新型混凝土鋼絲網(wǎng)薄殼水窖的設(shè)計及施工

鄭 勇 ，唐小娟

(甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

水窖在我國西部無集中供水條件的地區(qū)被廣泛使用，是用來收集和儲存雨水的關(guān)鍵性建筑物，其主要建設(shè)材料為混凝土，目前正在使用的混凝土水窖有930萬個[1]，主要用于飲用水之目的的人口約有300萬人[2]。西部地區(qū)使用的混凝土水窖大部分依據(jù)《雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范》GB/T50596-2010[3]，水窖窖體采用混凝土澆筑，窖體抗壓、抗拉強度依靠混凝土澆筑的厚度，一般情況下30 m3的水窖窖壁厚度要大于15 cm；防滲依靠在窖壁表面涂刷純水泥漿。根據(jù)對西部地區(qū)混凝土水窖使用情況普查，影響混凝土水窖破損的主要原因是窖壁滲漏和混凝土強度不夠。其缺陷主要表現(xiàn)在：①防滲處理主要依靠在窖壁表面涂刷純水泥漿。混凝土水窖成型蓄水后，水泥中的膠凝物會向水中逐漸析出，造成純水泥漿與混凝土窖壁分離，窖壁防滲效果降低，水從窖壁滲出后，窖壁后的黃土層遇水失陷，造成窖壁后空洞，窖壁失去穩(wěn)定被拉裂，使水窖漏水，報廢；②窖蓋厚度大于20 cm，重量大，移動難，窖體只能人工開挖，窖壁施工需要模板支護，導(dǎo)致水窖造價偏高；③由于混凝土強度限制，水窖容積受限。通過對甘肅省會寧縣實際普查，結(jié)果表明：3年內(nèi)，30 m3以上的水窖破損率為39.4%，且水窖容積越大破損率越高，因此當(dāng)前黃土高原地區(qū)水窖容積一般都在30 m3之內(nèi)。

1 設(shè)計思路與方法

1.1 設(shè)計思路

設(shè)計保留原水窖設(shè)計規(guī)范中水窖窖體的圓臺形狀和窖頂形狀，在窖體結(jié)構(gòu)中創(chuàng)新性的加入焊接鋼絲網(wǎng)和錳鋼鋼絲網(wǎng)，旨在增加窖體的抗拉強度，減少混凝土用量；設(shè)計穩(wěn)定的止水層，窖體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；設(shè)計注重機械施工，改變原來只能人工開挖的條件，達(dá)到降低水窖建造成本的目的。

1.2 材料與方法

(1)主要建筑材料選擇：混凝土選擇M10、C15、C20三種配合比的混凝土，鋼絲網(wǎng)選擇φ1.0 mm，網(wǎng)眼60 mm×60 mm的普通電焊鋼絲網(wǎng)；φ2.0 mm，網(wǎng)眼20 mm×20 mm的錳鋼鋼絲網(wǎng)。

(2)防水材料選擇：考慮到防水層的穩(wěn)定性、阻水效果以及與混凝土和鋼絲網(wǎng)的結(jié)合性，設(shè)計選擇用純水泥漿作為防水材料。

(3)混凝土強度測試：水窖窖體采用鋼絲網(wǎng)混凝土材料，與混凝土材料結(jié)構(gòu)相比，可增加窖體的強度?？蓪Σ煌炷敛牧系妮S心抗壓強度和軸心抗拉強度做水工測試。

(4)設(shè)計條件：我國西部黃土高原黃土層水窖開挖的地質(zhì)條件為地震烈度VIII級。

2 設(shè)計方案與施工工藝

2.1 設(shè)計方案

混凝土水窖是雨水收集的核心工程，現(xiàn)有的設(shè)計方案和施工工藝受到材料的限制，水窖的容積也受到限制。新材料的應(yīng)用，極大地改變了水窖的設(shè)計方案和施工工藝，降低了工程造價，延長了水窖使用壽命，增加了水窖容積。因此，設(shè)計之重點就落在了混凝土鋼絲網(wǎng)薄殼水窖的設(shè)計及施工工藝上。

窖體設(shè)計仍采用傳統(tǒng)的圓臺形[3]，容積為30～60 m3，邊坡比降0.05，窖壁采用M10水泥砂漿60 mm，中間防滲止水層采用水泥原漿，厚度5 mm。鋼絲網(wǎng)采用φ1.0 mm,網(wǎng)眼60 mm×60 mm的普通電焊鋼絲網(wǎng)，窖壁厚度65 mm。但在窖體防滲止水層上采用新的創(chuàng)新手段，即在鋼絲網(wǎng)的一面，采用水泥原漿，厚度5 mm。窖頂設(shè)計半球形，高徑比為1∶6，厚度200 mm，現(xiàn)澆C20混凝土，鋼絲網(wǎng)采用φ2.0 mm，網(wǎng)眼20 mm×20 mm的錳鋼鋼絲網(wǎng)。窖底設(shè)計半球形，現(xiàn)澆C15混凝土145 mm，中間防滲止水層采用水泥原漿，厚度5mm。鋼絲網(wǎng)采用φ1.0 mm，網(wǎng)眼60 mm×60 mm的普通電焊鋼絲網(wǎng)，窖底厚度150 mm。

2.2 施工工藝

混凝土窖蓋的施工工藝宜按照窖蓋的設(shè)計圖修建土質(zhì)模型，建好后再鋪設(shè)塑料膜，澆筑C20混凝土100 mm，再鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，同時，澆筑C20混凝土100 mm，在表面鋪設(shè)塑料膜養(yǎng)護。窖壁的施工工藝則應(yīng)分不同的窖體容積而定，例如，對于容積25 m3以下的窖體宜采用人工開挖，而對于25 m3以上的則宜采用挖掘機進行機械操作，同時，結(jié)合人工修邊。具體工序采用邊墻噴水，用木槌人工砸密實，砸實密度大于93%；用M10水泥砂漿抹面30 mm；加掛鋼絲網(wǎng)，用425號純水泥漿抹面5 mm；用M10水泥砂漿抹面30 mm；噴水養(yǎng)護24 h以上。施工要連續(xù)作業(yè)，則每道工序的間隔時間不得大于3 h。窖底的施工工藝也應(yīng)按照設(shè)計圖紙確定開挖空間，按照3:7灰土夯填200 mm，澆筑C15混凝土100 mm，鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，并與窖壁鋼絲網(wǎng)連接綁扎，用425號純水泥漿抹面5 mm，用M10水泥砂漿抹面45 mm，噴水養(yǎng)護24 h以上。

3 技術(shù)指標(biāo)分析

3.1 強度測試分析

通過水工測試， C20鋼絲網(wǎng)混凝土試件中采用普通電焊鋼絲網(wǎng)φ2.0 mm，網(wǎng)眼20 mm×20 mm的錳鋼鋼絲網(wǎng)，M10、C15鋼絲網(wǎng)混凝土試件中采用φ1.0 mm，網(wǎng)眼60 mm×60 mm的普通電焊鋼絲網(wǎng)。結(jié)果表明：不同混凝土材料的軸心抗壓強度變化不大，但軸心抗拉強度有較大的變化。M10、C15和C20的鋼絲網(wǎng)混凝土比混凝土的軸心抗拉強度分別提高了16.95倍、17.48倍、96.60倍。同時，與傳統(tǒng)混凝土鋼絲網(wǎng)混凝土的使用，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，極大地增強了水窖窖壁、窖蓋的抗拉、抗剪強度，窖體更薄，只有原設(shè)計的65%，混凝土澆筑量減少了32%。

3.2 工程量分析

使用鋼絲網(wǎng)薄殼水窖，完全可以破解當(dāng)前西部使用的水窖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、易破損等難題，同時，在水窖材料強度上也有大幅度提高，完全可以滿足設(shè)計更大蓄水量的水窖之需求。通過對比傳統(tǒng)混凝土和鋼絲網(wǎng)混凝土薄殼水窖兩種不同結(jié)構(gòu)形式水窖的工程量，通過30、40、60 m3等三種蓄水容積，計算結(jié)果表明：盡管兩種形式的水窖開挖土方量相同，但在混凝土用量方面，新設(shè)計比原設(shè)計減少混凝土用量32%，而且窖頂重量比原設(shè)計減輕20%，新設(shè)計容易增加吊掛點；同時，新設(shè)計增加了鋼絲網(wǎng)的用量，原設(shè)計有模板用量。窖頂重量只有原來的80%，而且使用鋼絲網(wǎng)后，窖頂著掛點多、強度大、容易吊裝。窖體的開挖采用機械開挖，人工修邊的方法，節(jié)省了施工費用。建窖成本比現(xiàn)有技術(shù)減少26%。

3.3 造價影響分析

以2017年10月在甘肅省會寧縣翟家所鄉(xiāng)張城堡村修建的30 m3水窖為例，進行材料和施工等單項指標(biāo)的工程量單價分析。計算結(jié)果表明：材料費較傳統(tǒng)混凝土設(shè)計降低4.6%，但新型混凝土鋼絲網(wǎng)薄殼水窖的設(shè)計卻比傳統(tǒng)水窖的建造費用要節(jié)省37.3%，剖其主要原因在于，傳統(tǒng)混凝土水窖設(shè)計只能采用人工開挖的施工方式，而新型水窖設(shè)計則可采用機械開挖、機械吊裝的機械化作業(yè)方式，而且隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，勞動力價格指數(shù)不斷上漲，人工開挖水窖將會成為歷史，機械化作業(yè)則是發(fā)展趨勢。

4 推廣應(yīng)用效果

會寧縣位于甘肅省中部，屬黃土高原丘陵區(qū)，水資源短缺，地下水礦化度高，流域內(nèi)無可利用地表水資源，利用水窖集雨為唯一可利用的飲用水水源。全縣總?cè)丝?8萬，有40萬人使用水窖[5]，水窖建設(shè)類型在我國西部地區(qū)有典型代表性。自2008年開始，在這里建立集雨飲用水安全保障示范區(qū)，研究和推廣一些先進的適用技術(shù)。在集雨水量安全保障的研究中，選擇該縣的翟家所鄉(xiāng)、會師鎮(zhèn)、柴家門鄉(xiāng)、新添堡鄉(xiāng)、老君坡鄉(xiāng)、太平店鎮(zhèn)等6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為主要研究對象，開展現(xiàn)狀調(diào)研，主要摸清了707戶家庭的集雨飲用水背景狀況，逐戶測量了集流面面積、水窖容積和水窖破損情況。調(diào)查表明：調(diào)查水窖共計2 106眼，正在使用的水窖為1 277眼，已破損不能蓄水的水窖為829眼，水窖破損率39.4%，其中水窖建成使用3年內(nèi)破損的有703眼，占到總破損85%，水窖容積為15～30 m3，容積越大破損率越高，究其破損的主要原因是傳統(tǒng)設(shè)計的水窖在止水、防止?jié)B漏環(huán)節(jié)存在重大技術(shù)缺陷，農(nóng)戶在水窖施工環(huán)節(jié)不容易完全控制施工工藝環(huán)節(jié)所致。

2015年3月，在會寧縣翟家所鄉(xiāng)張城堡村修建30、40、60 m3三種容積的新型混凝土鋼絲網(wǎng)薄殼水窖。截至2018年3月，水窖連續(xù)蓄水3年，每個水窖空窖、復(fù)蓄水4次，運轉(zhuǎn)良好，滿足推廣應(yīng)用的條件。通過推廣示范，新型混凝土鋼絲網(wǎng)薄殼水窖具有的優(yōu)點包括：造價低，水窖成本組成中材料費約占總成本的30%，工費成本約占總成本的70%。由于新技術(shù)采用機械化施工，減小了勞動強度，降低了水窖的建設(shè)成本；水窖所需材料通用，大多數(shù)縣以上及地區(qū)都可以采購到，方便購買；施工簡便，施工中不需要專業(yè)工具、模具等，也降低了建筑成本，一般泥瓦工匠都可以實施；防滲使用純水泥漿，設(shè)在窖壁中間，防滲效果比現(xiàn)有技術(shù)更穩(wěn)定、更好；考慮到在西部農(nóng)村實施，該項技術(shù)盡可能地將復(fù)雜的技術(shù)簡單化，不需要復(fù)雜的技術(shù)培訓(xùn)，做到了廣大農(nóng)戶“一看就會”，便于推廣。

5 結(jié) 語

我國西部地區(qū)正在開展的新農(nóng)村建設(shè)中，美麗鄉(xiāng)村、海綿村鎮(zhèn)等項目正在推進，其中水環(huán)境建設(shè)中的 蓄水建筑物將是重點。截至2017年12月底，甘肅省還有93萬人，21萬個家庭利用水窖收集雨水解決飲用水安全問題。水窖是關(guān)鍵性的蓄水設(shè)施，由于多種原因，農(nóng)戶正在使用的水窖破損嚴(yán)重，蓄水量減少，各用水戶的水量安全不能保障。在原有水窖設(shè)計基礎(chǔ)上發(fā)展起來的鋼絲網(wǎng)混凝土薄殼水窖解決了原設(shè)計的技術(shù)缺陷，有效地解決了水窖在窖壁的防滲、抗拉強度、機械化施工的技術(shù)難點，發(fā)展前景廣闊。

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