膜袋混凝土在内蒙古黄河灌区干渠防渗衬砌的应用研究.pdf

膜袋混凝土在内蒙古黄河灌区干渠防渗衬砌 的应用研究 郝林等 8 9 【 技 术应 用 】 膜袋 混凝 土在 内蒙古黄河灌 区干渠 防渗 衬砌 的应用研究 郝林， 卜共华， 樊忠成 ( 内蒙古 自治区水利水电勘测设计院， 内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 2 0 ) ( 摘要 文章针对北方地区大中型地表水灌 区渠道 防渗衬砌 中存在 的问题 ， 采用膜袋混凝土材 料 ， 对渠道结构形式进一步优化和改进。实践应用显示 ： 整体工程上改变了预制混凝土衬砌存在的施 工进度慢、 防渗膜施工过程易破坏 、 预制和衬砌质量不易控制等难题。同时， 投资可降低 ， 但投 资降低 比例较 小。总体优势是施工进度加快 ， 混凝土防护层质量提 高， 防冻胀破坏能力提 高。 关键词 内蒙古黄河灌区； 渠道 防渗 ； 膜袋混凝土； 应用 中图分 类号 ： S 1 5 7 3 文章 标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 9 0 0 8 8 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 8 9 0 2 北方地 区大中型地表水灌 区的节水 改造 工程措 施 ， 主要是对渠道进行 防渗衬砌 ， 其 目的是减少渠道输 水损失 ， 提高各级渠道水 的利用系数。渠道防渗衬砌 材料与结构型式 ， 通常选用全 断面聚乙烯塑料薄膜防 渗层 +聚苯 乙烯防冻胀保温层 +预制混凝土板砌筑保 护层。这种三层结构型式 ， 在已建成工程 中存在主要 问题是 ， 原材料及施工质量难控制 ， 建成后反修率高 ， 维修费用增加。为此 ， 在 内蒙古黄河灌 区干流水权试 点项 目中的一干渠( 长度 4 4 6 7 1 k m) 、 建设一分干渠 ( 长度 1 5 0 7 k m) 及建设二分干渠( 长度 3 2 0 9 k m) 防 渗材料与结构型式进行 了改进 ， 对渠道 防渗结构进行 了进一步优化 ， 使膜袋混凝土在原结构型式上 ， 更加稳 定安全 、 更加经济适用。 1 渠道防渗衬砌结构 1 1 常规衬砌结构特点及质量要求 渠道防渗衬砌是在土质渠道断面上设置防渗衬砌 层 ， 主要 目的是减少渠 道渗漏损失 ， 提高渠道 输水效 率 。北方地区大中型地表水灌区的渠道防渗衬砌结构 型式 ， 通常选用全断面聚 乙烯塑料薄膜 防渗层 +聚苯 乙烯防冻胀保温层 +预制混凝土板砌筑保护层 。 三层结构材料 中， 塑料薄膜的作用是防止渗漏 ， 对 材质有两个基本要求 ， 一是应具有一定的抗拉伸 、 抗刺 破强度 ， 防止在铺设过程中被破坏 ； 二是埋置在土壤环 境中具有抗老化能力， 在设计使用寿命期内可保持渠 道 的渗漏损失控制在允许范围； 聚苯乙烯保 温层 的主 要作用是保温 ， 防止土质渠床冻胀对保护层的破坏 ， 对 材质的基本要求是 ， 在设计使用寿命期维持可持续 的 保温 l生能 ； 混凝土板砌筑层的主要作用是保护塑料薄 膜 ， 维持渠坡稳定 ， 减小糙率 ， 提高输水能力 ， 对混凝土 板砌筑层的基本 质量要求是 ， 稳定性好 ， 抗变形 能力 强 ， 具有一定 的抗冻胀 、 抗变形 、 抗 渗漏 、 抗冲刷 、 抗风 蚀能力 。 1 2 常规衬砌结构需要解决的主要问题 防渗层 ： 从价格 、 防渗效果 、 使用年限以及对环境 的适应性等因素考虑 ， 采用厚度 0 3 m墨色聚乙烯薄 膜 比较适宜。其产品质量稳 定 ， 且施工现场易检查产 品质量 。需要解决的主要 问题是 ， 铺设过程极易破坏 ， 拼接质量难控制 ， 防渗效果难 以保证 。 保温层 ： 聚苯乙烯保温层使用 中存在 的主要 问题 是 ， 材料价格高 ， 材料质量不稳定 ， 而且现场不易检查 产品质量 ， 保温效果难以保证。 保护层 ： 通常保护层采用预制混凝土板砌筑 ， 存在 的主要 问题 ： 一是预制块搬运过程中易损坏 ； 二是渠坡 保护层 由多块砌筑而成 ， 整体性较差 ， 当单块板不稳定 时 ， 整坡的保护层易亦失稳 ； 三是砌筑工序和砌筑砂浆 质量不易控制 ， 总体上工程整体质量难以保证 ； 四是保 护层投资大约占整个防渗衬砌投 资的 9 0 以上 ， 直接 影响整个工程 的投资 ， 从降低投资考虑 ， 需要进行不同 材料和结构型式的进一步优化设计 。 针对常规防渗衬砌型式存在 的问题 ， 在保证防渗 效果前提下 ， 需要通过改进整体设计方案 ， 解决或者规 避影响工程质量的主要 因素 ， 通过研究改变防护层 的 材料和结构型式 ， 降低渠道 防渗衬砌工程投资。 2 利用膜袋 混凝土实施渠道 防渗衬砌 膜袋混凝 土是 以机织膜袋作 为“ 模板 ” 现场浇筑 内 蒙 古 水 利 2 0 1 4年第 5期 ( 总第 1 5 3期) 成型的形式 ， 膜袋也称为“ 软体模板 ” 。膜袋混凝土在 现场采用泵送混凝 土充填 ， 一次成型。其最大优点是 施工速度快 ， 质量易控制 ， 可在水上或水下直接浇筑。 2 1 膜袋混凝土结构设计 2 1 1 膜袋形式及填充料选择 结合 已建工程， 参照 水利水 电工程土工合成 材 料应用技术规范 “ 土工膜袋基本型式” ， 渠道防渗衬 砌膜袋混凝 土 ， 选 择为机 织有排 水点 P E型 膜袋 ， 同 时 ， 在膜袋下层内侧设 塑料膜 ， 使膜袋上层可排水 ， 下 层能防渗的渠道防渗专用膜袋。填充料选择为二级配 混凝土( 粗粒料粒径 D2 O m m) 。 2 1 2结构 尺寸 ( 1 ) 膜袋混凝土厚度 ： 膜袋混凝 土厚度 主要 是 由 工程运行 中所遇到的不 同边界条件 的受力因素确定 。 设计 中主要从三方面条件考虑。一是在有波浪水体的 抗漂浮需要考虑 ； 二是在有冰冻水体 的抗水体冻胀需 要考虑 ； 三是从构造要求考虑。 本工程运行中保护层的边界条件是 ， 渠道水面较 窄 ， 波浪的高度与长度小 ， 渠道在非冰冻期输水 ， 冰冻 期渠道内一般无水 。因此 ， 抗漂浮于抗水体冻胀不是 主要因素。工程存在冻土层 ， 冬季 土质渠堤有冻胀破 坏存在。同时， 混凝土本身亦存在冻 、 融循环破坏 。据 此 ， 结构上考虑膜袋混凝土厚度不宜小于 1 0 c m， 本工 程参考已建工程实例， 选择膜袋混凝土厚度为 1 2 c m。 ( 2 ) 顶部和底脚结构 ： 顶部和底脚结构主要是 防 止坡面雨水冲蚀和渠道水流对底脚 的冲刷冲蚀 ， 导致 破坏 。同时底部与底脚的结构设置 ， 可作为膜袋的抗 滑措施 ， 以增强抗滑能力 。 顶部 ： 边角后设置水平段 ， 长度 l s= 0 4 6 m， 后设 一 沟槽 ， 膜袋形成堤顶水平段 、 入沟斜坡段和沟底水平 段三段。在沟底水平段设 固定栓锚 固， 后将沟槽 回填 形成顶部锚 固形式。 底脚 ： 在渠坡脚向渠 中心设水平段 L 3=1 5 m， 后 设渠底沟槽 ， 沟深 0 6 m， 边坡 1 ：1 ， 膜袋沿沟槽坡 面 埋入沟槽内。结构详见图 1 。 l d 图 1 结构 2 2 抗滑稳定校核 在上述结构下 ， 依据 水利水 电工程土 工合成材 料应用技术规范 S L T 2 2 5 9 8第 6 4 4条进行膜袋稳 定分析。计算结果显示 ： 在膜袋与土渠边坡摩擦系数 f c s = 0 5 ， 水平段 L 3=1 5 m， 不计人渠堤顶水平段 、 入 沟斜坡段和沟底水平段三段抗 滑力条件下 ， 一干渠边 坡为 m=2 0时 ， 抗滑安全系数 K c s =1 2 6 ， 满足规范 要求 ； 建设一分干渠边坡为 m=1 7时 ， 抗滑安全系数 K c s =1 1 51 2 7 ， 满足规范要求 ； 建设二分干渠边坡 为为 m=1 7 5时 ， 抗滑安全系数 K c s =1 1 51 2 1 ， 满 足规范要求。 2 3 膜袋混凝土配合比 膜袋混凝土宜采 用 C 2 0细石混凝 土， 配合 比为 ： 砂：碎石：水 =1 ：2 ：2 ：0 6 。水泥选用 4 2 5 普 通 硅酸盐水泥 ， 估算水泥用量 3 1 0 3 5 0 k m m ， 砂为 中 砂 ， 碎石粒径为 1 01 5 m m， 拌合 料塌落度控制在 2 2 c m左右 。 2 4投资分析 分别对一千渠 ( 4 4 6 7 1 k m) 、 建设一 分干 ( 1 5 7 k m) 、 建设 二分干 ( 3 2 0 9 k m) 采 用预制 混凝土 护坡 ( 0 3 m m塑料薄膜防渗 、 0 3 m土 + 0 3 m砾石护底 、 8 c m C 2 0预制混凝土板护坡 ) 与膜袋混凝土护坡 ( 0 3 m m塑料薄膜 、 0 3 m 土 +0 3 m砾石护底 、 1 2 c m C 2 0 细石膜贷混凝 土护坡 ) 全 断面工程造价进行对 比， 见 表 1 。 表 1 预制混凝土与膜贷混凝金断面工 程造 价比较 预制混凝 土护坡造 价( 万元 ) 耋 _03 合 计 膜肪渗 石护底土板护 坡 膜袋混凝土护坡造价( 万元) 膜贷造 0 3 m + 1 2 减 合 计 c ， 一 千榘 1 0 5 3 5 6 0 0 8 4 2 6 l 5 0 8 0 1 0 5 3 5 1 1 7 8 8 2 0 1 4 9 9 0 8 9 一 分 干 1 8 7 5 8 9 2 3 3 9 3 1 1 5 l 8 7 4 0 4 2 4 3 2 3 o 2 3 9 2 二分 干 3 6 7 9 7 7 4 7 7 5 61 1 8 3 6 7 5 9 9 5 1 0 2 6 0 6 8 5 1 3 结 论 通过对内蒙古黄河灌 区干流水权试点项 目中的一 干渠 ( 长度 4 4 6 7 1 k m) 、 建设一分 干渠 ( 长度 1 5 O 7 k m) 及建设二分干渠 ( 长度 3 2 0 9 k m) 的应用显示 ： 在 防渗效果相同情况下 ， 膜袋混凝 土从整体工程上改变 了预制混凝土衬砌存在的施工进度慢 、 防渗膜施工过 程易破坏 、 预制和衬砌质量不易控制等难题。同时 ， 投 资可降低 ， 但投资降低 比例较小。总体优势是施工进 度加快 ， 混凝土 防护层质量提 高， 防冻胀破 坏能力提 高。 ( 编校 ： 王宇霞) 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 8 3 0 作者简介： 郝林， 主要从事水利工程设计工作。