半圆形预应力砼渠槽生产技术研究与应用

席 阳

（中国水电建设集团朝阳风电开发有限公司，辽宁 北票 122100）

一、半圆形预应力砼渠槽生产设备

离心振动—半圆形预应力混凝土渠槽生产主要包括以下几个系统：混凝土搅拌输送与布料系统、渠槽骨架钢筋加工系统、高强钢丝预应力张拉系统、渠槽离心振动成型系统、蒸汽养护系统、拆装模具系统等设备。

（一）混凝土搅拌输送与布料系统

混凝土搅拌机采用强制式拌和机，由于引水渠槽所用混凝土要求强度高、水灰比稳定，所以在选用拌和机时要选择计量精度高、搅拌均匀、搅拌速度快，特别是原材料和混凝土含水量采用自动检测调整的自动化程度高的产品。搅拌完成的混凝土在输送到离心机料斗可采用两种方式，一是输送带方式适用于输送短距离，正常气温（5℃～30℃）情况；二是料斗输送方式（将料斗用架设的轨道运送至目的地，适用于长距离、保温或防止水分散发的情况。搅拌好的砼通过8.5m长的“单悬臂皮带输送机”送入钢模具内均匀布料。

（二）骨架钢筋加工系统

渠槽钢筋加工由两部分组成，一是纵向预应力高强钢丝，二是环向普通盘圆钢。

钢筋的选用：由于渠槽的截面积相对较小，为薄壁结构，跨度7m，抗挠性强，在选择拉力筋（纵向筋）时要选择强度高的预应力钢丝。由于钢丝张拉工艺采用先张法，纵向筋最好采用螺旋肋钢丝或三面刻痕钢丝，此种钢丝与混凝土的握裹力强，不容易发生抽丝而丧失预应力现象。另外，为了提高钢丝在恒应力下抵抗错转移位的能力，消除钢丝冷拔过程中产生的残余应力，提高钢丝的比例极限、屈强比和弹性模量，并改善塑性，便于获得良好的伸直性，方便施工，在选择钢丝时，应采用低松弛型预应力高强钢丝作为纵向主力筋。而环向构造筋可根据荷载需要采用普通热轧光圆钢筋即可。

（三）高强钢丝预应力张拉系统

砼渠槽架设后的挠度（即中点的最大下垂度）不得超过5mm，因此，渠槽纵向筋采用Ф5mm高强钢丝，在设计长度的高强钢丝上穿入2个高强钢螺丝端头，然后在高强钢丝的两端进行液压机墩头，将配筋固定在模具内进行预应力张拉，张拉设备采用液压机及相应的卡具进行，张拉力控制在1177.5N/mm2，渠槽产品可满足设计最大允许挠度要求。高强钢丝张拉顺序：0 → 105%σcon →95%σcon →σcon；实际张拉值与设计张拉值的允许偏差应控制在±3%之内。（详见下预应力损失计算）。

（四）砼渠槽离心振动成型系统

1 主要设备

主要设备系统：搅拌系统、旋转离心系统、喂料系统、振动系统、刹车系统、液压、电器控制系统。

下料系统包括料斗、附着式振捣器、拨料器、螺旋下料四个部分；

离心系统包括离心电机、托轮及托架两个部分；

喂料系统包括行走电机、电动滚筒、输送皮带及托架、行走轨道；

振动系统包括托架、液压油缸、振动轮几个部分；

刹车系统包括液压油缸和刹车板两个部分；

液压系统包括液压油泵、用于控制振动系统、刹车系统；

电器控制系统主要是一个电路控制柜，用于控制下料系统、离心系统、喂料系统。

2 技术参数

三种渠槽规格的振动离心机主要技术参数：

（1）主电机型号

YCTZ355-4A 55kW （φ350-φ500机）

YCT400-6A 75kW （φ600-φ950机）

YCT400-4A 110kW （φ1100-φ1550机）

（2）调速范围

1360～140r/min（φ350-φ500机）

850～140r/min （φ600-φ950机）

1400～400r/min（φ1100-φ1550机）

（3）低速运行时间：不得超过1小时。

（4）离心机主轴转速

1360～140r/min（φ350-φ500机）

850～140r/min （φ600-φ950机）

625～178.5r/min（φ1100-φ1550机）

（5）托轮直径

Ф800 （φ350-φ500机）

Ф900 （φ600-φ950机）

Ф950 （φ1100-φ1550机）

3 机械设备的特点

与一般离心混凝土产品的生产设备相比，生产引水渠槽最大的区别为设计了低、中、高频振动系统和模具结构的不同。由于半圆形预应力引水渠槽有严格的抗渗要求，而只通过高速离心得到的混凝土密实度达不到抗渗要求。为此，在渠槽离心过程中增加了高频振动这一工艺。它通过中速离心外加振动轮产生高频振动，使混凝土混合料在模具旋转过程中加速合理分布，进一步提高混凝土的密实度和光滑度，降低输水糙率，达到提高混凝土强度和抗渗性能和输水能力目的。

实践告诉我们在生产过程中，由于整个离心、振动机械系统都处在高频振动状态，他们所承受的压力、摩擦力和碰撞力都非常大，因此，机械关键部位必须选用耐磨高强而韧性高的特种钢材为部件加工原料，精密加工而成。振动油压缸必须为耐振动型，可承受高频振动。

（五）蒸汽养护系统

渠槽预制是一个批量生产过程，为了缩短砼的养护时间，便于模板的循环周转利用，离心完毕后砼渠槽带模具一同进行蒸汽养护。渠槽蒸汽养护14小时即可满足拆模强度需求，蒸汽养护后脱模继续在水池中养护渠槽产品，使其强度继续提高达到设计强度的95%以上。蒸养池内应在几个不同的部位布设测温传感器，对整个蒸汽养护池内的环境温度作到有效监控，防止局部温度过高，破坏渠槽。

图1

（六）模板拆装系统

渠槽与其他离心混凝土制品另一个不同点在于它是半圆开口型，它受力条件好，便于批量离心生产。渠槽是在圆形模具里进行的，在圆形管模内加设两片阁板，靠阁板向模内伸出的钢板长度，来控制渠槽管壁的厚度，蒸汽养护结束后，将钢模和隔板拆掉即形成两片半圆形（近于半圆，因为还有10mm阁板厚）开口渠槽。另外钢模要符合JC364-86《预应力砼管钢模》要求，主要技术参数如下：

1 钢模筒体：（1）钢模长度偏差±5mm；（2）钢模内径偏差±1mm。

2 跑轮径向跳动≤0.5 mm，轮距偏差≤5 mm。

3 振动环径向跳动≤2 mm，轮距偏差≤5 mm。

二、预应力砼渠槽设计

（一）技术要求

由于净长7m的半圆形预应力离心混凝土渠槽产品，目前在国内还没有现成的技术规范和参数、设计依据可寻，通过渠槽产品压载试验，逐步摸索出了半圆形预应力渠槽产品的长度、壁厚、砼标号、配筋、预应力等之间的力学关系，并通过生产实践对设计上的不足又进行了多次的补充和完善，最终使半圆形预应力渠槽产品质量达到设计标准。各种型号渠槽尺寸如图1所示。

（二）渠槽的配筋设计（以C350型为例）

1 预应力高强钢丝配筋计算

已知条件：渠槽外径D=430mm；内径d=350mm；有效长度l=7000mm；Ec=3.25×104γ0=0.9；αc=0.5；

据公式bx·fcm=Ap·fpy，受压区高度：

Ap单=19.6mm2；求约高强钢丝根数为3根；

实配高强钢丝总面积Ap=19.6×3= 58.8mm2。

2 抗裂验算

该构件属于一般要求不出现裂纹的构件，即裂纹控制等级为二级，αct=0.5，完成全部预应力损失后预应力钢筋合力。

（1）在荷载短期组合下的抗裂验算

σc-σpc=10.60-9.63=0.97N/mm2； αct·γm·ftk=0.5×1.35×2.41=1.65N/mm2；σc-σpc≤αct·γm·ftk满足要求。

（2）在荷载长期效应组合下的抗裂验算ψ=0.3

σk-σpc=6.61-9.63=-3.02<0，满足要求

故纵向共配5根φk5刚强钢丝，包括上部2根架立钢筋。

（3）横向配筋计算

D=430，d=350，板宽b=1000，计算混凝土受压为正，受拉为负。

b=4 0；A=b·h=1 0 0 0×4 0=4× 104mm2

取φ=45°一般计算略，得出：

N合=rd（N水′+N自′+N标）=-1.2× （23.75+25.6+3×103）=-3659N

即φR5@3 0 0，AS实=1 9.6×3.3= 64.7mm2＞60mm2。

取φ=30°计算过程略，得出：

综上所述φ=45°时渠槽所受拉力为最大，即所配钢筋面积为最大，所有渠槽横向筋按构造配筋即可。配筋状态图如图2所示。

根据结构需要，在渠槽大小头箍筋均加密，以改善端部受力状态。各种型号渠槽配筋数量（见表1）。

另外，在实际生产过程中，通过加载试验如发现部分型号的渠槽挠度过大，特别是直径较小的渠槽要注意架载试验观察，如有挠度超过5mm时应再加设一根纵筋，使其挠度小于5mm，避免因挠度过大而影响渠槽质量。

三、预应力砼渠槽生产工艺

（一）渠槽生产工艺特点

首先简要介绍一下引水渠槽离心振动混凝土的生产工艺流程，它与传统离心混凝土制品成型有一个显著的不同点，就是在布料过程中是伴随着旋转和振动双重力进行的，另外还多了一个时段的中速振动工序，使混凝土的混合料在高速旋转过程中混凝土料中的碎石、砂、水泥和水得到合理分布和更加密实。混凝土混合料合理分布在什么情况下为最佳？认为是通过高速旋转结合高频振动使各种材料产生向管模壁方向的离心力，由于各种材料的比重存在差异，它们在离心作用下沿着管壁外边依次是碎石砂浆层、砂浆层向水泥浆层过渡的分布，形成了以粗骨料为骨架，水泥砂浆为填充黏结凝固的结构，使水在高速离心振动过程中逐渐被挤压析出，接近于水泥实际水化反应所需水分，混凝土强度得到显著提高。通过大量的试验得出渠槽里边的水泥砂浆厚度为2～5mm为最佳，水泥砂浆层的存在恰增加了管内壁的光洁度，提高了混凝土的抗渗性。

图2

实践证明：要想得到分布合理、水灰比小（未掺外加剂时为0.35～0.4，成松散状，坍落度为10mm～15mm）而具有低流动性的高密实度高强抗渗混凝土，光靠一般意义上的成型工艺是很难达到技术要求的。为此，在旋转离心作用力下又增加了高频振动这一工艺，在低速旋转布料过程中，通过振动加快了布料速度，混凝土通过中速离心加上高频振动（每分钟10000～20000次），使混凝土在模具内同时受到离心力、振动力、重力、粘着力、摩擦力等共同作用下，达到均匀合理分布且高密实度（将混凝土内部气体迅速排除）的目的。最后再通过高速离心旋转，使混凝土中多余水泥浆析出使渠槽内壁光洁度得到大大提高。

（二）砼配合比设计（以C350型渠槽为例）

1 计算试配强度

式中：

ƒcu，0——混凝土配制强度（MPa）；

ƒcu，k——混凝土强度为40（MPa）。

需要说明的是，在本工程技术规范当中规定密封用混凝土采用AA级（阿国规范级别）混凝土，水泥标号为42.5，用量不得低于400kg/m3。混凝土抗压强度试验块为直径160mm，高为32mm的圆柱体，每组三个试样，7天和28天抗压强度分别为21MPa、30MPa。

σ——混凝土强度标准差，为5。

2 粗集料

碎石最大粒径Dmax=40mm（壁厚）×1/3=13.3，取15mm，采用3～8mm与8～15mm两种碎石按1∶2进行调配，得到良好的连续级配碎石。

3 计算水灰比

式中αа、αь为回归系数，分别为0.46、0.07；ƒce为水泥标号强度42.5MPa。

4 确定用水量

混凝土坍落度按15mm计，根据试验用水量为185kg/m3。

5 确定水泥用量

C=W/0.38=486.8kg/m3，取490kg/m3。

6 确定砂率

应按碎石的空隙率来计算，经试验得出连续继配碎石的密度为2.7kg/m3，容重rq为1.55kg/m3，空隙率为ΔG42.6%；砂为特细纱，细度模数为1.07，容重rs为 1.5kg/m3，密度为2.6kg/m3。

由此得出砂率Sp=α·rs·ΔG/（rs·ΔG+ rq）×100%=31.2%，取32%。

式中α为砂的拨开系数1.1～1.4，取1.1。

表1 各种直径渠槽配筋表

表2 经过大量试验得出各种型号混凝土配合比差异表

表3 部分型号渠槽安全超高

7 砼配合比

上述混凝土配合比完全可满足强度和光洁度要求。

（三）离心成型操作步骤

1 开始操作前认真检查所有设备状况，并低速试车。

2 将绑扎钢筋及张拉完毕的管模，吊运至离心托架上，检查管模的各部位。

3 启动离心机主电机，电机转速为电机允许最低转速，并将喂料小车喂料臂开到承口端。开始对下料系统。

4 检查一切正常后，离心机操作手将振动轮通过换向阀手柄使它与管模振动环接触。在振动轮作用下对承口进行低速布料，若料斗下料不畅，要启动下料斗上的附着式振动器。整个喂料过程，必须伴随着各部位的振动。

5 振动轮振动力的大小根据电流表和油压来确定，使电流不得超过电机的额定电流。

6 振动结束后，将振动轮脱离管模，使电机速度逐渐提速至中速离心状态，然后进行中速振动。

7 中速振动结束后，将离心机提速，进行高速离心环节，直至管壁光洁，在结束离心时为了减轻浆水对内壁的冲刷，应采用刹车。

8 高速离心结束后在吊运管模时，管模应轻吊轻放，严禁碰撞。

（四）蒸汽养护

渠槽成型后进入蒸汽养护环节。将成型好的管模放入蒸养池后，先静养60min后，再逐步放蒸汽养护，必须严格控制升温幅度，特别是第一个小时，必须控制在25℃以下，防止升温过快造成混凝土干裂。利用150min左右时间逐步升温至80℃～90℃，恒温6小时（C350～C700型，大型号渠槽根据混凝土壁厚度相应增加）结束。夏季（气温高于30℃）要对混凝土采取降温措施，防止混凝土失水过快造成布料成型困难。成型后将管模放入蒸养池可直接进行升温蒸养，恒温时间可适当缩短1～3小时。

（五）渠槽生产的质量控制

1 建立齐全的质量纪录，工序跟踪检查纪录，责任落实到人；

2 每套管模应按编号使用，不得混淆；

3 将渠槽进行编号、注明生产日期；

4 每个班组检查混凝土质量，作7天和28天混凝土抗压强度；

图3（国外）灌溉主渠跨路倒虹吸向两条支渠供水

图4（国外）灌溉主渠穿越丘陵地区输水

5 定期抽检不同型号渠槽的抗裂性能和抗渗性能，以及挠度，判断渠槽生产工艺是否存在质量缺陷；

6 制定渠槽检验标准，建立渠槽出厂检验制度，不合格品不准出厂。

四、半圆形预应力渠槽在灌溉工程中应用

渠槽型号的选择：

引水渠一般分为三级：第一级为主渠，主要作用为从水源（水库或河流）中引水，渠槽型号一般为C1100～ C1850mm；第二级为支渠，主要任务是从主渠取水输送到灌区中的浇灌渠；第三级为毛渠，如果灌溉区域面积过大还可设第四级毛毛渠，支渠渠槽型号一般为C500～C1100，毛渠型号一般为C350～C500。

1 渠槽安全超高

与其他形式引水渠道一样，半圆形渠槽输水时也存在安全超高问题，为防止流水外溢，安全超高的尺寸一般为渠槽直径的10%～15%，这种安全超高输水运行不会产生涌水外溢。

2 渠槽型号的确定

根据地形测量资料和灌溉面积确定所需流量Q，然后根据下列公式计算各级所需渠槽的型号（截面半径）：

其中：

Q表示流量m3/s，设计可知；S表示径流截面m2，可求得；

R表示渠道截面半径，用m表示；i表示坡率，设计可知；

n表示人工参数——渠槽粗糙度须小于0.015，取0.014。

这样就可得出使用渠槽型号。

结论

离心振动——半圆型预应力混凝土引水渠槽产品，目前在国内是一项空白产品，还没有生产技术规范和标准。欧洲国家将这种渠槽应用于农业灌溉工程已有多年历史，该产品在现代化大农业引水工程中是一项很有实用价值且是一种节水型的农业水利产品，特别是在丘陵和沟壑地区，地势高洼不平一般排灌沟工程是无法实现输水灌溉，通过应用离心振动半圆形预应力砼渠槽来实现“由低位向高位，或高位经过低位向高位”区域输水灌溉的目的，这种节水产品用于集约化农业灌溉显示出了较好的优势。该产品具有：适应于机械化规模化大批量生产，产品的生产效率高成本低特点，砼渠槽使用寿命可达50年，灌溉效率和效益可大幅提高等特性。渠槽应用实例图片如图3和图4所示。

[1]周建.砼渠槽离心-振动成型机组及生产工艺研究和应用[J].水利水电施工，2007（03）：103-106.