混凝土U形渠在北方地區(qū)的應用

張素仁

(忻州市水利勘測設計院，山西 忻州034000)

0 前 言

隨著中央對農(nóng)村水利建設的重視，由中央牽頭、地方配套逐步對全國大中型灌區(qū)進行了續(xù)建配套節(jié)水改造。經(jīng)過20 多年的渠系續(xù)建節(jié)水改造，到目前為止，大中型灌區(qū)干渠、支渠已基本建設完畢，現(xiàn)階段灌區(qū)末級渠系建設已全面展開，在已建設的渠道防滲結(jié)構(gòu)形式中，混凝土U 形渠道以造價低、進度快、過流能力大、沿程水頭損失小、防滲效果好等特點被迅速推廣應用。在我國北方地區(qū)由于冬季氣溫較低，在U 形渠出現(xiàn)初期使用較少，但是隨著U 形渠工藝、技術的不斷改進，經(jīng)過大量實踐后也迅速的被廣泛使用［1］。

1 混凝土U 形渠結(jié)構(gòu)形式和性能

U 形渠斷面渠道采用底部為半圓或弧形，上部為一定傾角直線段的斷面形式，斷面符合水流的自然特性，近似最佳水利斷面，與常見的梯形斷面渠道相比，具有流速分布均勻，近似最佳水利斷面，流速較快，且渠底有一定的反拱作用，整體性好，能適應寒冷地區(qū)地基不均勻凍脹變位，可以減輕凍害，減少裂縫和錯臺現(xiàn)象。下面通過試驗數(shù)據(jù)對比，可明顯的看出，混凝土U 形渠在防滲方面的優(yōu)勢［2］。

山西省翼城縣利民灌區(qū)，采用靜水法對各種防滲渠道測試的結(jié)果見表1，1984年用靜水法對山西省祁縣曉義井片灌區(qū)各種不同形式渠道測試結(jié)果見表2。

2 混凝土U 形渠主要適用范圍

由于U 型渠通常埋深都比較淺，一般在凍土深度以上，在北方冬季必然產(chǎn)生凍脹壓力，混凝土U 型渠為素混凝土，經(jīng)過幾年凍融變化后，局部會產(chǎn)生拉應力和剪力，根據(jù)混凝土的屬性，它的抗拉、抗剪較弱，斷面大的相應凍脹力、拉應力越大，越宜破壞，且大斷面U 型渠的施工很難控制工程質(zhì)量，所以北方地區(qū)適用于小斷面U 形渠。

經(jīng)過多年實踐，一般U 形渠半徑≤1.1 m，以半徑r 為30 ～60 cm為最佳，混凝土厚度在4 ～10 cm。U 形渠半徑r 超過60 cm，采取平底U 形斷面或加大寬度U 形斷面，相對效果要好，但開口寬度≤3 m為宜。

表1 靜水法測試利民灌區(qū)各種防滲渠道的滲漏強度

表2 靜水法對曉義井片灌區(qū)各種不同形式渠道測試結(jié)果

3 北方地區(qū)混凝土U 形渠常見的問題

通過對運行多年的U 形渠觀測，發(fā)現(xiàn)的U 形渠常出現(xiàn)問題的主要集中為:

1)U 型渠多出現(xiàn)底部裂縫，在冬季時明顯看到渠兩邊向中間彎曲，第二年春天又恢復原狀。

2)渠道多在圓弧與直線交界處斷裂。

3)渠道底部表面出現(xiàn)麻面，表層破壞。

4)預制U 形塊砂漿脫落，整塊脫離渠道。

4 針對北方地區(qū)U 形渠道問題的設計要點

4.1 防止U 型渠底部裂縫的設計

據(jù)《山西省U 形渠道防滲技術應用與發(fā)展》一文中介紹，U 形渠道裂縫的產(chǎn)生是必然的，留與不留伸縮縫的U 形渠道，都要產(chǎn)生橫向裂縫，產(chǎn)生橫向裂縫的原因除溫度應力的作用外，還有可能與土壤失水后含水量減少產(chǎn)生干縮造成。既然裂縫不可避免，設計中就應該在容易出現(xiàn)裂縫的增加伸縮縫的布置，必要時可在橫縫的基礎上加設縱縫。U 形渠應2～4 m設置一道伸縮縫，縫內(nèi)填瀝青砂漿，在宜裂縫地段伸縮縫可為1 m一道，但最小≥0.5 m。除了增設伸縮縫根據(jù)不同情況還應對U 形渠道進行加固設計。

4.2 防止渠道多在圓弧與直線交界處斷裂的設計要點

對于圓弧與直線段交界處得斷裂主要是直線段承受壓力太大造成的，設計時應采用寬淺式渠道，加大圓弧半徑，過流能力不變的情況下縮短直線段距離，達到減小直線段的土壓力和凍脹壓力。另一種方法就是加大直線段的傾角，降低荷載水平壓力。

4.3 防止渠道底部表層破壞的設計要點

渠道底部表層破壞如不考慮施工質(zhì)量問題，從設計方面分析主要原因①縱坡過陡，水流沖刷造成渠底破壞，②縱坡過緩，余水排不出去，經(jīng)過長期侵蝕、凍融發(fā)生底部表層破壞，這種情況在北方為主要原因。

第一種情況設計方案主要是調(diào)緩縱坡，增設跌水，使水流平順，不沖不淤;第二種情況，由于地形限制無法調(diào)整的，需增設退水口，將渠道低處積水排出［3］。

4.4 防止預制U 形塊砂漿脫落的設計要點

預制塊砂漿脫落主要是砂漿標號不夠，或冬季施工未采取保護措施，設計中應提高砂漿標號，冬季施工需采取保溫措施，砂漿拌合中添加速凝劑，抗凍劑。

4.5 U 形渠道的加固設計

在土質(zhì)比較差的北方地區(qū)要對U 形渠道進行加固設計，主要方法有鋪設墊層、加設肋梁、鋪設土工布等措施。

學校培養(yǎng)的人才要能服務于社會，與企業(yè)崗位需求接軌。由于校內(nèi)的專任教師大部分都缺乏實戰(zhàn)經(jīng)驗，對于課程的教學是非常不利的。因此我們組織教師下到合作企業(yè)進行頂崗實習，提高實戰(zhàn)能力；指導學生參與企業(yè)真實項目的部分實訓，感受企業(yè)崗位能力的要求；企業(yè)導師參與指導學生的創(chuàng)業(yè)項目執(zhí)行，提高學生的學習興趣，增強自信心，有效的實現(xiàn)理論和實踐的對接。

鋪設墊層是對地基的加固，增加地基承載力，防止地基不均勻沉降破壞;加設肋梁是加強U 形渠自身強度;鋪設土工布，加強防滲，防止冬季發(fā)生滲透凍脹破壞。

圖1 為U 形渠加設肋拱渠道斷面圖，圖2 為U形渠加設墊層斷面圖。

圖1 U 形渠加肋梁橫斷面、側(cè)視圖

圖2 U 形渠加墊層橫斷面

5 北方地區(qū)建議采用預制U 形渠道

根據(jù)已建成的U 形渠道，經(jīng)過對比就會發(fā)現(xiàn)在北方地區(qū)，預制U 形渠道的使用壽命要比現(xiàn)澆的長。經(jīng)分析，預制安裝的U 形預制塊質(zhì)量有保障，現(xiàn)澆混凝土在施工中常出現(xiàn)下列問題:

1)現(xiàn)澆U 形渠道是依靠土模來完成的，土模本身穩(wěn)定性差，再加上施工干擾，很容易變形，導致混凝土壁薄厚不均勻。

2)現(xiàn)澆混凝土不易振搗，骨料混合不均勻，經(jīng)常出現(xiàn)石子下沉到底部，嚴重影響U 形渠的剛度。

3)現(xiàn)澆混凝土由于施工進度快，容易造成混凝土未完全凝固局部脫落現(xiàn)象。

預制U 形渠，還有不受工作面限制的特點，可以多段施工，預制塊加工簡單，可批量生產(chǎn)，可加快施工進度。

6 混凝土U 形渠在北方地區(qū)需注意的施工要點

現(xiàn)澆混凝土U 形渠施工主要由土模開挖、混凝土襯砌、割縫組成，預制混凝土U 形渠由土模開挖，預制塊砌筑。

6.1 U 型渠的土模施工

U 型渠的土模施工是渠道質(zhì)量控制的關鍵，土模的施工為先把施工面整平，回填到襯砌高程，然后夯實達到規(guī)范強度，再進行開挖、修面最終形成U 形土模。施工企業(yè)為了節(jié)約成本，常用施工工序為先挖成U 形土模，后用U 型鐵模防護，然后進行渠道兩邊夯實。這種工序減少了土方回填和U 形渠范圍內(nèi)夯實，顯然會造成U 形渠底部和兩側(cè)壓實度不足，是應該嚴禁使用的。

6.2 U 型渠混凝土襯砌

U 型渠襯砌通常采用渠道U 形機，這種機械的特點是自動行走、自動下料、自動振搗、收邊壓頂一次完成。

這個工序中混凝土的配比和振搗很重要，如果混凝土配合比掌握不好，水分太大，容易離析，石子下沉，水分小又不易黏合。

振搗同樣很難控制，U 型渠一般在6 ～8 cm左右，一般的振搗棒根本無法使用，使用離心激振器也很難控制骨料均勻拌合。

混凝土U 形渠使用U 形機襯砌，要控制前進速度，一定要等混凝土塑性達到規(guī)范指標，才能襯砌下段。

6.3 混凝土U 形渠預制塊砌筑

預制塊砌筑關鍵是鋪設砂漿，施工工序為先鋪設砂漿，后安裝預制塊，砂漿抹面后再安裝下一預制塊。

施工企業(yè)經(jīng)常為了省工省料，先把預制塊全部擺放好，再填縫、抹面，這種工序很容易造成縫內(nèi)砂漿不飽滿，造成砂漿結(jié)合不緊密，經(jīng)輸水沖刷，表面砂漿脫落。

7 結(jié) 語

混凝土U 形渠防滲技術可靠，節(jié)水效果好，應用范圍廣，同漿砌石梯形斷面防滲渠道相比可節(jié)省投資20% ～60%左右，可節(jié)省土地20% ～30%左右，渠系水利用系數(shù)較土渠可提高45%左右，經(jīng)濟效益顯著。隨著北方地區(qū)各大中型灌區(qū)末級渠系節(jié)水改造工程的實施，混凝土U 形渠以其獨特的優(yōu)勢，極具推廣前景。

［1］蘆琴. 混凝土襯砌渠道抗凍脹技術措施綜述［J］. 科技創(chuàng)新導報，2012(08):108，110.

［2］王恒，趙力. 嚴寒地區(qū)灌溉渠道防滲抗凍脹技術研究［J］.中國水運:下半月，2012(06):194 －195.

［3］徐杰. 新疆地區(qū)渠道襯砌混疑土抗凍脹設計［J］. 陜西水利，2012(02):99 －101.