作为控制变量，进行了探索性的研究。结果表明：侧渠引水角度及主渠来流佛汝德数这两个因素与分水比成反比，即前者越大，后者越小；侧渠引水口宽度与分水比成正比，即引水口宽度越大，分水比越大。并且对实验进行了公式性的总结，建立了在急流及缓流情况下主渠侧面分水的数学公式，并结合实例进行了验证，弥补了前人对主渠急流侧面分水研究的不足，进一步推动了渠槽的发展，为做工程设计提供了参考依据。

陈居乾［9］指出最优断面的选择可以从以下方面出发进行考虑，即混凝土渠槽水流水力条件方面、混凝土渠槽工程经济方面、混凝土渠槽自身结构方面、混凝土渠槽工程后期管理方面。首先，将混凝土渠槽水流水力条件作为目标函数，通过一系列的实验及验算，得到抛物线形混凝土渠槽对应水力最优断面处宽深比为2.06；半椭圆形混凝土渠槽对应水力最优断面处宽深比为2.0，即椭圆形断面长轴与短轴相等时为水力最优断面；悬链线形渠槽对应水力最优断面处宽深比近似为2.0，此时，可以将悬链线形渠槽近似看成半椭圆形渠槽，水力最优断面的选取和半椭圆形渠槽一致。之后，他又结合多方面因素综合分析，得出混凝土渠槽特殊断面型式中半椭圆形相对最好但仍不是最好的，其次为悬链线形。

李伟亭等［10］以新三义寨引黄供水南线工程大断面混凝土矩形渠槽为基础，对现浇渠槽与装配式渠槽的施工特点进行对比分析。其指出大断面现浇矩形渠槽浇筑费用高、拼接模板难度大、质量问题不容易把控，如果开窗时采用模板，由于开口面积大，拼接模板的工程量也会随之增加，质量更难把握。由于是现浇式，现场需要大量的劳动力，浇筑的混凝土渠槽层板高，浇筑过程中需要分层浇筑，这种情况下，容易出现漏振现象，一旦出现这种情况，就会产生漏水、工作缝处的起台挂帘现象。而装配式渠槽则可以克服这些缺点，值得深入研究。

李记明、宋文浚等［11］在对北赵引黄灌区预制混凝土U 型渠槽不仅进行了原材料检测，还对混凝土配合比进行了设计试验，即通过添加各种外加剂，如混凝土抗冻剂、高效早强剂、减水剂，做若干组配合比的试验进行优选，并做若干组对应的室内自密实混凝土的配合比试验。通过对比预制混凝土U型槽标养状态下与蒸汽养护状态下的抗压强度及抗渗、抗冻实验，得出不同条件下的渠槽构件性能。试验研究结果表明，掺加不同等级粉煤灰的混凝土对渠槽试件的抗压性能及抗渗性能影响不大，但对抗冻性能影响很大，较低的粉煤灰掺量能够提高混凝土渠槽的抗冻性能。此外，标养28d 的混凝土渠槽试件强度明显高于蒸养28d 的混凝土渠槽试件，说明高温会改变混凝土材料的性质，导致强度降低。并且模拟出构件在实际施工中的受力特征，即采用ABAQUUS 有限元软件分析构件应力状况。提交分析作业后，查看计算结果，该等级下的混凝土极限弯拉强度明显低于计算得出的构件最大拉应力，经过对比分析，可以得出，构件发生了脆性破坏。通过此次模拟，给出了真实施工中的指导意见，即同等级混凝土情况下，对槽底进行加厚处理，或改变混凝土型号，提高强度级别，使混凝土渠槽的最大拉应力得到提高及混凝土抗弯拉强度得到加强，进一步提高混凝土构件实际的承载能力。

2 研究发展方向

从现浇式渠槽转向装配式渠槽的过程中，投入了大量专家学者的心血，但是，装配式渠槽的研究永远在路上。以下是笔者浅谈的几点关于大型装配式渠槽的研究发展方向。

（1）关于装配式渠槽连接形式及装配方式。由于大型装配式渠槽是一种输水构件，因此渠槽构件之间连接的处理方式极其重要。因构件之间连接缝不仅多且复杂，连接处的止水一旦做不到位，装配式渠槽工程有可能功亏一篑，所以，亟须创新出一种新型的预留构件止水方法。可以尝试在预制渠槽构件相关部位预留有相应的止水槽，渠槽构件吊装到位后，在预留止水槽内注入专门的止水胶或者注入改性沥青，其余部分用高强度的微膨胀混凝土填实［12］，后期对此进行定期的养护，待强度提高到设计值即可。这种方式不仅止水效果好、耐久性好，且施工方便，有利于推广使用。

大型装配式渠槽构件的吊装也是一个值得考虑的问题。水利工程一般都是露天野外作业，现场环境及场地条件极其复杂，所以，采用建筑上常用的大型吊车及塔吊显然不可取。可以尝试渠槽结构底板现浇、侧壁吊装的方式，在达到强度的地板上架设高吨位的龙门吊。在浇筑底板时，预留好龙门吊的轨道，预留的轨道后期直接用混凝土浇筑掩埋，如此又可以增强底板的整体性。此时，底板现浇在前，侧壁吊装在后，施工可以有条不紊地进行，不仅可以使施工效率得到提高，还不会造成劳动力的浪费。

（2）装配式渠槽质量的评定方法。装配式渠槽相较于现浇式渠槽会有更多的节点处理问题，一旦出现节点定位不准的情况，必然造成构件安装困难，进而影响工期，并且直接影响到装配式渠槽结构的整体稳定性及应力分配的问题。因此，可以尝试发明一种针对该种类型渠槽的节点定位工具。例如，装配式矩形渠槽的关键节点处在侧壁与底板之间，即底板插筋垂直度及间距的重点把握，对此可以采用双层校位板，既可以保证节点的位置，又可以为质量测评提供依据，为今后大规模推广使用奠定基础。大型装配式渠槽一般都是百年大计，要求的使用时间特别长，所以，亟须形成一套评价大型装配式渠槽的科学方案。

3 结语

装配式渠槽在农业灌溉上的使用越来越普遍，但是，大型装配式渠槽却不及前者。在国家大力支持装配式结构的背景下，装配式渠槽必定成为未来水利工程发展的方向之一。依托各位专家学者的研究，装配式渠槽结构具有施工时受天气因素和现场环境因素影响小、减少资源的消耗、保护人与自然赖以生存的美好环境、工程的质量和效率得到进一步的提高、施工事故发生概率得到明显减少、进一步减少土地及劳动力的使用、降低施工管理费用等优点。但现阶段装配式渠槽仍存在构件之间连接的处理方式、构件的吊装、耐久性可靠性的评定等关键应用问题，需要进一步研究创新。愿后来者可以对这些问题在生产实践与实验理论研究中论证解决，尽早形成标准化工法。