水位自記臺裝配化設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

李永波，金忠良，朱信澤

（1.建華建材（中國）有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局，江蘇 鹽城 224000）

1 概 述

為觀測水位數(shù)據(jù)，常需要在河流、渠道、湖泊、水庫上或流域內(nèi)設(shè)立水位觀測設(shè)施。與超聲波式、雷達(dá)式水位計(jì)相比，水位自記臺由于價格較低、性能穩(wěn)定、使用年限長等優(yōu)點(diǎn)，在水位觀測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。水位自記臺主體結(jié)構(gòu)部分包括測井、連通管、棧橋、儀器房及附屬設(shè)施等，根據(jù)測井與岸坡的布置形式，可分為島式、岸式和島岸結(jié)合式3類。

傳統(tǒng)水位自記臺多采用現(xiàn)澆方式，施工方法主要為修建施工圍堰、開挖連通管溝槽（包括排水）、鋪設(shè)管道、回填及斷面護(hù)坡修復(fù)、儀器房建設(shè)等，島式和島岸結(jié)合式還建有棧橋［1］。傳統(tǒng)施工方式中，修建圍堰需要大量工期，整體施工工序多、工程量大、工期長、造價高，存在一定局限性。本文基于水文行業(yè)對水位自記臺建設(shè)配備的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的需求，探索水位自記臺的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化建造和裝配化施工。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

裝配式水位自記臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理是等同原理，即通過采用可靠的連接技術(shù)和必要的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造措施，使其與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的效能基本等同。區(qū)別于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，裝配式結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件在工廠預(yù)制，其在設(shè)計(jì)階段需考慮預(yù)制構(gòu)件脫模、吊裝、連接節(jié)點(diǎn)、拆分、預(yù)埋件等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，還需考慮水位自記臺專業(yè)特點(diǎn)的專項(xiàng)設(shè)計(jì)等。

2.1 脫模、吊裝設(shè)計(jì)

預(yù)制構(gòu)件脫模設(shè)計(jì)包括脫模強(qiáng)度確定、脫模吊點(diǎn)設(shè)計(jì)、在脫模荷載作用下構(gòu)件承載力驗(yàn)算。脫模強(qiáng)度與構(gòu)件重量和吊點(diǎn)布置有關(guān)，脫模時構(gòu)件和吊具所承受的荷載包括模具對混凝土構(gòu)件的吸附力及構(gòu)件在動力作用下的自重，脫模吊點(diǎn)主要布置情況與吊運(yùn)安裝時的吊點(diǎn)為同一吊點(diǎn)，借用桁架筋、架立筋，專設(shè)脫模吊點(diǎn)，脫模吊點(diǎn)設(shè)計(jì)包括吊點(diǎn)布置、吊點(diǎn)構(gòu)造、承載力驗(yàn)算。

預(yù)制構(gòu)件吊裝設(shè)計(jì)主要是考慮在翻轉(zhuǎn)、吊運(yùn)和安裝工作狀態(tài)下需設(shè)置吊點(diǎn)，與構(gòu)件的制作方式、運(yùn)輸方式、安裝方式等密切相關(guān)。構(gòu)件翻轉(zhuǎn)作業(yè)方式包括捆綁軟帶式和預(yù)埋吊點(diǎn)式，吊運(yùn)吊點(diǎn)一般可與脫模吊點(diǎn)、翻轉(zhuǎn)吊點(diǎn)或安裝吊點(diǎn)共用。構(gòu)件吊運(yùn)狀態(tài)的荷載動力系數(shù)需進(jìn)行分析，安裝吊點(diǎn)是構(gòu)件安裝時使用的吊點(diǎn)，構(gòu)件的空間狀態(tài)應(yīng)與正常使用時保持一致。

2.2 連接設(shè)計(jì)

預(yù)制構(gòu)件的連接設(shè)計(jì)是保障結(jié)構(gòu)安全的基本環(huán)節(jié)，主要的連接方式及設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括以下幾個方面。

（1）套筒灌漿連接，設(shè)計(jì)時應(yīng)選擇可靠的灌漿套筒和灌漿料，且產(chǎn)品應(yīng)匹配。

（2）漿錨搭接連接，要保證搭接部分螺旋鋼筋的保護(hù)層厚度。

（3）后澆混凝土連接，預(yù)制構(gòu)件和后澆部位的連接部位應(yīng)設(shè)置粗糙面和鍵槽構(gòu)造。

（4）螺栓連接，根據(jù)節(jié)點(diǎn)鉸接或剛接的不同要求，螺栓的布置方式也有所不同。

（5）焊接連接，需確定現(xiàn)場施工是否具有施焊條件，在裝配式主體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少。

2.3 拆分設(shè)計(jì)

預(yù)制構(gòu)件的拆分設(shè)計(jì)是核心環(huán)節(jié)，需考慮多方面因素。

（1）結(jié)構(gòu)的合理性。拆分的部位要能夠等效傳遞設(shè)計(jì)內(nèi)力，構(gòu)件接縫宜選在應(yīng)力小的部位，應(yīng)盡量避開應(yīng)力集中部位和結(jié)構(gòu)受力較大的部位。

（2）生產(chǎn)的便捷性。應(yīng)盡可能統(tǒng)一和減少構(gòu)件規(guī)格預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的要求，最終達(dá)到“少規(guī)格、多組合”的目的?！吧僖?guī)格”是指減少預(yù)制構(gòu)件的模具種類，降低模具成本也就是降低工程項(xiàng)目的成本，減少預(yù)制構(gòu)件的尺寸及規(guī)格，同時能簡化現(xiàn)場安裝的復(fù)雜程度，加快安裝施工進(jìn)度?！岸嘟M合”是指根據(jù)項(xiàng)目、結(jié)構(gòu)、安裝運(yùn)輸?shù)确矫娴木C合考慮，化整為零，以多個標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，通過不同組合形式達(dá)到預(yù)制構(gòu)件拼裝成結(jié)構(gòu)整體的目的［2］。

（3）制作、運(yùn)輸、吊裝環(huán)節(jié)的可行性和便利性。需考慮工廠起重機(jī)能力，模臺或生產(chǎn)線尺寸，運(yùn)輸限高、限寬、限重約束，道路路況限制及施工現(xiàn)場的環(huán)境，吊裝機(jī)械設(shè)備能力，施工現(xiàn)場作業(yè)空間限制等。合理的拆分還需使得構(gòu)件的外形尺寸、表觀質(zhì)量、脫模及養(yǎng)護(hù)等各方面均能達(dá)到要求，以保證構(gòu)件的生產(chǎn)制作具有足夠的可控度。

（4）預(yù)制構(gòu)件配筋構(gòu)造的要求。為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能需求，以及保證生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的順利進(jìn)行，預(yù)制構(gòu)件內(nèi)常會埋設(shè)部分管線、構(gòu)造鋼筋、埋配件等，拆分設(shè)計(jì)時必須考慮這類材料的合理安裝。

（5）連接和安裝施工的要求。合理的拆分方案應(yīng)在能滿足結(jié)構(gòu)功能的同時，也能方便施工，簡化現(xiàn)場的施工難度。

（6）分類化和典型化。裝配式水位自記臺的拆分不能脫離當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件和生產(chǎn)需求，要分門別類并做好典型化設(shè)計(jì)。

2.4 預(yù)埋件設(shè)計(jì)

預(yù)制構(gòu)件的預(yù)埋件是指在結(jié)構(gòu)澆筑時預(yù)先安置的構(gòu)配件，根據(jù)功能主要包括工程運(yùn)行階段用的預(yù)埋件和制作安裝階段用的預(yù)埋件。裝配式水位自記臺常用的預(yù)埋件類型有預(yù)埋鋼板、附帶螺栓的預(yù)埋鋼板、預(yù)埋螺栓、內(nèi)埋式金屬螺母、內(nèi)埋式塑料螺母等。預(yù)埋件安裝的技術(shù)要求主要包括以下幾個方面。

（1）預(yù)埋件應(yīng)在主體結(jié)構(gòu)澆搗混凝土?xí)r按照設(shè)計(jì)要求的位置、規(guī)格埋設(shè)。預(yù)埋件在安裝時，各軸之間放線應(yīng)從兩軸中間向兩邊測量放線，避免累積誤差。

（2）連接部位的主體結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C20。

（3）預(yù)埋件的錨筋應(yīng)置于混凝土構(gòu)件最外排主筋的內(nèi)側(cè)。為防止預(yù)埋件在混凝土澆搗過程中產(chǎn)生位移，應(yīng)將預(yù)埋件與鋼筋或模板連接固定。在混凝土澆搗過程中，若有偏差應(yīng)及時糾正。梁板頂面的埋件，一般與混凝土澆搗同步進(jìn)行，隨搗隨埋，預(yù)埋板下面的混凝土應(yīng)注意澆搗密實(shí)。

（4）在已埋入混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的預(yù)埋件錨板面上施焊時，應(yīng)避免高溫灼傷混凝土等。

2.5 專項(xiàng)設(shè)計(jì)

裝配式水位自記臺主體部分的設(shè)計(jì)計(jì)算可參考現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，測井和連通管屬于水位自記臺的代表類構(gòu)筑物，應(yīng)著重關(guān)注其專項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

測井部分的設(shè)計(jì)計(jì)算可參考《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》，進(jìn)行測井下沉、下沉穩(wěn)定性、抗浮驗(yàn)算、傾覆滑移驗(yàn)算以及封底混凝土的相關(guān)驗(yàn)算等。測井的平面形式可為矩形或圓形，矩形測井的長寬比不宜大于2，以滿足測井空間剛度和下沉穩(wěn)定控制的需要，測井的高寬比不宜大于2.5。預(yù)制測井采用分段制作的方式，每個節(jié)段高度宜為4～6 m，每節(jié)井壁上端的環(huán)向和徑向鋼筋均應(yīng)增強(qiáng)。

連通管部分的設(shè)計(jì)計(jì)算可參考《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算內(nèi)容包括管道強(qiáng)度驗(yàn)算、抗浮驗(yàn)算、柔性管道環(huán)向穩(wěn)定性驗(yàn)算、敷設(shè)方向改變處的抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算以及正常使用狀態(tài)下的變形和裂縫等［3］。預(yù)制管截面可為圓形和矩形，圓形管道接口宜采用柔性連接，矩形管道應(yīng)沿線設(shè)置貫通全截面的變形縫，縫距不宜超過25 m，縫處應(yīng)設(shè)置止水帶、密封材料等防水措施。管道材質(zhì)宜為鋼管、玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管或鋼筋混凝土管，混凝土強(qiáng)度等級不宜低于C50，抗?jié)B等級不應(yīng)低于S8。

3 施工安裝要點(diǎn)

裝配式水位自記臺的施工難點(diǎn)主要在于測井和連通管的施工安裝。

3.1 測井施工

預(yù)制測井施工采用多次下沉方案，其主要施工工序?yàn)榛娱_挖，鋪設(shè)墊層和承墊木，墊木布置樣式根據(jù)測井形狀確定（圖1）。將首節(jié)測井吊入指定位置，抽取承墊木，挖土下沉（繼續(xù)將第二節(jié)測井吊入指定位置后，再挖土下沉，保證測井吊入與挖土下沉交替進(jìn)行），下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，封底回填。當(dāng)測井井筒不高且土質(zhì)承載力允許時，可吊裝多節(jié)井筒后，一次挖土下沉。

圖1 測井定位墊木布置示意

（1）測井施工前，首先應(yīng)對測井設(shè)計(jì)位置處的岸坡進(jìn)行削坡平整，在此基礎(chǔ)上依次設(shè)置地基墊層和測井墊層。地基墊層宜采用顆粒級配良好的中砂、粗砂或最大粒徑不超過40 mm 的砂礫石，測井墊層宜采用素混凝土墊層或墊木墊層。

（2）在利用測井自重下沉?xí)r，應(yīng)先進(jìn)行破墊，破墊前應(yīng)做好預(yù)留支撐點(diǎn)分布位置的安排工作，防止測井在破墊過程中發(fā)生傾斜。破墊應(yīng)按照先隔墻、后井壁、定位支撐點(diǎn)最后破除的原則，分段、對稱、均勻、同步向軸線方向進(jìn)行。破除混凝土墊層或抽出墊木后，空隙處應(yīng)及時用砂或砂卵石回填、搗實(shí)。

（3）測井的下沉方法視測井所穿過的土層和水位地質(zhì)條件而定。當(dāng)測井下沉所穿過的土層較穩(wěn)定、滲水量不大、砂卵石地層或需在巖石中下沉的測井，宜采用旱地挖土下沉法施工。當(dāng)測井下沉所穿過的土層為液化土層、滲透系數(shù)大的砂層時，或大量抽地下水會影響附近建筑物以及環(huán)境保護(hù)等級要求高的區(qū)域時，宜采用水下挖土下沉法施工。

（4）在挖土下沉過程中，應(yīng)遵循先中央后四周、均勻?qū)ΨQ的原則，防止測井下沉過程中出現(xiàn)傾斜。下沉?xí)r控制測井的下沉速率，保證測井穩(wěn)定下沉，首節(jié)測井頂距地面（或水面）約1 m高時停止挖土和下沉，進(jìn)行第二節(jié)及以上井筒的施工（即接高）。測井終沉后，刃腳踏面的平均標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高的偏差不應(yīng)超過《水電水利工程沉井施工技術(shù)規(guī)程》［4］規(guī)定的偏差范圍。

（5）測井下沉就位后，經(jīng)2～3 d 下沉穩(wěn)定后，8 h內(nèi)累積沉降量不超過10 mm 時即可進(jìn)行封底。封底方式根據(jù)測井下沉方式確定，旱地挖土下沉宜采用旱地封底，水下挖土下沉宜采用水下封底。封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行井身回填。

3.2 連通管施工

水位自記臺連通管的施工方法多采用頂管技術(shù)，是指借助頂推裝置，將管道在地下逐節(jié)頂進(jìn)的非開挖施工技術(shù)。

（1）應(yīng)根據(jù)管道穿越土層的物理力學(xué)特性，有無地下水，是否存在有毒氣體，地下障礙物情況和需要保護(hù)的建筑物等因素，選用不同類型的頂管機(jī)。地下水位以上的可采用敞開類頂管機(jī)，地下水位以下的應(yīng)采用具有平衡功能類型的頂管機(jī)。

（2）當(dāng)估算總頂力大于管節(jié)或工作坑后背墻允許頂力設(shè)計(jì)值時，應(yīng)設(shè)置中繼間。中繼間結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足剛度、安裝方便和水密性良好的要求，中繼間的外殼應(yīng)具有良好的密封性和耐磨性，能避免漿液、地下水、砂石等進(jìn)入殼體。

（3）柔性連接的管材接口密封圈宜涂抹潤滑劑，在頂入管線為混凝土企口管時，宜在管節(jié)之間安裝鋼套環(huán)。

（4）初始頂進(jìn)階段。應(yīng)低速度頂進(jìn)，宜加密監(jiān)測次數(shù)，當(dāng)頂管機(jī)或工具管超過允許偏差時，及時采取糾偏措施。頂管機(jī)進(jìn)入洞口后，止水圈與頂管機(jī)的間隙均勻、密封良好，應(yīng)及時將洞口密封與首節(jié)管外壁貼緊，防止泥水與注漿漿液從洞口泄露。在軟土等復(fù)雜地層初始頂進(jìn)時，頂管機(jī)與管節(jié)連接宜采用剛性連接，初始頂進(jìn)結(jié)束后，應(yīng)拆除剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接。

（5）正常頂進(jìn)階段。應(yīng)根據(jù)初始頂進(jìn)確定的工作內(nèi)容與參數(shù)施工，泥水平衡頂進(jìn)應(yīng)控制泥水倉壓力、主頂油缸的頂速、輸送泥漿的性能、排土量的變化等。土壓平衡頂管的開挖控制應(yīng)以泥土倉壓力、主頂油缸的頂速和塑流性改良控制為主，輔以排土量控制。

（6）到達(dá)頂進(jìn)階段。對接收坑的洞口土體宜提前進(jìn)行加固，頂管機(jī)到達(dá)頂進(jìn)前應(yīng)確認(rèn)頂管機(jī)姿態(tài)，制定線形控制方案，安裝好接收坑洞口止水裝置等。接近接收坑洞口時，宜緩慢連續(xù)頂進(jìn)作業(yè)；進(jìn)入接收坑洞口后，應(yīng)及時破碎接收坑洞口填充物，調(diào)節(jié)止水裝置，啟動排水系統(tǒng)，直至將頂管機(jī)完全頂?shù)浇邮湛觾?nèi)；到達(dá)預(yù)定位置后，應(yīng)及時封堵洞口與管節(jié)的縫隙，同時進(jìn)行填充注漿，控制洞口周圍土體沉降。

4 結(jié) 語

本文基于裝配式理念，結(jié)合水位自記臺的特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)功能、受力特點(diǎn)、連接處理和施工階段等方面提出了裝配式水位自記臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及施工安裝要點(diǎn)，主要包括以下幾方面：

（1）以脫模吊裝設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)、構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)和預(yù)埋件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的通用設(shè)計(jì)內(nèi)容。

（2）以測井和連通管為代表的專項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

（3）以測井施工及頂管施工為代表的專項(xiàng)施工技術(shù)內(nèi)容。

本文提出的技術(shù)內(nèi)容，滿足裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，符合水位自記臺的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，對于裝配式水位自記臺的推廣與應(yīng)用具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。