浅谈现浇混凝土U型渠道土模开挖工艺的改进

张明旭

0 引言

目前在节水灌溉工程中，U型渠道是最常见的一种节水灌溉设施。由于U型渠道投资小、经济效益高、施工技术成熟，所以节水灌溉工程中被大量投资修建。U型渠道应用区域广，不同地区施工方法都有区别。U型渠道施工主要内容是土方工程和混凝土工程，看似程序简单，实际上由于施工现场场地条件的限制，U型渠道主要以人工作业为主，机械化施工程度低。没有统一施工标准，突显出来的问题很多[1]。本文结合陕西省农业综合开发红星水库中型灌区节水配套改造项目，对U型渠道以往惯用的土模开挖工艺的改进进行探讨。

1 工程概况

陕西省农业综合开发红星水库中型灌区节水配套改造项目项目区位于陕西省富平县淡村镇，红星水库始建于1966年，1969年12月竣工并投入运行，水库总库容799万m3，兴利库容370万m3，红星水库灌区东西长15.9 km，南北宽5.9 km，涉及富平县淡村镇、吕村镇、东上官乡及南社乡4个乡镇10个行政村60个村民小组。灌区有干渠7条，支渠22条，总长70.97 km，设施灌溉面积5.0万亩，有效灌溉面积2.36万亩，由于四十多年的运行，工程老化失修，破损严重、干支渠及其建筑物破损严重，输水损失大，险工险段多，输水不畅，导致灌溉水利用系数不高，严重制约当地经济发展，急需改造。其中U型渠道建设内容：干支渠防渗衬砌16条，总长33.30 km；干渠4条（广惠干渠、金定干渠以及红星一二级泵站干渠），防渗衬砌20.32 km（新建连接工程0.73 km，衬砌改造5.6 km、土渠衬砌13.99 km）；支渠防渗衬砌12条，防渗衬砌12.98 km（土渠衬砌）。兼配建筑物改造，管理设施，渠道绿化工程等。

2 混凝土U型渠道土模开挖施工技术分析

2.1 人工土模开挖施工方法

红星水库节水改造项目现浇混凝土U型渠道的施工流程：施工准备→清理建基面→测量放样→土方回填→开挖放样→渠槽土模开挖→U型机衬砌混凝土→人工收面压光→伸缩缝切割填筑→渠堤土方整修→渠堤植树绿化。

土模是U型渠道标准横断面的外模，U型渠道内、外模直径之差便是设计U型渠道的壁厚[2]。红星水库节水改造项目的支渠主要以D60为主，断面尺寸较小，支渠土模开挖主要以人工开挖为主。施工过程有以下几步：①进行开挖放样，放出渠道中心控制线，每15 m钉一木桩，标记开挖高程并挂线。②初挖样模，初步确定开挖的深度和宽度，土模左右两边和渠底各预留5～10 cm作为精修部分。③细样精修，样模挖土后，再每4米放一道标准断面并挂线进行样模精修，使左右两边平整，U型弧底圆滑平顺。④验模。将已精修好的土模，校验中心、高程、断面、尺寸不是准确。同时用标准断面模具验模，检查合格后方可进行下一步施工，检查不合格则返工重新精修。

2.2 人工土模开挖存在的弊端

人工挖土模相对于自动开挖成型技术，已经落后不少，但仍旧被采用。随着施工技术的日新月异，加上其自身存在的问题，最终会逐渐被取代。其一：施工程序环节多，容易在程序交接的地方出现问题，不利于施工。其二：随着开挖深度增加，弃土难度加大，工人的体能消耗增加，休息时间加长，导致施工效率下降。其三：由于不同人员施工水平的差异，导致最终的土模质量差别很大。这种施工方法存在的质量问题主要有以下几点：（1）土模超挖或欠挖导致U型渠道在混凝土衬砌时壁厚达不到设计要求，影响渠道防渗效果；（2）土模弧底断面不标准，会造成成型后的混凝土U型渠输水不畅，导致渠内淤积；（3）工人在施工过程中进出渠槽，容易造成土模压顶破环，导致在混凝土衬砌时附着面减小，容易坍塌。

2.3 改进后的新工艺

在红星水库节水改造项目上，提出工艺改进的原因有以下两点：一是基于人工开挖土模存在的问题多，不利于混凝土衬砌施工。二是由于广惠干渠、金定干渠断面尺寸大（U型渠道口宽1.592 m，衬高1.2 m，弧半径0.6 m，圆心角148°，混凝土厚10 cm。）人工开挖土模无法满足进度要求。所以在项目部人员的努力研究下，设计出一套全新的挖模机设备，这种挖模设备是以U型衬砌机机头为原型设计制造，用10 mm钢板焊接而成，安装在挖掘机上施工的设备（见图1挖模机设备）。根据这种挖模设备制定新的施工方法，以替换人工开挖土模的施工方法，形成新工艺。

图1 挖模机设备

2.4 改进后的土模开挖施工方法

渠道土方回填压实完成后，进行开挖放样。首先根据控制点，放出渠道纵向中心线。然后根据挖模机上控制杆的尺寸，放出一侧纵向控制边线，每10米钉一控制木桩。待控制边线放样完成后，根据高程控制点和渠道比降依次放出每个控制桩上的高程并标记挂线。开挖前，检查控制桩、线的位置及高程，确认无误后即可开挖。挖模机在工作时一定要顺着U型渠道放的开挖线匀速慢慢后退，且要有专人跟随查看。沿线如果有杂物、树根等要立即清理，在挖模过程中时刻检查控制桩线的位置高程，倒土时防止流土触碰控制边线而造成破坏。挖模过程有三步：①切土，转动挖斗，使挖斗与挖掘机前臂平行，与地面成45°夹角，再转动前臂挖土。②弃土，将挖出土方弃置在没有施工道路另一边渠堤上，作为渠堤整修用土。③刮平，在开挖长度约有1 m时，将挖斗垂直置于渠底，用挖斗上的控制杆紧贴控制线，慢慢向后倒退刮土，重复操作，直至土模刮平达到设计要求。

2.5 工艺改进后的优劣

经过改进的土模开挖工艺主要有以下几点优势：（1）挖模机设备结构简单，制作方便，费用低廉，便于推广。这种挖模机设备虽然是半自动化，但是操作方式简单灵活不受限制，平常操作挖掘机的人员皆可熟练操作。（2）施工成本低、效率高、质量好。土模开挖一次成型，无需人工精修，成型的土模能与U型衬砌机完美结合，在U型渠弧底处平顺光滑，利于混凝土浇筑时的振捣密实，也在最大程度上减少了渠底开裂渗漏。（3）上劳人员少，便于组织管理。由于上劳人员的减少，降低了管理工作的难度，而且便于质量检查。（4）施工环节少，可以避免因程序交接出现的错误。改进后的土方开挖工艺也存在缺点：（1）受场地条件约束大，目前U型渠道的施工大多都以节水灌溉改造工程为主，节水改造以旧翻新，施工现场场地狭小，没有足够的机械工作面，导致机械无法进场。（2）不能自动化施工，还需人工跟随查看。

3 工艺改进后的成效

3.1 施工进度加快

以广惠干渠为例，经计算每延米土方开挖工程量为1.54 m3。在广惠干渠的实际施工中，挖模机平均每工日可挖土模230 m，则每工日土方开挖量为354.2 m3。依据最新水利工程施工定额，在人工开挖条件下，每开挖Ⅰ～Ⅱ类土100 m3所需42工时，计算可得每人每工时可开挖2.38 m3，每人每工日可挖19.04 m3。红星水库节水改造项目区域当地劳动力工价为：挖模的小型挖掘机每天1200元，一名普工每天100元。假定每天的施工费用为1200元，人工开挖模式下，需要12人，开挖工程量为228.48 m3，开挖长度148.4 m。由此可见人工挖土模的施工速度小于挖模机的施工速度。

3.2 施工成本降低

根据上述劳动力工价和机械费用，在每天开挖230 m的情况下，人工开挖模式需要上劳人数为18.6人，施工成本为1860元；而挖模机的施工成本为1200元。据此可知，改进后的施工工艺，使土模开挖每米可降低施工成本2.87元，在红星水库节水改造项目中，和广惠干渠采用同样施工标准断面的U型渠道共计11980 m，经计算可知，在这一种渠型的土模开挖施工中节省施工成本为34382.6元。

4 结语

本文通过介绍土模开挖工艺改进后施工方法，分析计算工艺改进后的成果数据，证明改进后的工艺能够替代旧工艺，而且可以发挥更高成效。希望红星水库节水改造项目改进后的土模开挖工艺能够应用到更多的U型渠道工程施工中，使得此项工艺得以推广，创造更大的经济效益。

[1]宋晓霞,雷刚.U型渠道现浇混凝土衬砌施工技术[J].水利与建筑工程学报,2012,10(3):191-194.

[2]李彦卿.现浇砼U型渠道施工技术[J].山西水土保持科技,2007(3):47-48.