淺談現(xiàn)澆混凝土U型渠道土模開挖工藝的改進(jìn)

張明旭

0 引言

目前在節(jié)水灌溉工程中，U型渠道是最常見的一種節(jié)水灌溉設(shè)施。由于U型渠道投資小、經(jīng)濟(jì)效益高、施工技術(shù)成熟，所以節(jié)水灌溉工程中被大量投資修建。U型渠道應(yīng)用區(qū)域廣，不同地區(qū)施工方法都有區(qū)別。U型渠道施工主要內(nèi)容是土方工程和混凝土工程，看似程序簡(jiǎn)單，實(shí)際上由于施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件的限制，U型渠道主要以人工作業(yè)為主，機(jī)械化施工程度低。沒(méi)有統(tǒng)一施工標(biāo)準(zhǔn)，突顯出來(lái)的問(wèn)題很多[1]。本文結(jié)合陜西省農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)紅星水庫(kù)中型灌區(qū)節(jié)水配套改造項(xiàng)目，對(duì)U型渠道以往慣用的土模開挖工藝的改進(jìn)進(jìn)行探討。

1 工程概況

陜西省農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)紅星水庫(kù)中型灌區(qū)節(jié)水配套改造項(xiàng)目項(xiàng)目區(qū)位于陜西省富平縣淡村鎮(zhèn)，紅星水庫(kù)始建于1966年，1969年12月竣工并投入運(yùn)行，水庫(kù)總庫(kù)容799萬(wàn)m3，興利庫(kù)容370萬(wàn)m3，紅星水庫(kù)灌區(qū)東西長(zhǎng)15.9 km，南北寬5.9 km，涉及富平縣淡村鎮(zhèn)、呂村鎮(zhèn)、東上官鄉(xiāng)及南社鄉(xiāng)4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)10個(gè)行政村60個(gè)村民小組。灌區(qū)有干渠7條，支渠22條，總長(zhǎng)70.97 km，設(shè)施灌溉面積5.0萬(wàn)畝，有效灌溉面積2.36萬(wàn)畝，由于四十多年的運(yùn)行，工程老化失修，破損嚴(yán)重、干支渠及其建筑物破損嚴(yán)重，輸水損失大，險(xiǎn)工險(xiǎn)段多，輸水不暢，導(dǎo)致灌溉水利用系數(shù)不高，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，急需改造。其中U型渠道建設(shè)內(nèi)容：干支渠防滲襯砌16條，總長(zhǎng)33.30 km；干渠4條（廣惠干渠、金定干渠以及紅星一二級(jí)泵站干渠），防滲襯砌20.32 km（新建連接工程0.73 km，襯砌改造5.6 km、土渠襯砌13.99 km）；支渠防滲襯砌12條，防滲襯砌12.98 km（土渠襯砌）。兼配建筑物改造，管理設(shè)施，渠道綠化工程等。

2 混凝土U型渠道土模開挖施工技術(shù)分析

2.1 人工土模開挖施工方法

紅星水庫(kù)節(jié)水改造項(xiàng)目現(xiàn)澆混凝土U型渠道的施工流程：施工準(zhǔn)備→清理建基面→測(cè)量放樣→土方回填→開挖放樣→渠槽土模開挖→U型機(jī)襯砌混凝土→人工收面壓光→伸縮縫切割填筑→渠堤土方整修→渠堤植樹綠化。

土模是U型渠道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面的外模，U型渠道內(nèi)、外模直徑之差便是設(shè)計(jì)U型渠道的壁厚[2]。紅星水庫(kù)節(jié)水改造項(xiàng)目的支渠主要以D60為主，斷面尺寸較小，支渠土模開挖主要以人工開挖為主。施工過(guò)程有以下幾步：①進(jìn)行開挖放樣，放出渠道中心控制線，每15 m釘一木樁，標(biāo)記開挖高程并掛線。②初挖樣模，初步確定開挖的深度和寬度，土模左右兩邊和渠底各預(yù)留5～10 cm作為精修部分。③細(xì)樣精修，樣模挖土后，再每4米放一道標(biāo)準(zhǔn)斷面并掛線進(jìn)行樣模精修，使左右兩邊平整，U型弧底圓滑平順。④驗(yàn)?zāi)?。將已精修好的土模，校?yàn)中心、高程、斷面、尺寸不是準(zhǔn)確。同時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)斷面模具驗(yàn)?zāi)?，檢查合格后方可進(jìn)行下一步施工，檢查不合格則返工重新精修。

2.2 人工土模開挖存在的弊端

人工挖土模相對(duì)于自動(dòng)開挖成型技術(shù)，已經(jīng)落后不少，但仍舊被采用。隨著施工技術(shù)的日新月異，加上其自身存在的問(wèn)題，最終會(huì)逐漸被取代。其一：施工程序環(huán)節(jié)多，容易在程序交接的地方出現(xiàn)問(wèn)題，不利于施工。其二：隨著開挖深度增加，棄土難度加大，工人的體能消耗增加，休息時(shí)間加長(zhǎng)，導(dǎo)致施工效率下降。其三：由于不同人員施工水平的差異，導(dǎo)致最終的土模質(zhì)量差別很大。這種施工方法存在的質(zhì)量問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)：（1）土模超挖或欠挖導(dǎo)致U型渠道在混凝土襯砌時(shí)壁厚達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，影響渠道防滲效果；（2）土?；〉讛嗝娌粯?biāo)準(zhǔn)，會(huì)造成成型后的混凝土U型渠輸水不暢，導(dǎo)致渠內(nèi)淤積；（3）工人在施工過(guò)程中進(jìn)出渠槽，容易造成土模壓頂破環(huán)，導(dǎo)致在混凝土襯砌時(shí)附著面減小，容易坍塌。

2.3 改進(jìn)后的新工藝

在紅星水庫(kù)節(jié)水改造項(xiàng)目上，提出工藝改進(jìn)的原因有以下兩點(diǎn)：一是基于人工開挖土模存在的問(wèn)題多，不利于混凝土襯砌施工。二是由于廣惠干渠、金定干渠斷面尺寸大（U型渠道口寬1.592 m，襯高1.2 m，弧半徑0.6 m，圓心角148°，混凝土厚10 cm。）人工開挖土模無(wú)法滿足進(jìn)度要求。所以在項(xiàng)目部人員的努力研究下，設(shè)計(jì)出一套全新的挖模機(jī)設(shè)備，這種挖模設(shè)備是以U型襯砌機(jī)機(jī)頭為原型設(shè)計(jì)制造，用10 mm鋼板焊接而成，安裝在挖掘機(jī)上施工的設(shè)備（見圖1挖模機(jī)設(shè)備）。根據(jù)這種挖模設(shè)備制定新的施工方法，以替換人工開挖土模的施工方法，形成新工藝。

圖1 挖模機(jī)設(shè)備

2.4 改進(jìn)后的土模開挖施工方法

渠道土方回填壓實(shí)完成后，進(jìn)行開挖放樣。首先根據(jù)控制點(diǎn)，放出渠道縱向中心線。然后根據(jù)挖模機(jī)上控制桿的尺寸，放出一側(cè)縱向控制邊線，每10米釘一控制木樁。待控制邊線放樣完成后，根據(jù)高程控制點(diǎn)和渠道比降依次放出每個(gè)控制樁上的高程并標(biāo)記掛線。開挖前，檢查控制樁、線的位置及高程，確認(rèn)無(wú)誤后即可開挖。挖模機(jī)在工作時(shí)一定要順著U型渠道放的開挖線勻速慢慢后退，且要有專人跟隨查看。沿線如果有雜物、樹根等要立即清理，在挖模過(guò)程中時(shí)刻檢查控制樁線的位置高程，倒土?xí)r防止流土觸碰控制邊線而造成破壞。挖模過(guò)程有三步：①切土，轉(zhuǎn)動(dòng)挖斗，使挖斗與挖掘機(jī)前臂平行，與地面成45°夾角，再轉(zhuǎn)動(dòng)前臂挖土。②棄土，將挖出土方棄置在沒(méi)有施工道路另一邊渠堤上，作為渠堤整修用土。③刮平，在開挖長(zhǎng)度約有1 m時(shí)，將挖斗垂直置于渠底，用挖斗上的控制桿緊貼控制線，慢慢向后倒退刮土，重復(fù)操作，直至土模刮平達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.5 工藝改進(jìn)后的優(yōu)劣

經(jīng)過(guò)改進(jìn)的土模開挖工藝主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）挖模機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，費(fèi)用低廉，便于推廣。這種挖模機(jī)設(shè)備雖然是半自動(dòng)化，但是操作方式簡(jiǎn)單靈活不受限制，平常操作挖掘機(jī)的人員皆可熟練操作。（2）施工成本低、效率高、質(zhì)量好。土模開挖一次成型，無(wú)需人工精修，成型的土模能與U型襯砌機(jī)完美結(jié)合，在U型渠弧底處平順光滑，利于混凝土澆筑時(shí)的振搗密實(shí)，也在最大程度上減少了渠底開裂滲漏。（3）上勞人員少，便于組織管理。由于上勞人員的減少，降低了管理工作的難度，而且便于質(zhì)量檢查。（4）施工環(huán)節(jié)少，可以避免因程序交接出現(xiàn)的錯(cuò)誤。改進(jìn)后的土方開挖工藝也存在缺點(diǎn)：（1）受場(chǎng)地條件約束大，目前U型渠道的施工大多都以節(jié)水灌溉改造工程為主，節(jié)水改造以舊翻新，施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹小，沒(méi)有足夠的機(jī)械工作面，導(dǎo)致機(jī)械無(wú)法進(jìn)場(chǎng)。（2）不能自動(dòng)化施工，還需人工跟隨查看。

3 工藝改進(jìn)后的成效

3.1 施工進(jìn)度加快

以廣惠干渠為例，經(jīng)計(jì)算每延米土方開挖工程量為1.54 m3。在廣惠干渠的實(shí)際施工中，挖模機(jī)平均每工日可挖土模230 m，則每工日土方開挖量為354.2 m3。依據(jù)最新水利工程施工定額，在人工開挖條件下，每開挖Ⅰ～Ⅱ類土100 m3所需42工時(shí)，計(jì)算可得每人每工時(shí)可開挖2.38 m3，每人每工日可挖19.04 m3。紅星水庫(kù)節(jié)水改造項(xiàng)目區(qū)域當(dāng)?shù)貏趧?dòng)力工價(jià)為：挖模的小型挖掘機(jī)每天1200元，一名普工每天100元。假定每天的施工費(fèi)用為1200元，人工開挖模式下，需要12人，開挖工程量為228.48 m3，開挖長(zhǎng)度148.4 m。由此可見人工挖土模的施工速度小于挖模機(jī)的施工速度。

3.2 施工成本降低

根據(jù)上述勞動(dòng)力工價(jià)和機(jī)械費(fèi)用，在每天開挖230 m的情況下，人工開挖模式需要上勞人數(shù)為18.6人，施工成本為1860元；而挖模機(jī)的施工成本為1200元。據(jù)此可知，改進(jìn)后的施工工藝，使土模開挖每米可降低施工成本2.87元，在紅星水庫(kù)節(jié)水改造項(xiàng)目中，和廣惠干渠采用同樣施工標(biāo)準(zhǔn)斷面的U型渠道共計(jì)11980 m，經(jīng)計(jì)算可知，在這一種渠型的土模開挖施工中節(jié)省施工成本為34382.6元。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)介紹土模開挖工藝改進(jìn)后施工方法，分析計(jì)算工藝改進(jìn)后的成果數(shù)據(jù)，證明改進(jìn)后的工藝能夠替代舊工藝，而且可以發(fā)揮更高成效。希望紅星水庫(kù)節(jié)水改造項(xiàng)目改進(jìn)后的土模開挖工藝能夠應(yīng)用到更多的U型渠道工程施工中，使得此項(xiàng)工藝得以推廣，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]宋曉霞,雷剛.U型渠道現(xiàn)澆混凝土襯砌施工技術(shù)[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2012,10(3):191-194.

[2]李彥卿.現(xiàn)澆砼U型渠道施工技術(shù)[J].山西水土保持科技,2007(3):47-48.