渠道襯砌與防滲設(shè)計(jì)

張瀟

（保定市西大洋水庫管理處，河北保定072350）

渠道襯砌與防滲設(shè)計(jì)

張瀟

（保定市西大洋水庫管理處，河北保定072350）

石津干渠供水區(qū)屬水資源極度缺水地區(qū)，由于水資源短缺和過度開發(fā)利用水資源，引發(fā)了一系列的環(huán)境、地質(zhì)問題，因此渠道襯砌與防滲對渠道節(jié)水改造顯得尤為重要。渠道采用現(xiàn)澆混凝土板襯砌減糙，實(shí)現(xiàn)渠底和邊坡全斷面襯砌，襯砌頂高程為加大水位加超高。襯砌厚度邊坡0.1 m，渠底0.08 m。通過計(jì)算渠道滲漏流量確定了渠道防滲設(shè)計(jì)方案，即結(jié)合混凝土襯砌，渠基滲透系數(shù)小于1×10-5m/s的渠道采用現(xiàn)澆混凝土襯砌防滲，以聚硫密封膠嵌縫；渠基滲透系數(shù)大于1×10-5m/s的強(qiáng)滲漏渠段、渠道下方有穿渠建筑物的渠段鋪設(shè)土工膜，以加強(qiáng)防滲。

南水北調(diào)；石津干渠；滲漏；襯砌

石津干渠工程作為南水北調(diào)配套工程的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著向石家莊、滄州、衡水等城鎮(zhèn)的輸水任務(wù)，是確保江水調(diào)得來、用得上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其地理位置處于北緯37°36′～38°07′和東經(jīng)114°25′～116°49′，所處范圍屬于華北平原。根據(jù)巖性分布，渠道土體可分為3類地質(zhì)結(jié)構(gòu)：黏性土單一結(jié)構(gòu)、黏砂雙層結(jié)構(gòu)及黏砂多層結(jié)構(gòu)。石津干渠供水區(qū)屬水資源極度缺水地區(qū)，由于水資源短缺和過度開發(fā)利用水資源，引發(fā)了一系列的環(huán)境、地質(zhì)問題，因此渠道襯砌與防滲對渠道節(jié)水改造顯得尤為重要。

1 渠道襯砌設(shè)計(jì)

根據(jù)南水北調(diào)配套工程特點(diǎn)及沿線自然條件，對各類襯砌材料進(jìn)行分析比較，確定混凝土為本段渠道襯砌材料。本渠段渠道襯砌范圍為全斷面襯砌，襯砌頂高程為設(shè)計(jì)水位加超高。本渠段渠道均為土質(zhì)地基，采用現(xiàn)澆混凝土襯砌。

1.1 襯砌頂部高程確定

根據(jù)《河北省南水北調(diào)配套工程可行性研究渠道土建工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，襯砌頂部高程計(jì)算公式為：

式中：H襯砌為渠道襯砌頂部高程（m）；H設(shè)計(jì)為渠道設(shè)計(jì)水位（m）；Δ為襯砌超高（m），依據(jù)文獻(xiàn)[1]可采用0.3～0.8 m，本次設(shè)計(jì)綜合考慮取Δ=0.5 m。對襯砌頂與堤頂高差小于1.0 m的渠段，襯砌到頂。

1.2 襯砌混凝土等級(jí)設(shè)計(jì)

根據(jù)《河北省南水北調(diào)配套工程可行性研究渠道土建工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》和文獻(xiàn)[2]，因本段渠道最冷月（1月）平均氣溫為-9.3～-7.5℃，屬寒冷氣候區(qū)，故渠道襯砌混凝土采用強(qiáng)度等級(jí)C20、抗凍等級(jí)號(hào)F150、抗?jié)B等級(jí)W6。

1.3 襯砌結(jié)構(gòu)尺寸

為減少造價(jià)和襯砌施工方便，相同部位的渠道采用等厚矩形混凝土板襯砌。混凝土板的厚度及尺寸，與基礎(chǔ)、氣溫、施工條件等有關(guān)，根據(jù)規(guī)范選用。

1.3.1 板厚

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，現(xiàn)澆混凝土板最小厚度在溫和地區(qū)為0.08 m、寒冷地區(qū)0.1 m，另考慮干渠常年輸水，渠底不會(huì)出現(xiàn)負(fù)溫，因此確定本段渠道現(xiàn)澆混凝土邊坡厚為0.1 m、渠底厚0.08 m。

1.3.2 襯砌分縫

（1）伸縮縫間距。文獻(xiàn)[2]中規(guī)定，現(xiàn)澆混凝土縱縫間距為5 m、橫縫間距為3～5 m。本工程渠道縱橫縫間距一般為4 m，渠底寬2 m渠段橫縫間距為2 m。

（2）縫型、縫寬及填料。渠道襯砌分縫均采用結(jié)構(gòu)簡單、施工方便的矩形縫?？p寬決定于縫距、溫度變幅、施工時(shí)混凝土的干縮系數(shù)、混凝土的線膨脹系數(shù)、縫內(nèi)填料的伸縮性能和粘結(jié)力及施工要求等，一般采用0.01～0.03 m。本段渠道伸縮縫為通縫（貫通襯砌板厚），縫寬0.02 m。襯砌分縫填料選用性能良好的填料，以防漏水，具體要求如下：①具有一定的耐熱性，當(dāng)氣溫最高時(shí)填料不發(fā)生流淌現(xiàn)象；②具有良好的抗凍性，當(dāng)氣溫最低時(shí)填料不凍裂或剝落；③具有良好的伸縮性，在縫口張大時(shí)填料不裂縫，縫口縮小時(shí)填料不被擠出；④與混凝土面具有良好的粘接力，在負(fù)溫下粘著力不脫開；⑤耐久性好。根據(jù)上述要求，結(jié)合伸縮縫的特點(diǎn)，確定渠道填縫材料選用聚硫密封膠。

1.3.3 混凝土板平面結(jié)構(gòu)尺寸

現(xiàn)澆混凝土板根據(jù)其分縫情況確定平面尺寸，新挖渠段渠底每塊板為2 m×4 m，利用原有渠道段及渠道邊坡為4 m×4 m。

1.3.4 封頂板

根據(jù)文獻(xiàn)[2]規(guī)定，渠道在邊坡襯砌頂部設(shè)置水平封頂板或封頂齒墻。封頂板與檢修公路路緣石結(jié)合，寬0.25 m，板厚同邊坡襯砌板。封頂板或封頂齒墻與邊坡襯砌現(xiàn)澆為一體。

1.3.5 坡腳齒墻

渠道襯砌在坡腳均設(shè)齒墻，通過對各段渠道的齒墻穩(wěn)定計(jì)算，確定現(xiàn)澆混凝土齒墻斷面寬0.2 m、高0.3 m。

2 渠道滲漏量計(jì)算與防滲設(shè)計(jì)方案確定

2.1 渠道滲漏等級(jí)劃分

根據(jù)渠道不同巖性的滲漏能力（滲透系數(shù)）進(jìn)行滲漏等級(jí)劃分。

（1）強(qiáng)滲漏。滲透系數(shù)大于1×10-4m/s的巖性屬強(qiáng)滲漏，代表巖性有中粗砂、礫砂、卵石、粉砂、細(xì)砂及全風(fēng)化片麻巖、石英砂巖等。強(qiáng)滲漏段共計(jì)2段，第一段起止樁號(hào)分別為36+391、79+731，長43 340 m；第二段起止樁號(hào)分別為118+646、123+515，長4870m。

（2）中滲漏。滲透系數(shù)為1×10-6～1×10-4m/s的巖性屬中等滲漏，代表巖性有砂壤土、黃土狀壤土、全風(fēng)化頁巖、泥灰?guī)r等。除強(qiáng)滲漏段外，其余渠道均為中滲漏段。

2.2 渠道滲漏量計(jì)算方法

2.2.1 無防滲情況下的自由滲漏量

渠道滲漏損失主要與水文地質(zhì)條件、渠床的土壤性質(zhì)、渠道濕周及輸水時(shí)間等因素有關(guān)。渠道滲漏損失量隨滲漏過程而變，一般可分為自由滲漏和頂托滲漏。

根據(jù)渠道沿線各段的土質(zhì)、土壤滲透系數(shù)、地下水位以及渠道挖填情況，各渠段防滲前的自由滲漏量計(jì)算公式為：

式中：S為無防滲情況下單位渠長的滲漏量[m3/（s·m）]；k為土壤滲透系數(shù)（m/s）；b為底寬（m）；γ1為邊坡側(cè)向毛管滲吸的修正系數(shù)，取1.1～1.4；h為設(shè)計(jì)水深（m）；m為渠道邊坡系數(shù)。

渠道頂托滲漏量計(jì)算公式為：

式中：S頂為頂托情況下單位渠長的滲漏流量[m3/（s·m）]；γ為頂托滲漏損失修正系數(shù)；其余變量含義同上。

2.2.2 防滲后滲漏量

渠道防滲后滲漏量計(jì)算公式為：

式中：S防為防滲后單位渠長的滲漏流量[m3/（s·m）]；β為防滲后渠道滲漏量減少系數(shù)，混凝土襯砌取0.1，混凝土加復(fù)合土工膜防滲取0.05；其余變量含義同上。

2.3 渠道防滲設(shè)計(jì)方案確定

渠道防滲形式包括：土料或水泥土防滲，造價(jià)低，施工簡便，但耐久性、抗凍性較差；石料防滲，施工簡便，抗凍、抗沖、抗磨和耐久性好，但防滲效果一般不易保證；埋鋪式膜料，重量輕，運(yùn)輸量小，防滲效果好，但采用土料保護(hù)層時(shí)允許流速小、占地多，采用剛性保護(hù)層時(shí)造價(jià)較高；瀝青混凝土或混凝土防滲，防滲效果、抗沖性和耐久性好，可用于各類地區(qū)和各種運(yùn)用條件下的各級(jí)渠道襯砌。

根據(jù)因地制宜、就地取材的原則選定防滲結(jié)構(gòu)，并應(yīng)滿足下列要求：防滲效果好，最大滲漏量能滿足工程要求；經(jīng)久耐用，使用壽命較長；輸水能力和防淤抗沖能力高；施工簡易，質(zhì)量容易保證；管理維修方便，價(jià)格合理。

土料或水泥土防滲耐久性較差，石料防滲效果不宜保證且需要石料量大，均不適合本渠段的防滲設(shè)計(jì)。根據(jù)防滲效果要求，土工膜防滲或混凝土防滲更適合石津干渠節(jié)水改造的要求。

采用土工膜防滲加土料保護(hù)層形式，防滲效果好、投資少，但石津干渠灌溉期水流流速在1.13 m/s以上，會(huì)對土料保護(hù)層造成沖刷破壞。所以，本渠段采用土工膜加剛性保護(hù)層和混凝土防滲2種形式的防滲方案較為理想。

總干渠沿線黃土類土覆蓋長度占渠長89%以上，其中渠基多為壤土，在無防滲措施情況下渠道滲漏量較大，因此應(yīng)采取防滲措施，并根據(jù)各渠段土質(zhì)、挖填情況，在經(jīng)過防滲效果、投資比較基礎(chǔ)上，選定最佳防滲方案。

2.3.1 方案擬定

方案Ⅰ：渠基滲透系數(shù)小于1×10-7m/s的渠道采用現(xiàn)澆混凝土襯砌，以聚硫密封膠嵌縫防滲；渠基滲透系數(shù)大于1×10-7m/s中、強(qiáng)滲漏的渠段及渠道下方有穿渠建筑物的渠段鋪設(shè)土工膜加強(qiáng)防滲。

方案Ⅱ：渠基滲透系數(shù)小于1×10-5m/s的渠道采用現(xiàn)澆混凝土襯砌，以聚硫密封膠嵌縫防滲；渠基滲透系數(shù)大于1×10-5m/s的強(qiáng)滲漏渠段及渠道下方有穿渠建筑物的渠段鋪設(shè)土工膜加強(qiáng)防滲。

方案Ⅲ：現(xiàn)澆混凝土襯砌，以聚硫密封膠嵌縫，全斷面土工膜加強(qiáng)防滲。

2.3.2 防滲效果比較

根據(jù)渠道地質(zhì)資料和渠道設(shè)計(jì)斷面分析計(jì)算各方案襯砌后的年滲漏量和投資。經(jīng)方案比較，方案Ⅱ由于對強(qiáng)滲漏段（k＞1×10-5m/s）在混凝土板下加了土工膜，因而漏水量明顯減少，平均每減少單方水的滲漏損失增加投資最小。方案Ⅲ投資最小，但水量損失較大，因此設(shè)計(jì)推薦方案Ⅱ。渠道防滲前的滲漏損失為2.79億m3，襯砌后損失2 700萬m3。

3加強(qiáng)防滲設(shè)計(jì)

（1）加強(qiáng)防滲渠段及部位。渠道全斷面混凝土板襯砌，已經(jīng)起到一定的防滲作用，根據(jù)防滲措施效果分析，對于土質(zhì)較好、滲透性較弱的渠段，不再采用其它的防滲措施，但對于強(qiáng)滲漏及有穿渠建筑物等特殊渠段需全斷面鋪設(shè)復(fù)合土工膜加強(qiáng)防滲。

（2）防滲材料。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的規(guī)定和襯砌板抗滑穩(wěn)定要求，選用576 g/m2的二布一膜復(fù)合土工膜作為加強(qiáng)防滲材料，其中膜厚0.000 3 m。

（3）防滲設(shè)計(jì)。渠坡防滲土工膜頂部高程與襯砌頂部高程相同，并壓在封頂板下，采用三角形壓邊方式。防滲材料均鋪在混凝土襯砌板下。膜層的鋪設(shè)一般采用粘接，粘接寬度不小于0.1 m，粘接方向應(yīng)是由下游向上游順序鋪設(shè)，上游邊壓下游邊。

4 結(jié)語

渠道采用現(xiàn)澆混凝土板襯砌減糙，渠底和邊坡實(shí)施全斷面襯砌，襯砌頂高程為加大水位加超高。襯砌厚度邊坡0.1 m，渠底0.08 m。防滲設(shè)計(jì)結(jié)合混凝土襯砌，渠基滲透系數(shù)小于1×10-5m/s的渠道采用現(xiàn)澆混凝土襯砌防滲，以聚硫密封膠嵌縫；渠基滲透系數(shù)大于1×10-5m/s的強(qiáng)滲漏渠段及渠道下方有穿渠建筑物的渠段鋪設(shè)土工膜，以加強(qiáng)防滲。

[1]GB50288-1999，灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]SL18-2004，渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范[S].

[3]SL/T225-1998，水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

TV698.2+4

B

1004-7328（2017）04-0028-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.04.009

2017—03—20

張瀟（1981—），男，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)施工及運(yùn)行管理工作。