山區(qū)小型渠道優(yōu)化設計與施工要領

□張旭（新鄉(xiāng)市水利勘測設計院）

山區(qū)小型渠道優(yōu)化設計與施工要領

□張旭（新鄉(xiāng)市水利勘測設計院）

山區(qū)小型渠道規(guī)模小，結構簡單，構造細節(jié)易于忽視，質(zhì)量隱患多發(fā)。通過對矩形渠槽適用條件分析，提出混凝土整體式矩形渠槽僅適用于地面渠道、渠深1m以下、內(nèi)外荷載不大、墻背沒有動荷載的情況。渠深1m以上、環(huán)境條件相對復雜的渠道不適宜采用素混凝土整體式矩形渠槽結構。對整體式渠槽結構布置、變形縫構造及施工常見技術問題進行分析優(yōu)化，為灌區(qū)節(jié)水改造設計、施工提供參考。

小型渠道；設計施工；結構；構造

0 前言

山區(qū)小型渠道控制面積分散，比降大斷面小，標準低，質(zhì)量差，年代久遠，損毀嚴重。以群庫灌區(qū)為例，山區(qū)支渠大多盤桓于陡坡山崖之上，控制面積540～1 700 hm2，設計流量0.50～ 1.40 m3/s，矩形渠寬0.50～2.30 m，渠深多為0.60～1.00 m。支渠大多建于上世紀六七十年代，紅土白灰砂漿砌石結構。渠墻多為重力式矩形斷面，料石或塊石內(nèi)外側(cè)立鑲面，內(nèi)部空腔填充砂礫土石。有效防滲體不是整個重力式擋墻斷面，而是迎水面鑲砌的單皮砌石體。紅土白灰砂漿強度低，不耐水，極易滲漏損毀。《渠道防滲工程技術規(guī)范》要求砌石防滲體砌筑砂漿標號不低于M7.50、勾縫砂漿不低于M10，現(xiàn)狀支渠大多不能滿足規(guī)范要求。拆除重建擬以混凝土整體式矩形渠槽為主，對其結構布置、變形縫構造以及施工常見技術問題進行分析探討。

1 矩形渠槽設計

鑒于山區(qū)小型渠道多位于陡坡、山崖之上，場地狹窄，清基開挖施工困難，按渠道防滲規(guī)范要求宜采用結構緊湊的混凝土整體式U型或矩形渠槽。U型渠槽適于機械化整體成型，即使常規(guī)支模施工，對于山區(qū)盤繞曲折的渠線線型也較難適應。山區(qū)小型渠道改造應以混凝土整體式矩形渠槽為主，實踐證明深受群眾歡迎。矩形槽側(cè)墻和底板為整體澆筑剛性連接，按平面鋼架進行結構分析。側(cè)墻和底板以彎曲變形為主。

為便于垂直澆筑混凝土，構造要求側(cè)墻頂部厚度≥12 cm，側(cè)墻底部厚度和底板厚度根據(jù)強度及抗裂條件確定。小型渠道設計流速一般1～3 m/s，水流常含有砂礫石推移質(zhì)，渠道防滲規(guī)范要求底板厚度≥12 cm。綜合確定矩形渠槽側(cè)墻和底板最小厚度≥15 cm，常用厚度20 cm。對于較大過水斷面，為緩解轉(zhuǎn)角應力集中，在側(cè)墻與底板連接轉(zhuǎn)角處應設托承補角。

側(cè)墻和底板以彎曲變形為主，理論上側(cè)墻不宜采用素混凝土結構?！端せ炷两Y構設計規(guī)范》規(guī)定，素混凝土受彎構件僅允許用于臥置在地基上的情況以及不承受移動荷載的情況。由于混凝土抗拉強度的可靠性低，混凝土收縮和溫度變化引起的效應又難以估計，一旦發(fā)生裂縫，易造成事故，故對于由受拉控制的素混凝土結構，應嚴格限制其適用范圍。此規(guī)定和國標《混凝土結構設計規(guī)范》的規(guī)定類似，但后者更為明確，素混凝土受彎構件僅允許用于臥置在地基上以及不承受活荷載的情況。即除了“臥置在地基上以及不承受活荷載”這一種情況外，其余均不允許采用素混凝土受彎構件。

鑒于小型渠槽結構、受力均較小，渠道防滲規(guī)范指出小型渠道宜采用整體式U形或矩形渠槽。同時規(guī)定，渠基土穩(wěn)定且無外壓力時，U形渠和矩形渠防滲層的最小厚度為6 cm；渠基土不穩(wěn)定或存在較大外壓力時，U形渠和矩形渠宜采用鋼筋混凝土結構。此規(guī)定和前述國標規(guī)定一致。顯然，素混凝土渠墻僅適用于渠基土穩(wěn)定、墻外沒有土壓力或土壓力很小的情況。對于有較大水壓力或渠墻外側(cè)有較高填土、填土上可能有活荷載等外力時，不應采用素混凝土渠墻結構，也就是不能采用素混凝土整體式矩形渠槽。山區(qū)小型渠道墻高大多0.60～1.00 m，結構多在地面以上，墻外少有填土或松散培覆，鮮有人類活動干擾，邊界條件符合素混凝土有關規(guī)定。因此，山區(qū)渠深1 m以下小型渠道采用素混凝土整體式矩形渠槽是可行的。平原渠道多穿越耕地，墻外填土及耕作條件復雜，建議渠深1 m以上不宜采用素混凝土整體式矩形渠槽，仍以重力式擋墻為宜。

冬季積水、積雪導致地面小型渠道混凝土凍融損害時有發(fā)生。根據(jù)結構耐久性要求，設計混凝土強度不低于C20，抗凍等級不低于F150，抗?jié)B等級不低于W4。

2 變形縫設計

2.1 結構布置

變形縫按作用不同分為伸縮縫、沉降縫、防震縫。小型渠道多為地面結構，基礎底板埋深較小，受外界溫度影響與上部結構相同。因此，伸縮縫和沉降縫應合而為一，按沉降縫構造處理，即基礎底板和上部側(cè)墻結構全部沿豎直方向斷開。小型渠道體形矮小，毗鄰剛度相同，受地震作用影響較小，沉降縫基本可以滿足防震縫構造要求。變形縫間距一般取3～5 m。巖基間距取小值，土基間距取大值；窄小斷面取小值，寬大斷面取大值。

山區(qū)小型渠道均依山就勢，平面多呈自然曲線。變形縫布置可沿渠道中軸線均布間距，變形縫平面沿中軸線法線方向，豎向貫通底板、側(cè)墻全部結構。應避免平曲線渠道兩側(cè)渠墻分別排列變形縫，導致底板、側(cè)墻變形縫交錯布置，有悖豎向貫通全斷面的目的。

巖基上直接澆筑混凝土結構，由于基巖與混凝土線脹系數(shù)不同，基巖基本不隨溫度變化而變化，混凝土因溫度變化收縮時受基巖約束產(chǎn)生收縮應力。應力累積釋放即產(chǎn)生裂縫，僅減小伸縮縫間距難以避免。應在混凝土底板和巖基之間設置柔性隔離層。隔離層可采用0.40 mm聚乙烯膜一道。巖基或舊有結構上渠底混凝土襯砌、渠墻混凝土壓頂同樣需設置伸縮縫和隔離層，以避免不規(guī)則裂縫的產(chǎn)生。

2.2 變形縫構造

混凝土澆筑溫度的不同，致結構單元可能膨脹，也可能收縮。平曲線單元的膨脹可能導致整體結構的位移、變形甚至斷裂。因此，變形縫應兼具脹縫和縮縫的功能。構造形式采用平頭矩形，不應采用僅具縮縫功能的切割假縫?？p寬與結構的伸縮變形量、沉降差、防震結構變形有關，一般宜采用20～30 mm?？p寬尚應根據(jù)結構斷面厚度確定。當斷面厚度≤300 mm時，縫寬不應＜20 mm；當斷面厚度＞300 mm時，縫寬不應＜30 mm。小型渠道斷面厚度、沉降變形均不大，變形縫寬度可取20 mm。

變形縫止水構造包括填縫板和嵌縫密封材料。填縫板作為嵌縫密封材料的背襯，同時應具有適應變形縫變形的能力，可采用閉孔型聚乙烯泡沫塑料板。迎水面嵌縫密封材料應具有止水密封作用并能適應變形縫的變形。嵌縫密封料與混凝土的粘結力≥0.20 MPa，可采用聚硫密封膠、聚氨酯密封膠、硅膠等防水、有足夠的變形能力、與混凝土具有良好粘結性能的柔性材料。填縫板不具有止水性能，不能代替嵌縫密封材料，否則將導致止水失效。

迎水面嵌縫密封寬度20 mm，嵌縫料深度≥15 mm。嵌縫密封料與混凝土表面應預留一定的距離。低溫嵌縫時可預留5～2 mm，高溫嵌縫時可預留2～0 mm。則嵌縫口預留凹槽深度為20 mm。嵌縫密封料應保證與兩側(cè)的混凝土良好粘接，但不應與其下部的填縫板粘接在一起，必須設置泡沫塑料圓條或油紙等隔離層。

設置變形縫的目的是提供結構單元變形的余地。因此，變形縫全斷面不能被填縫板以外的雜物或抹面砂漿所填充，亦即填縫板應滿填結構迎水面至背水面全斷面。對于形體寬大的重力式擋墻斷面，可沿墻的內(nèi)、外、頂三面設置填縫板，填塞深度不宜＜200 mm，內(nèi)部形成中空以節(jié)省投資。

3 施工技術要點

3.1 渠道結構施工

變形縫沿縱向?qū)⑶澜Y構分割成若干獨立單元，每個單元須獨立支立側(cè)模、端模，澆筑成型，則相鄰單元勢必分序跳倉施工。應避免為提高模板使用率而將相鄰單元結構同序施工，僅預置變形縫填縫板來分割單元形成變形縫。柔性填縫板的剛度不可能代替端模保證結構的定位和定型，混凝土澆筑過程將使其嚴重變形，導致結構定型、變形縫定位均不能滿足設計要求。

矩形渠槽施工常見底板和側(cè)墻分序支模澆筑有誤，即施工縫設置在側(cè)墻根部不當。施工縫宜設置在構件受力較小、便于施工的部位。側(cè)墻作為受彎構件，根部受力最大，施工縫處理、模板接縫、混凝土澆筑振搗等極易在此形成薄弱環(huán)節(jié)、質(zhì)量隱患，導致結構開裂滲漏。參照蓄水池池壁施工要求，必要的施工縫宜留在底板上面≥20 cm處；當?shù)装迮c側(cè)墻連接有腋角時，宜留在腋角上面≥20 cm處。鑒于小型渠道側(cè)墻高度不大，底板和側(cè)墻完全可以一次立模、連續(xù)澆筑成型而不留施工縫。

3.2 變形縫施工

渠道結構分序跳倉施工，則填縫板應在一序先澆注的混凝土澆注前安裝并固定在端模板內(nèi)側(cè)，不得在澆注混凝土后粘貼在混凝土上。為預留填筑嵌縫密封料的凹槽，可用閉孔泡沫板條穩(wěn)固在填縫板或模板上。二序混凝土澆注并達到一定強度后，嵌縫前拉出壓條形成凹槽。不得將加寬整塊填縫板代替凹槽澆注在混凝土內(nèi)，之后再剔鑿出凹槽。為避免串漿，預置填縫板寬度可略大于側(cè)墻厚度，側(cè)模壓縮后與側(cè)墻同厚。密封料嵌縫前，應對縫口邊緣有缺陷的混凝土進行檢查修補，保證縫內(nèi)界面潔凈干燥。為避免污染結構表面，嵌縫前可在縫口兩側(cè)粘貼膠帶加以防護。

4 結語

小型渠道規(guī)模不大，量大面廣?；炷琳w式矩形渠槽結構簡單，施工方便，但適用條件嚴苛，應慎重選型。類似山區(qū)小型渠道多在地面以上、渠深較小、墻外少有填土或松散培覆、鮮有人類活動干擾，方可適用。對渠道結構、變形縫布置及構造、施工工藝措施應引起足夠重視，避免構造細節(jié)形成質(zhì)量隱患。

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1673-8853（2017）03-0046-02

2017-1-5

編輯：劉長垠 韋詩佳

張旭（1964.1-），男，工程師。主要從事水利工程規(guī)劃設計和研究。