淺談混凝土薄殼窖建造技術(shù)

莊文賢 尹德慶 王 雯 張靜西 劉廣勤 李曉明

針對傳統(tǒng)混凝土建窖技術(shù)造價高、施工期長、抗裂性差等方面的問題,研制出以原狀土基坑和氣囊為內(nèi)外模板構(gòu)建水窖的工藝及氣囊裝置。實踐表明，修建水窖對雨水進行資源化利用是國內(nèi)許多缺水地區(qū)緩解水資源供需矛盾的有效途徑，可對跨區(qū)域調(diào)水形成有效補充。傳統(tǒng)混凝土水窖施工工藝復(fù)雜，建造成本偏高，大體量窖體易于發(fā)生水壓漲裂，影響到工程投資回報率及社會資金的投資積極性。為解決上述問題，研發(fā)出新型薄殼窖快建工藝及氣囊模板裝置，可低成本快速構(gòu)建抗裂型薄殼窖，具有很強的推廣應(yīng)用價值。

一、結(jié)構(gòu)形式

混凝土薄殼窖根據(jù)需要可為球形、橢球形薄殼結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)構(gòu)成要素如圖1所示。它由蓄水間、窖壁、窖頸、窖蓋、沉砂池和進水管六部分組成。

球形薄殼窖的技術(shù)參數(shù)有以下幾項：

1.水窖內(nèi)徑

式中：D1為水窖內(nèi)徑，m；V為球體積，m3，依據(jù)需水量與來水量計算確定。

2.開挖直徑

式中：B為開挖直徑，m；a窖壁厚，m；D1為水窖內(nèi)徑，m。

3.開挖深度

式中：H為開挖深度，m；h為凍土層厚度，m；D2=D1+2d，d為窖壁厚度，m。

4.混凝土

采用細(xì)石混凝土。

二、施工工藝流程及氣囊模板裝置

混凝土薄殼窖施工依托原狀土邊壁和充氣氣囊模板完成，具體施工步驟見圖2。氣囊模板裝置為中間設(shè)有連接桿件的球形柔性密閉氣囊。

三、施工技術(shù)要點

1.選擇窖址

窖址選定的總原則是根據(jù)水窖的用途及集流系統(tǒng)進行整體規(guī)劃布局，按照地質(zhì)、地形適用條件等情況科學(xué)選定。具體而言，要優(yōu)選在土質(zhì)良好，靠近集流場，方便取水，遠(yuǎn)離院墻、房基、灌木的原狀土地段。

2.基坑開挖

按照水窖的外部尺寸在地面放線并開挖基坑，基坑底部挖成下凹球面，基坑側(cè)面垂直，先機械粗挖，后人工細(xì)挖修正，盡量避免超挖和回填。

3.澆筑窖底混凝土

在基坑凹面上鋪筑10～15cm厚細(xì)石混凝土構(gòu)建窖底，澆筑后的窖底混凝土呈下凹球面。

圖1 薄殼窖結(jié)構(gòu)示意圖

4.安設(shè)氣囊模板

將氣囊模板底部的桿端插入窖底混凝土中心位置，用充氣機對氣囊充氣8～10kPa找形，固定氣囊模板頂部及四周以防止?jié)仓^程中發(fā)生側(cè)偏和上浮。

5.澆筑邊壁混凝土

以細(xì)石混凝土對稱緩慢澆筑原狀土基坑與氣囊模板間10～15cm的預(yù)留空隙，混凝土坍落度控制在100～120mm范圍內(nèi)。

6.澆筑窖頂混凝土

在氣囊模板頂部鋪筑10～15cm厚細(xì)石混凝土，預(yù)埋進水管，一體澆筑混凝土窖口部分。

7.抽氣拆除氣囊模板

待澆筑的窖體混凝土初凝后，用抽氣機抽盡氣囊模板內(nèi)空氣，從窖口取出收縮的氣囊模板，以水泥砂漿、水泥凈漿對窖體內(nèi)壁蜂窩麻面部位進行防水處理，待窖壁混凝土達(dá)到一定強度后進行窖頂壓土回填。

四、施工注意事項

基坑開挖施工要嚴(yán)格按圖紙放線，盡量避免超挖與回填；氣囊模板位置安設(shè)準(zhǔn)確；施工過程應(yīng)注意避免銳物劃傷氣模；采用細(xì)石混凝土對稱施工；避免大體量混凝土集中傾倒防止氣囊上浮與偏移；做好窖體內(nèi)壁防水。

圖2 混凝土薄殼窖施工流程圖

五、新技術(shù)的優(yōu)缺點及適用范圍分析

新技術(shù)的優(yōu)點是建窖快、抗裂性能高、造價低：與傳統(tǒng)混凝土窖回填土邊界條件不同，新型薄殼窖直接依托原狀土建窖，在一定工作范圍內(nèi)邊壁土體浸水后強度不減，窖體抗裂邊界條件更好，并可減少基坑開挖與回填的工程量；氣囊模板可自動找型，比表面積也相對較小，以氣囊模板構(gòu)建薄殼窖，混凝土用量小，窖體的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能優(yōu)良；氣囊彈性可自動補償混凝土凝結(jié)期間的塑性收縮，促使窖壁混凝土與原狀土邊壁間的緊密貼合，窖體邊界條件更好，抗裂性能也更高；窖體一次性整體澆筑，無施工冷縫，可當(dāng)天成窖，施工期短；成本低，施工技術(shù)門檻低，易于為群眾掌握與接受，有利于引導(dǎo)社會資金進行規(guī)?；茝V應(yīng)用。

新技術(shù)的不足在于對建窖區(qū)域的土質(zhì)條件要求相對較高：未經(jīng)壓實或排水固結(jié)的回填土區(qū)域、遇水濕陷區(qū)域、開挖條件不良的軟土、流沙、滲水區(qū)域不適合于該項技術(shù)；對于有堅硬碎石土、塊石的山區(qū)，基坑開挖尺寸難以精準(zhǔn)把控，建議根據(jù)開挖實際情況因地制宜調(diào)整擬建窖體規(guī)格，避免部分窖體邊壁混凝土過厚造成不必要的工料浪費。

混凝土薄殼窖技術(shù)除了用于建設(shè)水窖外，還可用于沼氣池、化糞池及儲藏室等地下窖體工程建設(shè)。

六、應(yīng)用分析

連云港市贛榆區(qū)進行30m3容積驗證窖試澆筑試驗，基坑開挖與窖體澆筑各需半天，工期為傳統(tǒng)建窖技術(shù)的1/20～1/10，造價為 3500元左右，約為傳統(tǒng)建窖技術(shù)的50%～70%。以30m3容積混凝土新型薄殼窖市場報價5000元、使用壽命50年、年蓄水50年估算，單位供水成本2元/m3，低于長江向北京調(diào)水沿途2～10元/m3不等的供水成本，綜合考慮農(nóng)戶自行投資與施工等有利因素，混凝土薄殼窖施工技術(shù)的建窖投入更低，可與跨區(qū)域調(diào)水相競合筑牢國內(nèi)供水安全屏障