略阳县混凝土预制构件修筑梯地技术

孙栓科，李长保，刘继榕

1 混凝土预制构件修筑梯地的历史背景

略阳县位于陕西省南部，秦岭南麓西端，嘉陵江上游，属西南土石山区。境内山高坡陡，沟壑纵横，水土流失严重，坡耕地面积大。坡耕地是山区群众赖以生存的基础，因此坡耕地治理在当地尤为重要。“长治”工程实施以来，就如何改造利用坡耕地、建设高标准基本农田进行了探索，从普通的自然土坎、拍板拍筑土坎、挡板夯实土坎、编织袋砌坎到后来的石坎，五者相比较，土坎梯地投资省、进度快、技术含量低、易大规模实施，但陕南地区土壤多为夹沙黄棕壤土，自然稳定性较差，加之雨量充沛，造成土坎梯地埂坎稳定性差、易垮塌、保存率低，而石坎梯地虽然坚固、保存率高、使用时间长，但许多地区耕地范围内土多石少，适宜修建石坎梯地的地方不多，加之石坎梯地投资高、投劳多，开山炸石又造成新的水土流失发生，因此难以大规模实施。

自2001年以来，略阳县就土多石少或无石的地方如何治理改造坡耕地进行了多方调查、分析、探索，提出了用混凝土预制构件筑坎的思路。经过多年实践，总结出了可充分利用当地沟道内砂石料、便于施工、易于管理、成本低廉的混凝土预制构件筑坎技术，在略阳县实施“丹治”工程中广泛采用，并在我省部分县市广泛推广，取得了显著成效。

2 混凝土预制件修筑梯地技术基本思路及试验情况

在设计混凝土构件时主要考虑以下几点:第一，经济实用，可以大面积推广应用，工程成本在同等条件下比石坎造价低;第二，强度可以得到保证，易于大规模制造，筑坎可保坚固、稳定、持久，整体性好，安装成规模后整体效果美观、整齐、大方，坎埂保存率和利用率大幅度提高;第三，构件结构简单，易搬运安装;第四，便于工程后期管理维护。

根据上述思路，从2001年至今，我们先后设计出了三种预制件结构。第一种结构为“整体面板—加强底板”式结构(以下称方案1)，第二种结构为“组合面板—三角支架”式结构(以下称方案2)，第三种结构为“组合面板—立柱锚杆”式结构(以下称方案3)。

方案1:采用“整体面板—加强底板”式结构，由坎面板、底板、拉杆组成(见图1)，应用C18 混凝土预制。底板与坎面板长度均为1.6 m，坎面板与底板交错装配，面板适当镂空，面板之间预留铁丝钩铰接，底板水平放置，板与板之间预留铁丝钩铰接，接缝用M10 水泥砂浆填补，该结构可形成5 cm 深、10 cm 宽的水沟。该方案特点是整体性强、稳定性高、底板面积大、适应性强，但造价相对较高，预制、运输、施工难度大，维护难度大，专业性强，地坎随地形变化，在施工中很难保证预制构件坎面坡度一致，坎下水渠基本不能实现。

图1 “整体面板—加强底板”式结构示意(单位:cm)

方案2:采用“组合面板—三角支架”式结构，其形式为三角形支架支撑起面板，面板为2～3 个长方形横板嵌合而成(见图2)。采用C18 混凝土进行预制，三角支架配置8#铁丝，面板采用Φ4 mm 冷拔丝做受力筋。三角形支架厚度3 cm，中部镂空成三角形，在外坡面竖向镂空成3 个5 cm ×5 cm ×21 cm 的矩形孔，以便与横板嵌合;横板采用长方体结构，板厚5 cm、宽20 cm、长1 m，配置Φ4 mm 冷拔丝做受力筋，在其两端形成刀把状，镂空尺寸6 cm×10 cm×5 cm。装配时，按部件尺寸开挖好三角支架基槽，然后安装调整三角支架，与横板相互嵌合即可，嵌合部位用M10 水泥砂浆填实，使其成一个整体，再逐层填土夯实，形成埂坎。

图2 “组合面板—三角支架”式结构示意(单位:cm)

方案3:采用“组合面板—立柱锚杆”式结构，其形式为C18混凝土立柱与矩形横板嵌合而成(见图3)，立柱后部预留铁丝环与锚杆铰接，铰接部位采用M10 水泥砂浆填实，立柱、模板、锚杆内分别配置8#铁丝和Φ4 mm 冷拔丝做受力筋。这种结构可根据地坎高度灵活确定立柱长度，地坎最大高度可达1.8 m，最小高度0.6 m。为了减轻长方形横板自重、节省混凝土、减小水压力、充分利用田埂土地，将横板镂空，形成8 个由7.5 cm ×17.5 cm 变为5 cm×15 cm 的棱台状方孔。利用该方孔可加速田埂底部排水，增强田埂稳定性;同时可在方孔内种植黄花菜、金银花等经济作物，提高土地利用率。立柱埋深20～40 cm，外加锚杆固定，以确保整体稳定。

图3 “组合面板—立柱锚杆”式结构示意(单位:cm)

2000年，就方案1 在瓦子沟小流域五郎坪村陈家坝进行了现场试验，其结果为:从技术上来讲，结构稳定，方案基本可行，但每米造价高达50 元，且面板为整体结构，预制、运输、安装等施工难度大，底板上的小渠道由于施工及地面沉陷等原因，无法达到设计作用，实践中难以推广和应用，故仅对其进行了少量试验。2001年，在方案1 的基础上，更新思路，去掉底板，面板采用分装式设计，同年在白石沟乡安坪沟流域安坪沟村和谭子湾小流域周家坝村进行了初试，经观察，其结构稳定，方案基本可行，从成本上核算，每米造价约20 元，与当时水保生态建设坡改梯投资标准接近。为了加快这项技术的试验与应用，省水保局于2002年5月在略阳县召开了全省“长治”工程科技创新座谈会，明确提出了进一步加快试验研究步伐，扩大应用范围，加快技术推广的要求。之后，略阳县在谭子湾小流域周家坝村上坝、徐家坪村蹇家河、城关镇何家坟村谭家院以及白石沟乡石垭子等地进行了试验推广。2003年年初，我们在前两种构件的基础上设计出了方案3，此种方案一方面扩大了应用范围，另一方面构件稳定性进一步增强，而且在横板镂空处可种植黄花菜、金银花等经济作物，既可绿化美化地坎又可增加收入。同年下半年，我们在两流水小流域牌坊坝村胡家坪试验推广，经观察，其结构稳固，在同等条件下与石坎梯地相比成本低，随后大面积推广。其实施效果详见图4、5。

3 试验研究结果与分析

对于方案1，由于投资太大、施工不方便，未再进行试验观测分析，主要对方案2 和方案3 进行了试验、观测、推广。根据坡耕地坡度分5°～10°、10°～15°、15°～25°三个等级在不同地坎高度条件下进行了试验。

3.1 观测分析

2002年4月，我们在谭子湾小流域周家坝村上坝采用方案2 进行了现场试验，共安装400 套，面积约2.67 hm2，坎后全部为回填土区。经过一个雨季，至同年10月，混凝土预制构件地坎有个别前倾现象，个别坎面板有微裂，但整体稳定。随后9—12月安装了3 000 套，选择3 个点进行定点观测，至2003年10月，其观测结果为:第1 观测点不再有前倾现象，坎面整体稳定;第2 观测点个别坎面板有微度前倾现象，但整体稳定;第3观测点由于雨季发生滑坡，导致整坎全毁，未再进行观测。整个治理点共有20 套出现了倾斜变形，未倾倒;有60～150 套(即2%～5%)垮坎。

2003年春季，在方案3 定案的同时，在白石沟乡牌坊坝村胡家坪进行试验，共安装3 坎，同样采用定点观测和现场调查相结合方法，经过一个雨季，至同年10月，在选择的3 个观测点中，整坎未出现任何倾斜现象，长方体横板也未见微度裂缝。

3.2 应用分析

经过两年来的定点观测和实地调查分析，我们认为:方案2出现不稳定的主要原因是全填方区沉降较大，同时三角支架底部面积较小，稳定性差，因此可适当在支架前端加配防沉砖减轻沉陷;方案3 出现不稳定的原因主要是锚杆破坏，因此可适当加长锚杆，并适当增加强度;至于组合面板出现裂纹的情况，可对面板采用变形设计，增加受力筋力矩。混凝土预制件筑坎应用范围见表1。

3.3 方案优选

综上所述，方案2、3 在技术上是可行的，经济上是合理的。原地面坡度在15°以内，建成后地坎高度在1～1.2 m 之间的坡改梯，可以选用方案2，但要注重在三角架前端底部加装防沉块，以进一步保证三角支架的稳定性;原坡度在25°以内，建成后地坎高度在1.8 m 之内的坡改梯，可以选用方案3，但要注意锚杆的长度和强度。在同等条件下综合比较，方案3 的优势比较明显。

表1 混凝土预制件在不同地坎高度条件下的应用范围

4 混凝土预制件筑坎经济性分析

4.1 混凝土预制件筑坎梯地与石坎梯地造价对比分析

针对梯地投资进行了投资对比分析，按照水土保持工程措施造价编制人工费计算方法，人工费预算单价按2.7 元/工时计算，不同田坎造田单价各项费用构成结果见表2。由表2 可以看出，在同等条件下，混凝土预制构件筑坎梯地的各项费用明显比石坎梯地低。

4.2 不同坡度下混凝土预制件筑坎梯地与石坎梯地造价对比分析

坡度直接影响着工程造价，为此我们分析了在不同坡度情况下混凝土预制件筑坎梯地与石坎梯地的造价。在同等条件下(相同坡度对应相同的田面宽度)，1.2 m 田坎高度混凝土预制构件筑坎梯地造价比石坎梯地节约资金最大幅度为11.5%，1.5 m 田坎高度节约资金最大幅度为18.3%，1.8 m 田坎高度节约资金最大幅度为19.0%，混凝土预制件修筑水平梯地的节约资金优势比较明显。相同田坎高度情况下，两种田坎造田单价随着坡度的增加而增加，但是在同等条件下混凝土预制构件筑坎梯地造价比石坎梯地的造价低。

4.3 相同坡度不同田坎高度下预制件筑坎梯地与石坎梯地造价对比分析

修筑梯地的田面宽度直接决定着田坎高度，进而影响着工程造价。在相同条件下(相同田坎高度对应相同的田面宽度)，5°坡度条件下混凝土预制构件筑坎梯地造价比石坎梯地节约资金最大幅度为19.0%，10°为9.7%，15°为9.8%，20°为2.7%。

通过对比可知，随着坡度增加，混凝土预制件筑坎梯地造价资金节约率在降低，初步认为是由以下几方面原因造成的:一是随着坡度增加，工程量增加，田坎造价在整个梯地修筑费用中所占的比例减小，由此造成资金节约率降低;二是随着坡度的增加以及田坎高度的增加，混凝土预制构件地坎立柱的高度随之增加，每套构件横板也由原来的3 个增加到4 个，这一变化对混凝土预制构件筑坎梯地的投资影响较大。

5 研究成果的推广应用

5.1 混凝土构件修筑水平梯地适用的基本条件

从试验结果来看，用混凝土预制构件修筑水平梯地的基本条件，一是在降雨量大、石料来源不易、土坎保存率低的地区;二是地块符合低山、近村、靠水源以及交通便利等基本农田建设条件;三是距河边较近，能充分利用河道内的砂石料;四是地势开阔，有硬化平坦的场地利于预制构件，水、电、路三通等。

5.2 应用混凝土预制构件修筑水平梯地应注意的几个

一是合理选择加强筋。面板筋以抗拉为主，选择Φ4 mm的冷拔丝，其延展性低、强度高、结合性好;支架用8#铁丝降低造价。二是预制模具要精准。这样便于操作，强度大，耐用、不变形。面板模具要向“壳”状、“瓦”状方向发展，以加大受拉区力矩，减少混凝土用量。三是要振捣密实、养护到位，保证板及三角支架薄而强度高。四是构件安装要放线。根据坡改梯工程建设要求，每一坎大弯就势、小弯取直的原则，保证坎顶、坎底均在同一高程内，坎面坡度在同一斜面上，基础尽量不要放在大的填方区，如果有填方必须预处理。五是注意防严寒和高温。根据陕南的气候特征，在露天场，构件预制的最好时间是3—5月底及9月上旬至11月底，若在高温下采取遮阳等措施，3—11月底都可制作;在室内，采取提温或降温措施以后，全年都可制作。

表2 不同田坎梯地单价各项目费用对比分析

6 新技术成果应用市场调查与发展潜力预测

6.1 发展潜力

略阳县采用该种构件筑坎在全省乃至全国都是第一次，它在不同地区的适应性还需要做进一步试验调查分析，但就陕南来看，同等条件下应用这种构件与石坎梯地相比，每10 m 可节约投资29～113 元，每公顷可节约3 160～9 800 元，同时与石坎梯地相比可增加耕种面积5%～7.5%。如果研制出大型成套预制机械，就可以降低劳动强度，同时机械挤压后预制件质量提高、耗损减少、尺寸精准，可进一步减少混凝土用量，推广的价值就更大。

6.2 新技术成果应用风险评价

该构件目前主要应用于坡改梯工程建设之中，是改善农业基础设施的科研创新项目。从目前经济发展的角度来讲，农村经济发展缓慢，广大农民还无力承担也无意识来治理土地，涉农企业也主要是通过生物措施来达到经济、生态效益双赢，因此改善土地利用现状、治理水土流失还主要靠国家投入。我们利用该种构件来实施坡改梯，建设高标准基本农田，这与国家现行的农村基础设施投入政策相吻合。当然，对于工程质量方面出现的各种各样的问题，完全可以在工程施工过程中通过人为控制来达到质量要求，因此不存在风险性。