新型混凝土钢丝网薄壳水窖的设计及施工

郑 勇 ，唐小娟

(甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

0 引 言

水窖在我国西部无集中供水条件的地区被广泛使用，是用来收集和储存雨水的关键性建筑物，其主要建设材料为混凝土，目前正在使用的混凝土水窖有930万个[1]，主要用于饮用水之目的的人口约有300万人[2]。西部地区使用的混凝土水窖大部分依据《雨水集蓄利用工程技术规范》GB/T50596-2010[3]，水窖窖体采用混凝土浇筑，窖体抗压、抗拉强度依靠混凝土浇筑的厚度，一般情况下30 m3的水窖窖壁厚度要大于15 cm；防渗依靠在窖壁表面涂刷纯水泥浆。根据对西部地区混凝土水窖使用情况普查，影响混凝土水窖破损的主要原因是窖壁渗漏和混凝土强度不够。其缺陷主要表现在：①防渗处理主要依靠在窖壁表面涂刷纯水泥浆。混凝土水窖成型蓄水后，水泥中的胶凝物会向水中逐渐析出，造成纯水泥浆与混凝土窖壁分离，窖壁防渗效果降低，水从窖壁渗出后，窖壁后的黄土层遇水失陷，造成窖壁后空洞，窖壁失去稳定被拉裂，使水窖漏水，报废；②窖盖厚度大于20 cm，重量大，移动难，窖体只能人工开挖，窖壁施工需要模板支护，导致水窖造价偏高；③由于混凝土强度限制，水窖容积受限。通过对甘肃省会宁县实际普查，结果表明：3年内，30 m3以上的水窖破损率为39.4%，且水窖容积越大破损率越高，因此当前黄土高原地区水窖容积一般都在30 m3之内。

1 设计思路与方法

1.1 设计思路

设计保留原水窖设计规范中水窖窖体的圆台形状和窖顶形状，在窖体结构中创新性的加入焊接钢丝网和锰钢钢丝网，旨在增加窖体的抗拉强度，减少混凝土用量；设计稳定的止水层，窖体结构更加稳定；设计注重机械施工，改变原来只能人工开挖的条件，达到降低水窖建造成本的目的。

1.2 材料与方法

(1)主要建筑材料选择：混凝土选择M10、C15、C20三种配合比的混凝土，钢丝网选择φ1.0 mm，网眼60 mm×60 mm的普通电焊钢丝网；φ2.0 mm，网眼20 mm×20 mm的锰钢钢丝网。

(2)防水材料选择：考虑到防水层的稳定性、阻水效果以及与混凝土和钢丝网的结合性，设计选择用纯水泥浆作为防水材料。

(3)混凝土强度测试：水窖窖体采用钢丝网混凝土材料，与混凝土材料结构相比，可增加窖体的强度。可对不同混凝土材料的轴心抗压强度和轴心抗拉强度做水工测试。

(4)设计条件：我国西部黄土高原黄土层水窖开挖的地质条件为地震烈度VIII级。

2 设计方案与施工工艺

2.1 设计方案

混凝土水窖是雨水收集的核心工程，现有的设计方案和施工工艺受到材料的限制，水窖的容积也受到限制。新材料的应用，极大地改变了水窖的设计方案和施工工艺，降低了工程造价，延长了水窖使用寿命，增加了水窖容积。因此，设计之重点就落在了混凝土钢丝网薄壳水窖的设计及施工工艺上。

窖体设计仍采用传统的圆台形[3]，容积为30～60 m3，边坡比降0.05，窖壁采用M10水泥砂浆60 mm，中间防渗止水层采用水泥原浆，厚度5 mm。钢丝网采用φ1.0 mm,网眼60 mm×60 mm的普通电焊钢丝网，窖壁厚度65 mm。但在窖体防渗止水层上采用新的创新手段，即在钢丝网的一面，采用水泥原浆，厚度5 mm。窖顶设计半球形，高径比为1∶6，厚度200 mm，现浇C20混凝土，钢丝网采用φ2.0 mm，网眼20 mm×20 mm的锰钢钢丝网。窖底设计半球形，现浇C15混凝土145 mm，中间防渗止水层采用水泥原浆，厚度5mm。钢丝网采用φ1.0 mm，网眼60 mm×60 mm的普通电焊钢丝网，窖底厚度150 mm。

2.2 施工工艺

混凝土窖盖的施工工艺宜按照窖盖的设计图修建土质模型，建好后再铺设塑料膜，浇筑C20混凝土100 mm，再铺设钢丝网，同时，浇筑C20混凝土100 mm，在表面铺设塑料膜养护。窖壁的施工工艺则应分不同的窖体容积而定，例如，对于容积25 m3以下的窖体宜采用人工开挖，而对于25 m3以上的则宜采用挖掘机进行机械操作，同时，结合人工修边。具体工序采用边墙喷水，用木槌人工砸密实，砸实密度大于93%；用M10水泥砂浆抹面30 mm；加挂钢丝网，用425号纯水泥浆抹面5 mm；用M10水泥砂浆抹面30 mm；喷水养护24 h以上。施工要连续作业，则每道工序的间隔时间不得大于3 h。窖底的施工工艺也应按照设计图纸确定开挖空间，按照3:7灰土夯填200 mm，浇筑C15混凝土100 mm，铺设钢丝网，并与窖壁钢丝网连接绑扎，用425号纯水泥浆抹面5 mm，用M10水泥砂浆抹面45 mm，喷水养护24 h以上。

3 技术指标分析

3.1 强度测试分析

通过水工测试， C20钢丝网混凝土试件中采用普通电焊钢丝网φ2.0 mm，网眼20 mm×20 mm的锰钢钢丝网，M10、C15钢丝网混凝土试件中采用φ1.0 mm，网眼60 mm×60 mm的普通电焊钢丝网。结果表明：不同混凝土材料的轴心抗压强度变化不大，但轴心抗拉强度有较大的变化。M10、C15和C20的钢丝网混凝土比混凝土的轴心抗拉强度分别提高了16.95倍、17.48倍、96.60倍。同时，与传统混凝土钢丝网混凝土的使用，与现有技术相比较，极大地增强了水窖窖壁、窖盖的抗拉、抗剪强度，窖体更薄，只有原设计的65%，混凝土浇筑量减少了32%。

3.2 工程量分析

使用钢丝网薄壳水窖，完全可以破解当前西部使用的水窖结构不稳定、易破损等难题，同时，在水窖材料强度上也有大幅度提高，完全可以满足设计更大蓄水量的水窖之需求。通过对比传统混凝土和钢丝网混凝土薄壳水窖两种不同结构形式水窖的工程量，通过30、40、60 m3等三种蓄水容积，计算结果表明：尽管两种形式的水窖开挖土方量相同，但在混凝土用量方面，新设计比原设计减少混凝土用量32%，而且窖顶重量比原设计减轻20%，新设计容易增加吊挂点；同时，新设计增加了钢丝网的用量，原设计有模板用量。窖顶重量只有原来的80%，而且使用钢丝网后，窖顶着挂点多、强度大、容易吊装。窖体的开挖采用机械开挖，人工修边的方法，节省了施工费用。建窖成本比现有技术减少26%。

3.3 造价影响分析

以2017年10月在甘肃省会宁县翟家所乡张城堡村修建的30 m3水窖为例，进行材料和施工等单项指标的工程量单价分析。计算结果表明：材料费较传统混凝土设计降低4.6%，但新型混凝土钢丝网薄壳水窖的设计却比传统水窖的建造费用要节省37.3%，剖其主要原因在于，传统混凝土水窖设计只能采用人工开挖的施工方式，而新型水窖设计则可采用机械开挖、机械吊装的机械化作业方式，而且随着社会经济不断发展，劳动力价格指数不断上涨，人工开挖水窖将会成为历史，机械化作业则是发展趋势。

4 推广应用效果

会宁县位于甘肃省中部，属黄土高原丘陵区，水资源短缺，地下水矿化度高，流域内无可利用地表水资源，利用水窖集雨为唯一可利用的饮用水水源。全县总人口58万，有40万人使用水窖[5]，水窖建设类型在我国西部地区有典型代表性。自2008年开始，在这里建立集雨饮用水安全保障示范区，研究和推广一些先进的适用技术。在集雨水量安全保障的研究中，选择该县的翟家所乡、会师镇、柴家门乡、新添堡乡、老君坡乡、太平店镇等6个乡镇为主要研究对象，开展现状调研，主要摸清了707户家庭的集雨饮用水背景状况，逐户测量了集流面面积、水窖容积和水窖破损情况。调查表明：调查水窖共计2 106眼，正在使用的水窖为1 277眼，已破损不能蓄水的水窖为829眼，水窖破损率39.4%，其中水窖建成使用3年内破损的有703眼，占到总破损85%，水窖容积为15～30 m3，容积越大破损率越高，究其破损的主要原因是传统设计的水窖在止水、防止渗漏环节存在重大技术缺陷，农户在水窖施工环节不容易完全控制施工工艺环节所致。

2015年3月，在会宁县翟家所乡张城堡村修建30、40、60 m3三种容积的新型混凝土钢丝网薄壳水窖。截至2018年3月，水窖连续蓄水3年，每个水窖空窖、复蓄水4次，运转良好，满足推广应用的条件。通过推广示范，新型混凝土钢丝网薄壳水窖具有的优点包括：造价低，水窖成本组成中材料费约占总成本的30%，工费成本约占总成本的70%。由于新技术采用机械化施工，减小了劳动强度，降低了水窖的建设成本；水窖所需材料通用，大多数县以上及地区都可以采购到，方便购买；施工简便，施工中不需要专业工具、模具等，也降低了建筑成本，一般泥瓦工匠都可以实施；防渗使用纯水泥浆，设在窖壁中间，防渗效果比现有技术更稳定、更好；考虑到在西部农村实施，该项技术尽可能地将复杂的技术简单化，不需要复杂的技术培训，做到了广大农户“一看就会”，便于推广。

5 结 语

我国西部地区正在开展的新农村建设中，美丽乡村、海绵村镇等项目正在推进，其中水环境建设中的 蓄水建筑物将是重点。截至2017年12月底，甘肃省还有93万人，21万个家庭利用水窖收集雨水解决饮用水安全问题。水窖是关键性的蓄水设施，由于多种原因，农户正在使用的水窖破损严重，蓄水量减少，各用水户的水量安全不能保障。在原有水窖设计基础上发展起来的钢丝网混凝土薄壳水窖解决了原设计的技术缺陷，有效地解决了水窖在窖壁的防渗、抗拉强度、机械化施工的技术难点，发展前景广阔。

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