席 陽

（中國水電建設(shè)集團(tuán)朝陽風(fēng)電開發(fā)有限公司，遼寧 北票 122100）

一、半圓形預(yù)應(yīng)力砼渠槽生產(chǎn)設(shè)備

離心振動—半圓形預(yù)應(yīng)力混凝土渠槽生產(chǎn)主要包括以下幾個(gè)系統(tǒng)：混凝土攪拌輸送與布料系統(tǒng)、渠槽骨架鋼筋加工系統(tǒng)、高強(qiáng)鋼絲預(yù)應(yīng)力張拉系統(tǒng)、渠槽離心振動成型系統(tǒng)、蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、拆裝模具系統(tǒng)等設(shè)備。

（一）混凝土攪拌輸送與布料系統(tǒng)

混凝土攪拌機(jī)采用強(qiáng)制式拌和機(jī)，由于引水渠槽所用混凝土要求強(qiáng)度高、水灰比穩(wěn)定，所以在選用拌和機(jī)時(shí)要選擇計(jì)量精度高、攪拌均勻、攪拌速度快，特別是原材料和混凝土含水量采用自動檢測調(diào)整的自動化程度高的產(chǎn)品。攪拌完成的混凝土在輸送到離心機(jī)料斗可采用兩種方式，一是輸送帶方式適用于輸送短距離，正常氣溫（5℃～30℃）情況；二是料斗輸送方式（將料斗用架設(shè)的軌道運(yùn)送至目的地，適用于長距離、保溫或防止水分散發(fā)的情況。攪拌好的砼通過8.5m長的“單懸臂皮帶輸送機(jī)”送入鋼模具內(nèi)均勻布料。

（二）骨架鋼筋加工系統(tǒng)

渠槽鋼筋加工由兩部分組成，一是縱向預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲，二是環(huán)向普通盤圓鋼。

鋼筋的選用：由于渠槽的截面積相對較小，為薄壁結(jié)構(gòu)，跨度7m，抗撓性強(qiáng)，在選擇拉力筋（縱向筋）時(shí)要選擇強(qiáng)度高的預(yù)應(yīng)力鋼絲。由于鋼絲張拉工藝采用先張法，縱向筋最好采用螺旋肋鋼絲或三面刻痕鋼絲，此種鋼絲與混凝土的握裹力強(qiáng)，不容易發(fā)生抽絲而喪失預(yù)應(yīng)力現(xiàn)象。另外，為了提高鋼絲在恒應(yīng)力下抵抗錯(cuò)轉(zhuǎn)移位的能力，消除鋼絲冷拔過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，提高鋼絲的比例極限、屈強(qiáng)比和彈性模量，并改善塑性，便于獲得良好的伸直性，方便施工，在選擇鋼絲時(shí)，應(yīng)采用低松弛型預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲作為縱向主力筋。而環(huán)向構(gòu)造筋可根據(jù)荷載需要采用普通熱軋光圓鋼筋即可。

（三）高強(qiáng)鋼絲預(yù)應(yīng)力張拉系統(tǒng)

砼渠槽架設(shè)后的撓度（即中點(diǎn)的最大下垂度）不得超過5mm，因此，渠槽縱向筋采用Ф5mm高強(qiáng)鋼絲，在設(shè)計(jì)長度的高強(qiáng)鋼絲上穿入2個(gè)高強(qiáng)鋼螺絲端頭，然后在高強(qiáng)鋼絲的兩端進(jìn)行液壓機(jī)墩頭，將配筋固定在模具內(nèi)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，張拉設(shè)備采用液壓機(jī)及相應(yīng)的卡具進(jìn)行，張拉力控制在1177.5N/mm2，渠槽產(chǎn)品可滿足設(shè)計(jì)最大允許撓度要求。高強(qiáng)鋼絲張拉順序：0 → 105%σcon →95%σcon →σcon；實(shí)際張拉值與設(shè)計(jì)張拉值的允許偏差應(yīng)控制在±3%之內(nèi)。（詳見下預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算）。

（四）砼渠槽離心振動成型系統(tǒng)

1 主要設(shè)備

主要設(shè)備系統(tǒng)：攪拌系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)離心系統(tǒng)、喂料系統(tǒng)、振動系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、液壓、電器控制系統(tǒng)。

下料系統(tǒng)包括料斗、附著式振搗器、撥料器、螺旋下料四個(gè)部分；

離心系統(tǒng)包括離心電機(jī)、托輪及托架兩個(gè)部分；

喂料系統(tǒng)包括行走電機(jī)、電動滾筒、輸送皮帶及托架、行走軌道；

振動系統(tǒng)包括托架、液壓油缸、振動輪幾個(gè)部分；

剎車系統(tǒng)包括液壓油缸和剎車板兩個(gè)部分；

液壓系統(tǒng)包括液壓油泵、用于控制振動系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)；

電器控制系統(tǒng)主要是一個(gè)電路控制柜，用于控制下料系統(tǒng)、離心系統(tǒng)、喂料系統(tǒng)。

2 技術(shù)參數(shù)

三種渠槽規(guī)格的振動離心機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：

（1）主電機(jī)型號

YCTZ355-4A 55kW （φ350-φ500機(jī)）

YCT400-6A 75kW （φ600-φ950機(jī)）

YCT400-4A 110kW （φ1100-φ1550機(jī)）

（2）調(diào)速范圍

1360～140r/min（φ350-φ500機(jī)）

850～140r/min （φ600-φ950機(jī)）

1400～400r/min（φ1100-φ1550機(jī)）

（3）低速運(yùn)行時(shí)間：不得超過1小時(shí)。

（4）離心機(jī)主軸轉(zhuǎn)速

1360～140r/min（φ350-φ500機(jī)）

850～140r/min （φ600-φ950機(jī)）

625～178.5r/min（φ1100-φ1550機(jī)）

（5）托輪直徑

Ф800 （φ350-φ500機(jī)）

Ф900 （φ600-φ950機(jī)）

Ф950 （φ1100-φ1550機(jī)）

3 機(jī)械設(shè)備的特點(diǎn)

與一般離心混凝土產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備相比，生產(chǎn)引水渠槽最大的區(qū)別為設(shè)計(jì)了低、中、高頻振動系統(tǒng)和模具結(jié)構(gòu)的不同。由于半圓形預(yù)應(yīng)力引水渠槽有嚴(yán)格的抗?jié)B要求，而只通過高速離心得到的混凝土密實(shí)度達(dá)不到抗?jié)B要求。為此，在渠槽離心過程中增加了高頻振動這一工藝。它通過中速離心外加振動輪產(chǎn)生高頻振動，使混凝土混合料在模具旋轉(zhuǎn)過程中加速合理分布，進(jìn)一步提高混凝土的密實(shí)度和光滑度，降低輸水糙率，達(dá)到提高混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性能和輸水能力目的。

實(shí)踐告訴我們在生產(chǎn)過程中，由于整個(gè)離心、振動機(jī)械系統(tǒng)都處在高頻振動狀態(tài)，他們所承受的壓力、摩擦力和碰撞力都非常大，因此，機(jī)械關(guān)鍵部位必須選用耐磨高強(qiáng)而韌性高的特種鋼材為部件加工原料，精密加工而成。振動油壓缸必須為耐振動型，可承受高頻振動。

（五）蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

渠槽預(yù)制是一個(gè)批量生產(chǎn)過程，為了縮短砼的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，便于模板的循環(huán)周轉(zhuǎn)利用，離心完畢后砼渠槽帶模具一同進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。渠槽蒸汽養(yǎng)護(hù)14小時(shí)即可滿足拆模強(qiáng)度需求，蒸汽養(yǎng)護(hù)后脫模繼續(xù)在水池中養(yǎng)護(hù)渠槽產(chǎn)品，使其強(qiáng)度繼續(xù)提高達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的95%以上。蒸養(yǎng)池內(nèi)應(yīng)在幾個(gè)不同的部位布設(shè)測溫傳感器，對整個(gè)蒸汽養(yǎng)護(hù)池內(nèi)的環(huán)境溫度作到有效監(jiān)控，防止局部溫度過高，破壞渠槽。

圖1

（六）模板拆裝系統(tǒng)

渠槽與其他離心混凝土制品另一個(gè)不同點(diǎn)在于它是半圓開口型，它受力條件好，便于批量離心生產(chǎn)。渠槽是在圓形模具里進(jìn)行的，在圓形管模內(nèi)加設(shè)兩片閣板，靠閣板向模內(nèi)伸出的鋼板長度，來控制渠槽管壁的厚度，蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，將鋼模和隔板拆掉即形成兩片半圓形（近于半圓，因?yàn)檫€有10mm閣板厚）開口渠槽。另外鋼模要符合JC364-86《預(yù)應(yīng)力砼管鋼模》要求，主要技術(shù)參數(shù)如下：

1 鋼模筒體：（1）鋼模長度偏差±5mm；（2）鋼模內(nèi)徑偏差±1mm。

2 跑輪徑向跳動≤0.5 mm，輪距偏差≤5 mm。

3 振動環(huán)徑向跳動≤2 mm，輪距偏差≤5 mm。

二、預(yù)應(yīng)力砼渠槽設(shè)計(jì)

（一）技術(shù)要求

由于凈長7m的半圓形預(yù)應(yīng)力離心混凝土渠槽產(chǎn)品，目前在國內(nèi)還沒有現(xiàn)成的技術(shù)規(guī)范和參數(shù)、設(shè)計(jì)依據(jù)可尋，通過渠槽產(chǎn)品壓載試驗(yàn)，逐步摸索出了半圓形預(yù)應(yīng)力渠槽產(chǎn)品的長度、壁厚、砼標(biāo)號、配筋、預(yù)應(yīng)力等之間的力學(xué)關(guān)系，并通過生產(chǎn)實(shí)踐對設(shè)計(jì)上的不足又進(jìn)行了多次的補(bǔ)充和完善，最終使半圓形預(yù)應(yīng)力渠槽產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。各種型號渠槽尺寸如圖1所示。

（二）渠槽的配筋設(shè)計(jì)（以C350型為例）

1 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲配筋計(jì)算

已知條件：渠槽外徑D=430mm；內(nèi)徑d=350mm；有效長度l=7000mm；Ec=3.25×104γ0=0.9；αc=0.5；

據(jù)公式bx·fcm=Ap·fpy，受壓區(qū)高度：

Ap單=19.6mm2；求約高強(qiáng)鋼絲根數(shù)為3根；

實(shí)配高強(qiáng)鋼絲總面積Ap=19.6×3= 58.8mm2。

2 抗裂驗(yàn)算

該構(gòu)件屬于一般要求不出現(xiàn)裂紋的構(gòu)件，即裂紋控制等級為二級，αct=0.5，完成全部預(yù)應(yīng)力損失后預(yù)應(yīng)力鋼筋合力。

（1）在荷載短期組合下的抗裂驗(yàn)算

σc-σpc=10.60-9.63=0.97N/mm2； αct·γm·ftk=0.5×1.35×2.41=1.65N/mm2；σc-σpc≤αct·γm·ftk滿足要求。

（2）在荷載長期效應(yīng)組合下的抗裂驗(yàn)算ψ=0.3

σk-σpc=6.61-9.63=-3.02<0，滿足要求

故縱向共配5根φk5剛強(qiáng)鋼絲，包括上部2根架立鋼筋。

（3）橫向配筋計(jì)算

D=430，d=350，板寬b=1000，計(jì)算混凝土受壓為正，受拉為負(fù)。

b=4 0；A=b·h=1 0 0 0×4 0=4× 104mm2

取φ=45°一般計(jì)算略，得出：

N合=rd（N水′+N自′+N標(biāo)）=-1.2× （23.75+25.6+3×103）=-3659N

即φR5@3 0 0，AS實(shí)=1 9.6×3.3= 64.7mm2＞60mm2。

取φ=30°計(jì)算過程略，得出：

綜上所述φ=45°時(shí)渠槽所受拉力為最大，即所配鋼筋面積為最大，所有渠槽橫向筋按構(gòu)造配筋即可。配筋狀態(tài)圖如圖2所示。

根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，在渠槽大小頭箍筋均加密，以改善端部受力狀態(tài)。各種型號渠槽配筋數(shù)量（見表1）。

另外，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過加載試驗(yàn)如發(fā)現(xiàn)部分型號的渠槽撓度過大，特別是直徑較小的渠槽要注意架載試驗(yàn)觀察，如有撓度超過5mm時(shí)應(yīng)再加設(shè)一根縱筋，使其撓度小于5mm，避免因撓度過大而影響渠槽質(zhì)量。

三、預(yù)應(yīng)力砼渠槽生產(chǎn)工藝

（一）渠槽生產(chǎn)工藝特點(diǎn)

首先簡要介紹一下引水渠槽離心振動混凝土的生產(chǎn)工藝流程，它與傳統(tǒng)離心混凝土制品成型有一個(gè)顯著的不同點(diǎn)，就是在布料過程中是伴隨著旋轉(zhuǎn)和振動雙重力進(jìn)行的，另外還多了一個(gè)時(shí)段的中速振動工序，使混凝土的混合料在高速旋轉(zhuǎn)過程中混凝土料中的碎石、砂、水泥和水得到合理分布和更加密實(shí)?；炷粱旌狭虾侠矸植荚谑裁辞闆r下為最佳？認(rèn)為是通過高速旋轉(zhuǎn)結(jié)合高頻振動使各種材料產(chǎn)生向管模壁方向的離心力，由于各種材料的比重存在差異，它們在離心作用下沿著管壁外邊依次是碎石砂漿層、砂漿層向水泥漿層過渡的分布，形成了以粗骨料為骨架，水泥砂漿為填充黏結(jié)凝固的結(jié)構(gòu)，使水在高速離心振動過程中逐漸被擠壓析出，接近于水泥實(shí)際水化反應(yīng)所需水分，混凝土強(qiáng)度得到顯著提高。通過大量的試驗(yàn)得出渠槽里邊的水泥砂漿厚度為2～5mm為最佳，水泥砂漿層的存在恰增加了管內(nèi)壁的光潔度，提高了混凝土的抗?jié)B性。

圖2

實(shí)踐證明：要想得到分布合理、水灰比?。ㄎ磽酵饧觿r(shí)為0.35～0.4，成松散狀，坍落度為10mm～15mm）而具有低流動性的高密實(shí)度高強(qiáng)抗?jié)B混凝土，光靠一般意義上的成型工藝是很難達(dá)到技術(shù)要求的。為此，在旋轉(zhuǎn)離心作用力下又增加了高頻振動這一工藝，在低速旋轉(zhuǎn)布料過程中，通過振動加快了布料速度，混凝土通過中速離心加上高頻振動（每分鐘10000～20000次），使混凝土在模具內(nèi)同時(shí)受到離心力、振動力、重力、粘著力、摩擦力等共同作用下，達(dá)到均勻合理分布且高密實(shí)度（將混凝土內(nèi)部氣體迅速排除）的目的。最后再通過高速離心旋轉(zhuǎn)，使混凝土中多余水泥漿析出使渠槽內(nèi)壁光潔度得到大大提高。

（二）砼配合比設(shè)計(jì)（以C350型渠槽為例）

1 計(jì)算試配強(qiáng)度

式中：

?cu，0——混凝土配制強(qiáng)度（MPa）；

?cu，k——混凝土強(qiáng)度為40（MPa）。

需要說明的是，在本工程技術(shù)規(guī)范當(dāng)中規(guī)定密封用混凝土采用AA級（阿國規(guī)范級別）混凝土，水泥標(biāo)號為42.5，用量不得低于400kg/m3?；炷量箟簭?qiáng)度試驗(yàn)塊為直徑160mm，高為32mm的圓柱體，每組三個(gè)試樣，7天和28天抗壓強(qiáng)度分別為21MPa、30MPa。

σ——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，為5。

2 粗集料

碎石最大粒徑Dmax=40mm（壁厚）×1/3=13.3，取15mm，采用3～8mm與8～15mm兩種碎石按1∶2進(jìn)行調(diào)配，得到良好的連續(xù)級配碎石。

3 計(jì)算水灰比

式中αа、αь為回歸系數(shù)，分別為0.46、0.07；?ce為水泥標(biāo)號強(qiáng)度42.5MPa。

4 確定用水量

混凝土坍落度按15mm計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)用水量為185kg/m3。

5 確定水泥用量

C=W/0.38=486.8kg/m3，取490kg/m3。

6 確定砂率

應(yīng)按碎石的空隙率來計(jì)算，經(jīng)試驗(yàn)得出連續(xù)繼配碎石的密度為2.7kg/m3，容重rq為1.55kg/m3，空隙率為ΔG42.6%；砂為特細(xì)紗，細(xì)度模數(shù)為1.07，容重rs為 1.5kg/m3，密度為2.6kg/m3。

由此得出砂率Sp=α·rs·ΔG/（rs·ΔG+ rq）×100%=31.2%，取32%。

式中α為砂的撥開系數(shù)1.1～1.4，取1.1。

表1 各種直徑渠槽配筋表

表2 經(jīng)過大量試驗(yàn)得出各種型號混凝土配合比差異表

表3 部分型號渠槽安全超高

7 砼配合比

上述混凝土配合比完全可滿足強(qiáng)度和光潔度要求。

（三）離心成型操作步驟

1 開始操作前認(rèn)真檢查所有設(shè)備狀況，并低速試車。

2 將綁扎鋼筋及張拉完畢的管模，吊運(yùn)至離心托架上，檢查管模的各部位。

3 啟動離心機(jī)主電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為電機(jī)允許最低轉(zhuǎn)速，并將喂料小車喂料臂開到承口端。開始對下料系統(tǒng)。

4 檢查一切正常后，離心機(jī)操作手將振動輪通過換向閥手柄使它與管模振動環(huán)接觸。在振動輪作用下對承口進(jìn)行低速布料，若料斗下料不暢，要啟動下料斗上的附著式振動器。整個(gè)喂料過程，必須伴隨著各部位的振動。

5 振動輪振動力的大小根據(jù)電流表和油壓來確定，使電流不得超過電機(jī)的額定電流。

6 振動結(jié)束后，將振動輪脫離管模，使電機(jī)速度逐漸提速至中速離心狀態(tài)，然后進(jìn)行中速振動。

7 中速振動結(jié)束后，將離心機(jī)提速，進(jìn)行高速離心環(huán)節(jié)，直至管壁光潔，在結(jié)束離心時(shí)為了減輕漿水對內(nèi)壁的沖刷，應(yīng)采用剎車。

8 高速離心結(jié)束后在吊運(yùn)管模時(shí)，管模應(yīng)輕吊輕放，嚴(yán)禁碰撞。

（四）蒸汽養(yǎng)護(hù)

渠槽成型后進(jìn)入蒸汽養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)。將成型好的管模放入蒸養(yǎng)池后，先靜養(yǎng)60min后，再逐步放蒸汽養(yǎng)護(hù)，必須嚴(yán)格控制升溫幅度，特別是第一個(gè)小時(shí)，必須控制在25℃以下，防止升溫過快造成混凝土干裂。利用150min左右時(shí)間逐步升溫至80℃～90℃，恒溫6小時(shí)（C350～C700型，大型號渠槽根據(jù)混凝土壁厚度相應(yīng)增加）結(jié)束。夏季（氣溫高于30℃）要對混凝土采取降溫措施，防止混凝土失水過快造成布料成型困難。成型后將管模放入蒸養(yǎng)池可直接進(jìn)行升溫蒸養(yǎng)，恒溫時(shí)間可適當(dāng)縮短1～3小時(shí)。

（五）渠槽生產(chǎn)的質(zhì)量控制

1 建立齊全的質(zhì)量紀(jì)錄，工序跟蹤檢查紀(jì)錄，責(zé)任落實(shí)到人；

2 每套管模應(yīng)按編號使用，不得混淆；

3 將渠槽進(jìn)行編號、注明生產(chǎn)日期；

4 每個(gè)班組檢查混凝土質(zhì)量，作7天和28天混凝土抗壓強(qiáng)度；

圖3（國外）灌溉主渠跨路倒虹吸向兩條支渠供水

圖4（國外）灌溉主渠穿越丘陵地區(qū)輸水

5 定期抽檢不同型號渠槽的抗裂性能和抗?jié)B性能，以及撓度，判斷渠槽生產(chǎn)工藝是否存在質(zhì)量缺陷；

6 制定渠槽檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，建立渠槽出廠檢驗(yàn)制度，不合格品不準(zhǔn)出廠。

四、半圓形預(yù)應(yīng)力渠槽在灌溉工程中應(yīng)用

渠槽型號的選擇：

引水渠一般分為三級：第一級為主渠，主要作用為從水源（水庫或河流）中引水，渠槽型號一般為C1100～ C1850mm；第二級為支渠，主要任務(wù)是從主渠取水輸送到灌區(qū)中的澆灌渠；第三級為毛渠，如果灌溉區(qū)域面積過大還可設(shè)第四級毛毛渠，支渠渠槽型號一般為C500～C1100，毛渠型號一般為C350～C500。

1 渠槽安全超高

與其他形式引水渠道一樣，半圓形渠槽輸水時(shí)也存在安全超高問題，為防止流水外溢，安全超高的尺寸一般為渠槽直徑的10%～15%，這種安全超高輸水運(yùn)行不會產(chǎn)生涌水外溢。

2 渠槽型號的確定

根據(jù)地形測量資料和灌溉面積確定所需流量Q，然后根據(jù)下列公式計(jì)算各級所需渠槽的型號（截面半徑）：

其中：

Q表示流量m3/s，設(shè)計(jì)可知；S表示徑流截面m2，可求得；

R表示渠道截面半徑，用m表示；i表示坡率，設(shè)計(jì)可知；

n表示人工參數(shù)——渠槽粗糙度須小于0.015，取0.014。

這樣就可得出使用渠槽型號。

結(jié)論

離心振動——半圓型預(yù)應(yīng)力混凝土引水渠槽產(chǎn)品，目前在國內(nèi)是一項(xiàng)空白產(chǎn)品，還沒有生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。歐洲國家將這種渠槽應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉工程已有多年歷史，該產(chǎn)品在現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)引水工程中是一項(xiàng)很有實(shí)用價(jià)值且是一種節(jié)水型的農(nóng)業(yè)水利產(chǎn)品，特別是在丘陵和溝壑地區(qū)，地勢高洼不平一般排灌溝工程是無法實(shí)現(xiàn)輸水灌溉，通過應(yīng)用離心振動半圓形預(yù)應(yīng)力砼渠槽來實(shí)現(xiàn)“由低位向高位，或高位經(jīng)過低位向高位”區(qū)域輸水灌溉的目的，這種節(jié)水產(chǎn)品用于集約化農(nóng)業(yè)灌溉顯示出了較好的優(yōu)勢。該產(chǎn)品具有：適應(yīng)于機(jī)械化規(guī)模化大批量生產(chǎn)，產(chǎn)品的生產(chǎn)效率高成本低特點(diǎn)，砼渠槽使用壽命可達(dá)50年，灌溉效率和效益可大幅提高等特性。渠槽應(yīng)用實(shí)例圖片如圖3和圖4所示。

[1]周建.砼渠槽離心-振動成型機(jī)組及生產(chǎn)工藝研究和應(yīng)用[J].水利水電施工，2007（03）：103-106.