小型水工建筑物装配式施工技术研究

王海龙

（南京市水利规划设计院股份有限公司广东分公司，广州 510610）

1 引言

装配式施工技术诞生于20世纪初，该技术是实现建筑工程工业化和产业化的一个十分重要的技术手段[1]。该技术主要是综合考虑施工制作和运输等因素，对建筑物进行合理的拆分和设计，然后将传统的整体建筑拆分成若干个相互独立的结构，对各构件进行预制，最后，运输至施工现场进行拼接安装，从而构建结构完整、质量合格的建筑物[2，3]。如今，装配式施工技术已经广泛应用在我国的建筑领域，尤其适用于规格标准化、结构组合化、生产工业化的建筑工程中。小型水工建筑物的规模较小、应用广泛、数量较为庞大，将装配式技术应用于小型水工建筑物中可以实现高质量、高效率、经济环保的建设目标。

为了更好地将装配式技术应用于水工建筑物的施工中，本文梳理装配式技术的主要优势，对装配式输水渠道、涵洞和涵闸、倒虹吸、渡槽等构造进行研究，以新型装配式涵闸结构设计和质量控制为例对装配式设计和应用进行具体的分析。

2 装配式技术的优势

和传统的建筑技术方式相比，装配式技术可以明显提高施工效率和经济效益，其主要优势主要包括[4，5]：

1）施工精度高，工程质量好。由于装配式构件是在工厂加工，生产环境较好，可以保证构件的精密度，并且明显提高混凝土浇筑、振捣和养护等环节的施工质量。

2）可以减少原材料及能源消耗。生产和加工过程可以明显减少钢材、混凝土、燃油的消耗，据统计可以节约大概15%的原材料。

3）有利于提升施工效率，节约成本。装配式构件在工厂内可以依托机械化流水线加工，自动化程度较高，工人的操作相对熟练，缩短了生产加工过程的时间，节约了项目的造价。

4）施工周期较短。装配式技术的施工流程可以实现导流、清基、预制等工序的平行作业，预制构件直接吊装至施工现场地后直接进行安装即可，可以省略安装、拆卸模板，以及混凝土施工工序，使现场施工时间大大缩短，从整体上大幅度缩短了施工周期。

3 小型水工建筑物装配式设计

3.1 装配式渠道设计

3.1.1 渠道断面形状的选择

渠道设计流量在1~5 m3/s时，为了有利于机械化施工，可以选择梯形断面；流量小于或等于1 m3/s的情况下，可选择U形渠道。

3.1.2 渠道边坡系数

梯形断面渠道的边坡系数根据边坡的稳定性计算，考虑到工程量和成本，边坡系数一般取1~1.5，对于土质条件较差的区域，边坡系数可取2~2.5。

3.1.3 渠道糙率系数

渠道糙率系数是反映渠床粗糙程度的指标，可根据渠道的护面、施工、养护等情况确定。

3.1.4 渠底纵坡比降

渠底纵坡比降由工程区域的地形、地貌、土质以及渠道的功能等因素确定。在保证一定的断面过流能力的情况下，采用较大的渠底纵坡比降可以提高水流速度，减小渠道的横截面面积，继而减少工程量。但是流速过高会增加水头势能损失，并且水流对渠道的冲刷较为严重；反之，当渠底纵坡比降较小，水流流速较小时，可以减少沿程的势能损失，但会因此加大渠道内泥沙的淤积量，影响渠道的过水能力。最终，渠道比降的确定应保证渠道不冲和不淤流而确定。

3.1.5 渠道的断面宽深比

渠道的断面宽深比β一般通过最佳断面确定，在保证渠道的过水流量满足需要的情况下，选择过水断面面积最小的方案。在含沙量较小、渠床的土质状况不良、流量较大的情况下，优先选择宽浅式的渠道。

3.2 装配式倒虹吸的设计参数

3.2.1 断面形式

根据相关设计规范的要求，应在总水头的损失小于或等于渠道系统的给定值的情况下，确定倒虹吸管道横断面的形式、尺寸大小、材质等。断面的倒虹吸管主要分为圆形和箱形2种类型，前者主要应用在高水头、小流量的水利工程中，一般工程项目受力条件和水利条件较好时，优先选择该形式；后者主要应用于低水头和大流量的工况。

3.2.2 管路的布置

管路布置的形式包括竖井式和斜管式2种，二者的应用范围和优缺点见表1。

表1 竖井式和斜管式布置的应用范围和优缺点

3.2.3 进出口段的布置

以流量≤5 m3/s的倒虹吸为例，根据国家相关规范[6]，在该流量下选择采用单管布置的装配式倒虹，进出口段仅设置拦污栅，管身直接伸入胸墙内，不设置喇叭口，如图1所示。

图1 箱型倒虹吸布置构造图

3.3 装配式渡槽的设计参数

槽底纵坡的大小直接决定了槽身过水断面的形式和水流速，纵坡的偏大时，可以减少工程量和工程成本，但同时也会加大水头的损失，降低渡槽的输水效率。经过工程实践可知，一般槽内的设计流速在1.0~2.5 m/s，槽底的纵坡选择1/500~1/1 500。渡槽身断面的形式包括矩形和U形断面2种。

3.4 装配式涵洞的设计

小型装配式涵洞上下游的水位差较小，洞内的水流速度也较小，在该情况下，一般选择无压力式或自由式出流的涵洞，不需要考虑涵洞的防渗、排水和消能的情况。

涵洞包括箱型涵洞和圆管涵洞，箱型涵洞主要分为单孔、双孔、三孔的钢筋混凝土结构，包括正方形断面和矩形断面2种；圆管涵洞的水利条件和受力条件较好，能够承受较大的压力，施工过程简单，工程量相对较小。为了确保无压涵管在任何水位时持续保证无压流状态，保证洞内的流量和水深始终保持稳定，要确保洞内的水面始终保持一定的净空高度。

4 新型装配式涵闸结构设计和质量控制

在小型水工建筑物中，涵闸是最常见的建筑物形式，主要分为有压涵洞式涵闸和无压涵洞式涵闸，结构相对简单，主要包括进口首部、洞身、进出口连接段3部分。

4.1 装配式涵闸构件拆分原则

对涵闸进行科学的拆分是装配式设计的重要环节，对预制构件的加工、运输、安装有直接的影响。构件的拆分原则：对于平面形状应该简单、规则、对称；竖向布置规则且均匀；构件划分遵循受力合理、连接简单、少规格、多组合的原则。

4.2 装配式涵闸构件的连接

预制混凝土的结构连接方式有干连接和湿连接2种，干连接一般采用螺栓、焊接、企口、机械套筒等连接方式；湿连接主要有底模现浇、浆锚连接、灌浆拼装等方式。小型水工建筑物中涵闸的连接方式决定了涵闸的稳定性、耐久性、止水效果等方面，构件连接时，可以辅以橡胶垫进行止水并减少刚性接触确保连接的耐久性。主要的构件连接方式见表2。

表2 构件连接方式

4.3 构件预制工艺质量控制

4.3.1 混凝土拌和控制要点

首先，应在混凝土原材料进场后及时进行检验，确保材料合格；要严格按照配和比进行混凝土的配制，推荐采用强制式拌和机拌和混凝土，搅拌时间应≥3 min，并严格控制混凝土的坍落度。

4.3.2 预制模具清理控制要点

预制模具的清理是质量控制的要点，模具需要在盐酸溶液中浸泡至少5 min，用清洁球清理模具上的杂物，用洗衣粉溶液浸泡模具并用毛巾清洗至少2次；晾干模具后，在表面涂抹3%的脱模剂。

4.3.3 混凝土浇筑质量控制要点

混凝土浇筑过程的控制要点及其主要步骤如图2所示。

图2 混凝土浇筑质量控制要点及主要步骤

装配式构件养护是确保构件质量的重要工序，主要可采用蒸汽、热拌混凝土热模、远红外线养护3种养护方式。其中，蒸汽养护的时间较短，可以有效提高模板的周转率，节约现场的施工空间，应用范围较广。

4.4 预制构件安装程序

各个构件在机械吊装就位后，应及时铺设橡胶垫并拧紧螺母。构件的安装程序见图3所示。

图3 构件的安装程序

小型水工建筑物的构件一般采用小型吊机安装，在安装过程中应该确保构件在安装过程中不发生碰撞和损坏，安放面保持清洁；构件的型号和位置确保一致后，检查安装完成后的构件是否已经和搁置面有紧密的接触，最后减掉多余的橡胶垫。

5 结语

建筑装配化技术的应用已经取得了良好的经济效益，如何更好地发挥装配式施工技术的技术和经济优势是建筑行业中重要的课题。本文以小型水工建筑物的装配化技术的应用为例，研究装配式的输水渠道、涵洞和涵闸、倒虹吸、渡槽等具体参数的设计，具体分析了新型装配式涵闸结构设计和质量控制的主要过程，以期为装配化技术应用于小型水工建筑提供参考。