浅谈混凝土薄壳窖建造技术

庄文贤 尹德庆 王 雯 张静西 刘广勤 李晓明

针对传统混凝土建窖技术造价高、施工期长、抗裂性差等方面的问题,研制出以原状土基坑和气囊为内外模板构建水窖的工艺及气囊装置。实践表明，修建水窖对雨水进行资源化利用是国内许多缺水地区缓解水资源供需矛盾的有效途径，可对跨区域调水形成有效补充。传统混凝土水窖施工工艺复杂，建造成本偏高，大体量窖体易于发生水压涨裂，影响到工程投资回报率及社会资金的投资积极性。为解决上述问题，研发出新型薄壳窖快建工艺及气囊模板装置，可低成本快速构建抗裂型薄壳窖，具有很强的推广应用价值。

一、结构形式

混凝土薄壳窖根据需要可为球形、椭球形薄壳结构，系统构成要素如图1所示。它由蓄水间、窖壁、窖颈、窖盖、沉砂池和进水管六部分组成。

球形薄壳窖的技术参数有以下几项：

1.水窖内径

式中：D1为水窖内径，m；V为球体积，m3，依据需水量与来水量计算确定。

2.开挖直径

式中：B为开挖直径，m；a窖壁厚，m；D1为水窖内径，m。

3.开挖深度

式中：H为开挖深度，m；h为冻土层厚度，m；D2=D1+2d，d为窖壁厚度，m。

4.混凝土

采用细石混凝土。

二、施工工艺流程及气囊模板装置

混凝土薄壳窖施工依托原状土边壁和充气气囊模板完成，具体施工步骤见图2。气囊模板装置为中间设有连接杆件的球形柔性密闭气囊。

三、施工技术要点

1.选择窖址

窖址选定的总原则是根据水窖的用途及集流系统进行整体规划布局，按照地质、地形适用条件等情况科学选定。具体而言，要优选在土质良好，靠近集流场，方便取水，远离院墙、房基、灌木的原状土地段。

2.基坑开挖

按照水窖的外部尺寸在地面放线并开挖基坑，基坑底部挖成下凹球面，基坑侧面垂直，先机械粗挖，后人工细挖修正，尽量避免超挖和回填。

3.浇筑窖底混凝土

在基坑凹面上铺筑10～15cm厚细石混凝土构建窖底，浇筑后的窖底混凝土呈下凹球面。

图1 薄壳窖结构示意图

4.安设气囊模板

将气囊模板底部的杆端插入窖底混凝土中心位置，用充气机对气囊充气8～10kPa找形，固定气囊模板顶部及四周以防止浇筑过程中发生侧偏和上浮。

5.浇筑边壁混凝土

以细石混凝土对称缓慢浇筑原状土基坑与气囊模板间10～15cm的预留空隙，混凝土坍落度控制在100～120mm范围内。

6.浇筑窖顶混凝土

在气囊模板顶部铺筑10～15cm厚细石混凝土，预埋进水管，一体浇筑混凝土窖口部分。

7.抽气拆除气囊模板

待浇筑的窖体混凝土初凝后，用抽气机抽尽气囊模板内空气，从窖口取出收缩的气囊模板，以水泥砂浆、水泥净浆对窖体内壁蜂窝麻面部位进行防水处理，待窖壁混凝土达到一定强度后进行窖顶压土回填。

四、施工注意事项

基坑开挖施工要严格按图纸放线，尽量避免超挖与回填；气囊模板位置安设准确；施工过程应注意避免锐物划伤气模；采用细石混凝土对称施工；避免大体量混凝土集中倾倒防止气囊上浮与偏移；做好窖体内壁防水。

图2 混凝土薄壳窖施工流程图

五、新技术的优缺点及适用范围分析

新技术的优点是建窖快、抗裂性能高、造价低：与传统混凝土窖回填土边界条件不同，新型薄壳窖直接依托原状土建窖，在一定工作范围内边壁土体浸水后强度不减，窖体抗裂边界条件更好，并可减少基坑开挖与回填的工程量；气囊模板可自动找型，比表面积也相对较小，以气囊模板构建薄壳窖，混凝土用量小，窖体的结构力学性能优良；气囊弹性可自动补偿混凝土凝结期间的塑性收缩，促使窖壁混凝土与原状土边壁间的紧密贴合，窖体边界条件更好，抗裂性能也更高；窖体一次性整体浇筑，无施工冷缝，可当天成窖，施工期短；成本低，施工技术门槛低，易于为群众掌握与接受，有利于引导社会资金进行规模化推广应用。

新技术的不足在于对建窖区域的土质条件要求相对较高：未经压实或排水固结的回填土区域、遇水湿陷区域、开挖条件不良的软土、流沙、渗水区域不适合于该项技术；对于有坚硬碎石土、块石的山区，基坑开挖尺寸难以精准把控，建议根据开挖实际情况因地制宜调整拟建窖体规格，避免部分窖体边壁混凝土过厚造成不必要的工料浪费。

混凝土薄壳窖技术除了用于建设水窖外，还可用于沼气池、化粪池及储藏室等地下窖体工程建设。

六、应用分析

连云港市赣榆区进行30m3容积验证窖试浇筑试验，基坑开挖与窖体浇筑各需半天，工期为传统建窖技术的1/20～1/10，造价为 3500元左右，约为传统建窖技术的50%～70%。以30m3容积混凝土新型薄壳窖市场报价5000元、使用寿命50年、年蓄水50年估算，单位供水成本2元/m3，低于长江向北京调水沿途2～10元/m3不等的供水成本，综合考虑农户自行投资与施工等有利因素，混凝土薄壳窖施工技术的建窖投入更低，可与跨区域调水相竞合筑牢国内供水安全屏障