浅析南水北调总干渠叶县段渠堤堤身防渗排水设计.pdf

第 4 9卷第 l 2期 2 0 1 3年 1 2月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 GA NS U WA TE R RE S OU Ra陷 AN D HY D ROP OWE R T E CH N0L OG Y Vo 1 ． 4 9． No ． 1 2 De C ． ， 2 0 1 3 设计与研究 浅析南水北调总干渠叶县段渠堤堤身防渗排水设计 王跟 前 ( 甘肃省水利水电勘测设计研究院， 甘肃 兰州7 3 0 0 0 0 ) 摘要： 南水北调中线一期工程总干渠叶县段是陶岔渠首至沙河南段的一个项 目工程， 明渠断面多采用梯形， 基本由 全挖方、 半挖半填和全填方三种方式成渠， 渠道设计纵坡 1 ： 2 5 0 0 0 ， 水深7 ． 0 m， 底宽 1 7 ． O ～ 2 4 ．5 m。过水断面全部用 C 2 0混凝土衬砌。 其下大多铺设双面复合土工膜防渗。根据成渠方式和地下渗水情况， 土工膜下布置排水系统， 包括 垫层、 排水管、 逆止阀等， 主要功能是排除地下水， 保证衬砌稳定。挖方渠道一级马道以上、 填方渠道背水面渠坡， 根 据坡高及地质条件采用浆砌块石拱、 浆砌块石框格、 草皮等措施护坡， 背坡排水采用浆砌石+ 贴坡排水。 关键词： 南水北调总干渠叶县段； 典型横断面结构； 堤身防渗排水； 排水系统； 排水管； 逆止阀 中图分类号： T V 2 2 3 文献标志码： B 文章编号： 2 0 9 5 — 0 1 4 4 ( 2 0 1 3 ) 1 2 — 0 0 4 6 — 0 4 1 工程概 况 南 水北调 中线一期 工程 总干渠 陶岔渠 首至 沙河 南段工程叶县段( 简称叶县段) 是陶岔渠首至沙河南 段的项 目工程 。叶县段渠线位于叶县西南 ， 南起叶 县保安镇以南约 2 k m的方城与叶县县界 ， 设计桩号 1 8 5 + 5 4 5 ；北至叶县养凤沟村以北约 1 ． 2 k m的鲁 山 县县界 ， 设计桩号 2 1 5 + 8 1 1 ， 其 中 2 0 9 + 2 7 0 ～ 2 1 0 + 1 3 0 为澧河渡槽 ， 单独设计 ， 叶县段实际长度 2 9 ． 4 k m． 2明渠横断面 结构设计 2 ． 1 横断面 结构设计 渠道断面基本采用梯形 。 设计纵坡为 1 ： 2 5 0 0 0 ， 水深 7 ． 0 m， 底宽 1 7 ． 0 2 4 ． 5 m， 过水断面 内坡坡 比 1 ： 2 ～ 1 ： 3 ． 5 。 挖方渠道一级马道兼作运行维护道路 ， 一 般宽 5 m； 以上每 6 m增设一级马道 ， 一般宽 2 n l 。 填 方渠道堤顶兼作运行维护道路 ， 一般宽 5 m； 以下外 坡每 6 m增设一级马道， 一般宽 2 m。挖方渠道开 口 线或填方渠堤坡脚线外两侧设保 护范 围，一般 l 3 m， 主要 由防护堤 、 防护林带 、 截 流沟、 保 护围栏组 成 。渠道过水断面采用混凝土衬砌 ， 主要功能是减 糙 、 防渗 ； 衬砌板下铺设土工膜 ， 用于加强防渗； 土工 膜下布置排水系统 ， 包括垫层、 排水管、 逆止阀等 ， 排 水系统的主要功能是排除地下水 。保证衬砌稳定。 挖方渠道一级马道以上、 填方渠道背水面渠坡 ， 根据 坡高及地质条件采用浆砌块石拱、 浆砌块石框格 、 草 皮等措施护坡 ．防止渠坡浅层滑动以及表层冲蚀 。 对河滩地填方渠道外坡 ， 采用浆砌块石护坡 ， 对膨胀 土渠段采用换土处理措施。渠道各级马道上设置纵 向排水沟 ， 坡面上设置横向排水沟 。 2 ． 2典 型横断 面结构 设计 特点 图 1为叶县四标半挖半填渠道 2 1 2 + 9 0 0( 2 1 2 + 2 2 4 — 2 1 3 + 0 5 0 ) 典型断面结构。其设计特点为： ①清 基回填、 堤身弱膨胀土及水泥改性土压实度为 9 8 ％： 中膨胀土压实度为 9 6 ％；水泥改性土采用弱膨胀土 掺 4 ％水泥改性 。弱膨胀改性 土粒径不大于 5 e m。 ②复合土工膜采用强度高 ， 均匀性好的抗老化双面 复合土工膜做防渗材料。③渠底防渗土工膜压在坡 脚齿墙下 ， 渠坡防渗土工膜顶部高程与衬砌顶部相 同 ， 并压在顶板下 ， 采用锚 固沟压边 ， 沟深 3 0 e m， 宽 4 0 a m。 复合土工膜采用焊接方式， 搭接宽度 1 5 c m， 铺设方 向 由下 游 向上游 顺 序 。 上游边 压下游边 。 ④渠道衬砌分缝采用矩形 缝 ， 分通缝和半缝 ， 纵缝 除渠底齿墙靠近渠道中心一侧为通缝外 。渠坡及渠 底均为半缝 ， 缝宽 1 e m， 临水采用聚硫密封胶填缝 ， 镶嵌深度为2 e m， 下部闭孔塑料泡沫板深度为 4 ~ 8 c m。 ⑤衬砌混凝土采用 C 2 0 ， 二级配。抗冻 F 1 5 0 ， 抗渗 W6 ； 路缘石采用 C 2 0 ， 二级配 ， 抗冻 F 1 5 0 。⑥外坡浆 砌石拱+ 植草护坡等其他结构主要防止渠坡浅层滑 动以及表层冲蚀。 3明渠横 断面结构 防渗 设计分 析 3 ． 1 横 断面结构 防渗 设计 3 ． 1 ． 1 渠道过水断面两侧管理道路 挖方渠道一级马道和填方渠道堤顶兼作运行维 护道路 。 一般宽 5 m。左岸设计铺设 2 0 c m厚的泥结 碎 石路面 。 右岸设 计铺设 2 0 c m厚 的石灰稳 定土 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 1 1 - 0 9 作者简介： 王跟前( 1 9 6 8 一 ) ， 男 ， 甘肃通渭人， 工程师， 主要从事水利水电工程测量和施工监理。 4 6 第 1 2期 王跟前 ： 浅析南水北调总干渠叶县段渠堤堤身防渗排水设 计 第 4 9卷 吕 安 醐 褪 啦 器 9 4 5 3 5 图 1 叶县四标半挖半填渠道 2 1 2 + 9 0 0 ( 2 1 2 + 2 2 4～ 2 1 3 + 0 5 0 ) 典型断面结构 + 6 e m厚的沥青混凝土路面。这种在堤顶或马道上 用密实的泥结碎石 、 或石灰稳定土加沥青混凝土等 柔软性材料做的维护道路路面设计 ， 除满足交通外 ． 亦适应渠堤的变形 ， 防止干裂和雨水冲蚀 ， 并且对渠 堤有 防渗保 护作用 。 3 ． 1 ． 2 过水断面混凝土衬砌 渠道过水面全部用抗冻 F 1 5 0 、 抗渗 W6 、 C 2 0二 级配混凝土衬砌 ， 其中渠坡 1 0 c m厚 ， 渠底 8 c m厚。 主要功能是减糙 、 防渗 ， 亦做其下防渗复合土工膜的 保护层。 3 ． 1 ． 3 复合土工膜 过水断面 C 2 0混凝土下铺设强度高 、 均匀性好 的抗老化双面复合土工膜作堤身防渗体 。 其规格为 5 7 6 g ／ m 。双面土工布为 1 5 0 g ／ m 的长纤土工织物 。 复合体为宽幅( 宽幅大于 5 m) ， 要求复合土工膜 ： 膜 厚 I>2 ． 7 m m； 断裂伸长率> 5 0 ％； 断裂强力≥1 4 k N ／ m； C B R顶破强力 ≥2 ． 8 k N； 撕破强力 >10 ． 4 k N ／ m球0 离 强度 ≥6 N ／ c m； 耐静水压力 I>0 ． 6 MP a ； 垂直渗透系 数0 ． 3 m m； 密度> 9 2 0 k g ／ m 。 ； 破坏拉应力> 1 7 MP a ； 断裂伸长率> 4 5 0 ％； 弹性 模 量 在 5℃时> 7 0 M P a ； 抗 冻 性 ( 脆 性 温 度 ) 不低 于 一 7 0 ℃： 撕裂强度> 6 0 N ／ ram： 抗渗强度在一起 1 ． 0 5 MP a 水压力时 4 8 h不渗水 ； 渗透系数< 1 0 - c n g s 。 这种双面复合土工膜是将土工膜与土工织物复 合成一体 ， 土工织物能起缓冲受力作用 ， 弥补土工膜 强度不足 ，改善接触面的抗磨性能。这种双面复合 土工膜具有重量轻、 整体性好、 产品规格化 、 强度高、 耐腐蚀性强 、 储运方便 、 免设上下垫层 ， 施工简易防 渗性能好等优点 。 具备节省工程投资、 缩短工期的效 果。铺设时要求保持松弛状态 ，解决好黏接和焊接 工艺等诸多细部构造 问题以保证其防渗效果。 4明渠横 断面 结构排 水设计 分析 4 ． 1 横 断面结构 渠道 内地 下排水 系统 过水断面渠道 内地下排水系统主要是 为排 出 地下 渗透水，针对 挖方渠 段和半 挖半填 段设计 。 图2 、 图 3为 叶县 2标全 挖方 渠道 1 9 3 + 5 0 0( 1 9 3 + 5 0 0 — 1 9 3 + 7 0 0 )排水 典型 断面结构设计 和细部结 构 设 计 。 图 2 叶县 2标全挖方渠道 1 9 3 + 5 0 0 ( 1 9 3 + 5 0 0～1 9 3 + 7 0 0 ) 排水典型断面结构设计 4 7 2 0 1 3年第 1 2 期 甘肃水利水 电技术 第 4 9卷 A大样 B大样 图 3 叶县2标全挖方渠道 1 9 3 + 5 0 0 ( 1 9 3 + 5 0 0—1 9 3 + 7 0 0) 排水典型断面细部结构设计 4 ． 1 ． 1 渠道内坡排水板设计 在挖方渠道过水断面的防渗复合 土工膜下 ， 根 据地下水渗漏状况 。 一般情况在防水土工膜下( 部分 全挖方渠段最初设计没有防渗土工膜 ， 见 图 3 ) 铺设 网状排水板( 图 4 ) ， 用来引导渠坡中的地下水 ( 渠坡 含强渗漏层的渠段 。 做特别设计 ， 安置排水管做管式 排水 ， 排水管的管壁上有孔或孔隙， 收集渗水) ， 将其 汇集到渠底齿槽内的纵向布置的排水管。 图 4 渠道一级马道 以下排水板 铺设 直线型排水板布置在衬砌横向缝位置下 。 顺水 流方向布置人字型排水板 ： 直线型号排水板厚 4 c m， 宽 2 0 c m， 问距 4 m； 人字型排水板厚 3 c m， 宽 2 0 c m， 间距 2 m。 保证一排人字型排水板顶端与纵缝对齐 ， 排水板铺设前在渠坡 内相应位置挖 出 2 0 c mx 4 c m 和 2 0 c m x 3 c m的沟槽。 排水板技术要求 ： 孔隙率大于 9 0 ％， 压缩十分之 三时抗压强度为 8 0 k P a ，外裹 1 5 0 k g ／ m 2 短丝土工 布。 ’ 4 ． 1 ． 2 渠道底部集水及排水设计 典型断面上一般在渠道底部纵 向设计 3条集 排水装置 ( 渠底含强渗漏层 的渠段 ， 做特别设计 ， 打减压井排水减压 ) ， 分别设置在渠底两侧齿墙和 中心齿槽 内， 将地下渗流引导、 集中、 排出。引导材 4 8 料设计有排水板、透水软管和连接管等，集排水用 ~ 2 5 c m P V C管。透水软管和集排水管铺设与渠道纵 坡一致 ， 为 1 ／ 2 5 0 0 0 ， 透水软管 内侧为钢丝骨架 ， 外 侧为纤维缭绕粘结 ，安置在左右齿墙齿槽和中心齿 槽 内。排出设备为逆止阀。基中两侧齿墙内选用拍 门逆止 阀 ， 渠底 中心用 球形 逆止 阀。 4 ． 1 ． 3 渠 道 内部排水设 计分 析 为防止渗流和排水引起流土等渗流变形 、接触 冲刷破坏 ， 必须设置反滤或有反滤作用的过渡层 ， 反 滤层按其工作条件可划分为两主要类型，I型反滤 层 位 于被保护 土 的下 部 ， 渗 流方 向主要是 由上 向下 ； Ⅱ型反滤层位于被保护土的上部 ，渗流向主要由下 向上 ， 渗流方向水平而反滤层成竖向的 。 属过渡型。 合理 的反滤 设计要 满足 两个互 相矛盾 的条件 ，一是 被保护土层不发生管涌等有害的渗流变形，在防渗 体出现裂缝 的情况下 ， 土颗粒不会被带出反滤层 ， 而 且是能促使裂缝 自行愈合 。这就要求反滤料有足够 小的空隙 ，以防止颗粒被冲人孔隙或通过孔隙而被 冲走； 二是透水性大于被保护层 ， 能畅通地排出渗透 水流， 同时不致被颗粒淤塞而失效 ， 这就要求反滤料 有 足够大 的空 隙 。 根据排水板布置和排水结构 ，设计采用 Ⅱ型反 滤或过渡型。起反滤作用的材料有 ： ①排水板及其外裹的1 5 0 k g ／ m 短丝土工布。 ②齿墙底部 8 c m排水板+ 1 5 0 k g ／ m 短丝土工 布。 ③齿墙齿槽 内土工布包裹碎石。 ④渠道底中心排水齿内粗砂垫层及其中透水软 管 。 ⑤渠道底 1 0 c m粗砂垫层及其连通 P VC~ b 2 5 c m 集水管的管 1：3 包裹土工布的 P V C西 l l c m连通管。 粗 砂垫 层 ， 用颗 粒 级配 良好 ， 质 地坚 硬 的粗砂 或 砾石 ， 不得含有树根、 杂草等有机杂质 ， 含泥量不得超过 第 1 2期 王跟前 ： 浅析南水北调总干渠叶县段 渠堤堤身 防渗排水设计 第 4 9卷 3 ％． 细度模数大 于 3 ． 1 ， 渗透系数不小 于 l x l 0 q m ／ s ， 经压实后的砂垫层相对密度不小于 0 ． 7 ， 表面平整误 差 不大 于 1 ( 3 1 1 1 。 短丝土工布 、 透水软管壁 、 1 0 e m粗砂垫层等都 有足够小 的空隙， 可 以防止土颗粒被冲人排水板孔 隙或透过碎石 、 粗砂孑 L 隙等而被 冲走 ； 孑 L 隙率大于 9 0 ％的排水板、透水软管、土工布包裹的碎石和 1 0 c m粗砂垫层等都有足够大的空隙， 能畅通地排出渗 透水流 ， 因此不致被颗粒淤塞而失效。 4 ． 2横 断面结构 外坡 排水 设计 堤身渗流的基本原则是防、 排结合 ， 排水和反滤 是其重要组成部分。渠道过水断面用 C 2 0混凝土衬 砌加 5 7 6 g ／ m2 双面复合土工模 防渗 ，万一有少量的 渗水 ， 就参 与地下渗流。挖方渠道没有外坡排水 ， 渗 流通过内坡排水管系统流出或保持水压平衡。填方 渠段堤身外坡排水 型式选用浆砌石+ 贴坡排水 ， 砌 石加反滤层直接铺设 在外坡坡脚至一定设计 高度 ( 高度小于 2 I n时按 2 m) ，反滤层为 1 5 c m厚粗砂 垫层 。 排水 的厚度按当地 的冰冻深度考虑 ， 一般为 3 O c m厚的 M7 ． 5浆砌片石护坡。浆砌石十 贴坡排水 中的 P V C排水管每隔 2 I n上下左右交错设置 ， 外包 1 5 0 g ／ m 土工布 。 排水的作用是控制和引导渗流， 降低浸润线 ， 加 速孑 L 隙水消散 ， 以增强堤身的稳定 ， 并保护外坡免遭 冻胀破坏。反滤层则是保护渗流出口，防止堤身和 堤基发生管涌、 流土等渗流变形的最直接、 最有效的 措施。采用浆砌石+ 贴坡排水好处是 ，排水结构简 单 ， 用料省， 施工方便 ， 易于检修， 可以有效防止堤坡 土发生渗流破坏。 5结 语 目前 ．南水北调中线一期工程叶县段渠道过水 断面 C 2 0混凝土衬砌 已接近尾声 ， 第 四标段 已全部 完成 。 根据施工过程中出现的地下水对施工的影响、 发生的问题、 集水和排水管中的地下水位升降、 释放 平衡情况 ，只要对地下水和地质条件勘测准确或施 工过程根据地下水的渗透状况及时合理地对排水系 统做设计调整变更 ， 保证施工质量， 地下水的排水系 统 效果 良好 。 参考文献： [ 1 ]林继镛． 水工建筑物[ M] ． 北京： 中国水利水电出版社。 2 0 0 9 ． [ 2 ]虎胆． 吐马白尔． 地下水利用[ M] ． 北京： 中国水利水电出 版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ]南水北调中线干线工程建设管理局． 南水北调中线一期 工程总干渠陶岔渠首至沙河南段工程叶县段招标文件 [ R] ． 北京： 南水北调中线干线工程建设管理局， 2 0 1 0 ． [ 4 ]长江勘测规划设计研究院有限责任公司．南水北调中线 一 期工程陶岔渠首至沙河南总干渠叶县段输水渠道典 型横断面结构布置图[ z ] ． 武汉 ： 长江勘测规划设计研究 院有限责任公司， 2 0 1 1 ． ( 上接第 1 9页) 最大坡降随着顶面约束条件的增加 而增加 ， 且垫层料厚度越大增加越明显。作者认为 ， 研制大流量高水头且能够对试样施加应力应变边界 条件的渗透仪进行垫层料破坏坡降研究是高面板坝 垫层料渗透特性主要研究方向之一。 ( 3 )垫层料破坏坡 降或实测最大坡 降受试样 厚度影响较大 ， 破坏坡降或实测最 大坡降随厚度的 增加而增加 ， 当厚 度超过 4 2 c m后 ， 破坏坡 降或实 测 最大坡降增 加明显 。笔者认 为 ， 出于对工程安 全 的考虑 ，室内测定垫层料破坏坡降的渗透变形 试验和反滤试验 。 试样( 被保护料) 的高径比不宜超 过 1 ． 5 。 参考文献 ： [ 1 ]水布垭面板堆石坝前期关键技术研究编写委员会． 水布 垭面板堆石坝前期关键技术研究[ M] ． 北京： 中国水利水 电出版社， 2 0 0 5 ． E 2 ]D L ／ T 5 3 5 6 — 2 0 0 6 ， 水电水利工程粗粒土试验规程[ s ] ． [ 3 ]马凌云， 李春林， 李巍尉， 等． 粗粒土渗透特性试验系统的 改进． 西北水电， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 3 ) ： 5 1 — 5 5 ． [ 4 ]S L 2 3 7 — 1 9 9 9 ， 土工试验规程[ s ] ． [ 5 ]张丙印， 李娜， 李全明， 等． 土石坝水力破裂发生机理及 模型试验研究[ J ] ． 岩土工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 1 1 ) ： 1 2 7 7 — 1 2 8 1 ． [ 6 ]张建卫， 蔡正银， 肖 雪宏． 大型数控高压渗透试验仪的研 制[ J ] ． 水利与建筑工程学报， 2 0 1 0 ， 8 ( 4 ) ： 9 2 — 9 5 ． 4 9