水利工程渠道衬砌施工技术探讨.pdf

城建与规划136城市情报 2023 年 5 月第 10 期 CityInformationIssue10May2023水利工程渠道衬砌施工技术探讨齐心悦北京市京密引水管理处101400【摘要】通过后续在渠道工程建设过程中，对新装置和新型工艺的使用，验证了该工艺具有可靠性，施工方便、快捷，适用于多种复杂地形的施工，发挥了显著的经济效益和生态效益。渠道衬砌是水利工程中的一项关键施工技术，在保障通水安全、延长工程使用寿命、防渗截渗方面发挥着积极作用，施工质量直接影响渠道的输水能力。为推动渠道衬砌施工的规范化、标准化发展，技术人员必须掌握渠道衬砌施工工艺流程与操作要点，最大程度消除外部因素对渠道衬砌质量造成的干扰，使渠道衬砌结构发挥出应有的功能作用。【关键词】水利工程；渠道衬砌；铺设【中图分类号】TV553.【文献标识码】A1 工艺流程及要点1.1 场基处理在正式施工前，组织开展现场地质勘察工作，掌握工程现场的水文地质条件，了解地质结构，检查是否存在软土地基等不良地质问题，对现场基础结构进行预先性处理，如采取换填法、排水固结法、强夯法等技术来处理软土地基，避免在水利工程使用期间出现地基不均匀沉降、渠道衬砌结构断裂变形等质量问题。随后，清除场地中的地面植被与分布的障碍物，将植被清理范围设定为包含主体施工区与最大开挖线向外延伸 5m 处，对场地进行平整压实处理，确保基础结构的平整度与密实度达到施工标准，为后续渠道衬砌施工营造良好环境。在场基处理完毕后，使用挖掘机等设备，对渠道开展粗削坡作业，采取反铲方式，从下至上从渠道底部至坡顶依次摊铺砂砾料，使用平板振动夯设备对砂砾垫层进行夯实处理，在坡脚、坡面、坡肩等部位设置一定数量的控制桩，用于分割渠坡。1.2 铺设保温板考虑到在混凝土浇筑与凝结硬化期间会释放大量的水化热，致使混凝土砌块内外形成温度阶梯与产生横向拉应力，容易在衬砌结构中形成裂缝，进而影响到衬砌结构的防渗效果。因此，为预防这一问题的出现，在渠道削坡结束与混凝土衬砌施工前，必须在渠道结构中铺设保温板，将保温板与坡面保持紧密贴合状态，起到控制混凝土内外温差的作用。在保温板铺设环节，提前对渠道基层进行整平处理，压实凸起部位，使用粗砂等材料将基层凹陷部位填平。随后，按顺序均匀铺设保温板，使用长度为 10cm 的竹纤将保温板固定连接。1.3 铺设复合土工膜在安装模板前，在渠道进出口部位铺设复合土工膜材料，提前对基础面处理情况进行检查验收，清理基础面上分布的杂物与灰尘积水，对铺设面进行整平处理。随后，对土工膜进行搭接处理，将搭接长度保持在 10cm 以上，将相邻两幅土工膜的横缝错开宽度设定在 0.5m 内，尽可量在渠道内铺设大尺寸土工膜，以此来控制接缝数量，改善防水效果。最后，对所铺设复合土工膜进行焊接连接，可采取热熔焊法进行双缝焊接处理，提前清理粘接面上附着的灰尘杂质，同步开展土工膜铺设与压实作业，避免铺设质量受到风力等自然因素影响。1.4 模板施工首先，在模板安装环节，根据工程现场情况与工艺技术要求，合理选择模板类型，如定型钢模板、组合式钢模板、铝模板、木模板等，其中，木模板适用于不具备钢模拼装条件的复杂结构部位。随后，在渠坡衬砌施工期间，提前设置面板横缝位置线、底面线与顶面线，依次安装侧模板与端头模板，在模板内加焊钢筋，在模板背面焊接长度在 0.5m 左右的长钢筋起到固定作用。而在渠底衬砌施工期间，可选择使用 14 号槽钢作为模板板材，在模板底部加焊钢筋，在背面压设一定数量与重量的砂袋进行固定，在横纵通缝部位逐仓浇筑混凝土。最后，对模板安装质量进行检查，测量模板位置、垂直度、平整度是否达标，清除模板内部积水与附着的灰尘污渍，在壁面均匀涂刷脱模剂。其次，在混凝土施工完毕后，定期对混凝土试块强度进行检测，在确定试块强度达标后，即可拆除模板，明确拆模顺序，禁止出现野蛮拆模行为，清理模板表面残留砂浆，将模板与配件分类堆置，留待后用。1.5 混凝土衬砌施工在混凝土衬砌施工环节，首先，根据现场情况与工期要求，选择采取机械衬砌方式或是人工衬砌方式。其中，机械衬砌是使用衬砌机与布料机等设备，提前对衬砌机的高程与架坡比进行调整，通过作者简介：齐心悦，北京市京密引水管理处，研究方向：水利工程施工。城建与规划137城市情报 2023 年 5 月第 10 期 CityInformationIssue10May2023进料口持续在渠道衬砌面均匀摊铺混凝土，开展混凝土振捣作业，使用振动成型机以此进行提浆、整平、压实操作。而人工衬砌则是通过滑模浇筑混凝土，设置硫槽装置，通过溜槽将混凝土浇筑至仓内，待混凝土面达到设计标高后，拆除多余溜槽，使用振动器沿坡插入开展振捣作业。其次，待混凝土浇筑完毕后，开展振捣作业，严格控制振捣顺序、各振点留振时间、振捣力度，待混凝土表面无气泡持续冒出后，结束振捣作业。再次，对混凝土表面进行压面修正处理，依次开展粗抹与精抹作业，在渠道半缝部位切缝，在缝内设置闭孔塑料板与填充聚硫密封胶。最后，开展养护作业，在混凝土表面覆盖塑料薄膜，定期在表面淋洒水分或喷涂养护液，对混凝土内外温度进行测量，必要时采取温控措施，将温差控制在 25内。2 衬砌温度及温度徐变应力分布规律顶拱二衬中心点处温度与底板二衬中心点处温度量值及规律相近。二衬后混凝土一般经历了水化热温升带来的短暂压应力增长、温降初期的压应力减小、温降中后期的拉应力产生及增长直至趋于平稳的发展过程。运行初期，衬砌混凝土应力主要受通水水温影响，随着混凝土温度达到水温温度，衬砌内拉应力趋于平稳并缓慢降低。计算并比较不同浇筑温度、不同通水水温、不同自生体积变形的温度应力。计算结果显示，通水水温为 5时，底板中心应力达到 2.5MPa，通水温度每升高 5，应力约减小 1.0MPa，可见通水水温对温度应力影响显著。计算结果显示，外掺 3%氧化镁膨胀抗裂剂混凝土拉应力比未掺加的减小约 1.0MPa，氧化镁膨胀抗裂剂补偿温度应力效果明显，自生体积变形对温度应力影响显著。顶拱二衬混凝土中心点温度徐变应力与底板二衬混凝土中心点处温度徐变应力量值及规律相近。综上，浇筑温度对温度应力影响差别不大，施工期的水化热温升与内表温差、自生体积变形及通水水温对隧洞衬砌应力影响较大。3 裂缝原因分析施工期水化热温升及内表温差对温度徐变应力影响上述隧洞混凝土衬砌有限元温度徐变应力仿真计算结果显示，施工期最高温度 35，洞内环境温度 14，内表温差 21，施工初期二次衬砌后 24h 混凝土温升阶段由于时间短，混凝土弹模低，积累的压应力很小，甚至可以忽略不计。7d内混凝土温度降至接近环境温度，温度徐变应力达到 1.5MPa 以上。最高温度、降温幅度、内表温差，加之围岩的约束，使得降温过程累积了较大拉应力，水化热温升及内表温差起了决定性作用。小浪底导流洞衬砌采用 C70 混凝土，底板厚度为 2.5m，边顶拱厚度为 2.0m，浇筑完工后出现了一些不同程度的裂缝。底板混凝土的最高温度达到 53.5，最大温差 34.7。边顶拱混凝土的最高温度达到50.7，最大温差 29.1。浇筑后，11，100d 底板拉应力分别达到 3.4，4.7MPa。分析认为，由于C70 高强度混凝土水化热温升过高，衬砌厚度较厚，较大的温差及拆模后表面温降速度很快，底板受到较大基础约束，是产生较大拉应力的主要原因之一。混凝土水化热温升及内表温差是施工期隧洞衬砌混凝土产生拉应力和裂缝的主要原因之一。较高的混凝土强度指标需要较高的水泥掺量、较厚的衬砌厚度，这些均可引起较高的水化热温升。自生体积收缩变形的影响混凝土依靠胶凝材料自身水化引起的体积变形，称之为自生体积变形。普通水泥混凝土的自生体积变形大多为收缩，少数为膨胀，混凝土的自生体积变形较大时，相当于温度变化数十度引起的变形，说明混凝土自生体积变形对其抗裂性能有着不容忽视的影响。上述隧洞仿真计算，在相同的施工计算方案下，采用未掺加膨胀抗裂剂素混凝土衬砌，后期边顶拱衬砌的最大拉应力值是 3.1MPa；而掺加氧化镁膨胀抗裂剂混凝土衬砌，边顶拱的最大拉应力值是 2.2MPa，混凝土衬砌所受的拉应力值约降低了 0.8MPa，说明自生体积变形对衬砌应力有较大影响。掺加氧化镁补偿由温降收缩变形引起的拉应力效果明显。通水水温的影响上述隧洞仿真计算，通水水温分别取 5，10，15，整个仿真计算方案的持续时间为 365d。计算结果显示，通水水温为 5时，底板中心应力达到 3.5MPa，通水温度每升高 5，应力约减小1.0MPa,可见通水水温对运行期温度应力影响显著。干缩变形的影响混凝土表面水分损失较快，内部水分散失慢，变形较大的表面受到内部的约束而产生较大的表面拉应力，如锦屏 2 级水电站 1 号引水隧洞、小孤山隧洞均有类似情况发生。开挖断面不合理开挖岩面起伏差大容易引起岩石约束应力集中，如锦屏 2 级水电站 1 号引水隧洞，由于衬砌部位的混凝土厚薄不均，散热速度不均，温差不均，加剧了应力集中，在薄厚结合部位容易产生裂缝，采用钻爆法开挖洞段衬砌裂缝数量多于采用 TBM 开挖洞段。超挖量过大引起温度高，应力大，如永宁河4 级电站引水隧洞，实际开挖断面均有 50 80cm不等的超挖，实际衬砌厚度为 80 110cm，远远超出设计的 30cm 厚混凝土，造成水化热过高，混凝土内部温度应力过大，产生较大的伸缩变形将混凝土拉裂。富水段引起的渗水裂缝混凝土在浇筑初城建与规划138城市情报 2023 年 5 月第 10 期 CityInformationIssue10May2023期，富水段内水水压过大超过混凝土初期强度，容易导致薄弱部位产生裂缝。如锦屏 2 级水电站 1 号引水隧洞，富水洞段虽然进行了引排和封堵，但仍然有散水点存在，浇筑时散水仍可能造成渗水通道，产生薄弱环节，在混凝土温度下降收缩时，渗水点处容易产生裂缝。如恩施洞坪水电站水工隧洞混凝土衬砌，边顶拱水平施工缝开仓前和开仓后有少量积水，冲毛或凿毛后细小渣子难以彻底清除，砂浆摊铺不全面，形成水平施工缝薄弱环节，外水压力迅速增加，导致边顶拱水平施工缝渗水。衬砌分段过长导致混凝土表面产生裂缝水工输水隧洞衬砌横缝间距一般为 8 12m，分缝间距越大，围岩约束应力越大，衬砌越容易产生裂缝。施工原因产生的裂缝包括混凝土拌合、支模、振捣、养护、回填灌浆及固结灌浆各个环节的施工质量，对裂缝的产生均有一定的作用。如锦屏2级水电站1号引水隧洞、小浪底导流洞、东江水源工程 6 号隧洞等衬砌裂缝均与施工质量有直接关系。4 裂缝预防措施降低水化热温升减小内表温差优先选择发热量低的水泥，优化混凝土配合比，尽可能减少水泥用量。混凝土强度指标以满足结构强度及耐久性要求即可，避免人为提高衬砌混凝土强度指标。衬砌厚度较厚时，采取分层施工方案。受外界气温影响大的短洞或洞口部位，加强衬砌混凝土表面保温，减小内表温差，减小温度应力。掺加氧化镁膨胀抗裂剂补偿温度应力采用内含 4%5%氧化镁的中热硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥配制的混凝土，可外掺 2%3%氧化镁。具有不同氧化镁含量的水泥，其合适的氧化镁掺量需要通过水泥安定性压蒸试验确定；外掺氧化镁混凝土的自生体积变形需通过实验确定；外掺氧化镁对隧洞衬砌混凝土温度应力的补偿作用效果需通过有限元温度徐变应力仿真计算确定。掺加纤维提高混凝土抗裂能力为提高混凝土抗裂能力，可适当掺加聚丙烯纤维。如猴山混凝土坝 C30W6F200 混凝土采用掺加聚丙烯纤维提高混凝土抗裂能力，掺量为 1kg/m3，28，90d 极限拉伸值由 82.710-6，115.910-6 提高到 96.610-6，151.310-6，换算为抗拉强度，可分别提高 0.48，0.62MPa4）控制通水水温由于运行期通水水温对隧洞混凝土衬砌应力影响较大，应避免通水水温过低，尽可能采取分层取水措施。保持衬砌混凝土表面湿润应做好衬砌混凝土表面保湿养生，减小表面干缩应力。可以在混凝土表面喷涂养护剂，在混凝土表面形成一层保护膜封闭混凝土表面，减少水分的散失，减少干缩裂缝。严格控制开挖岩面起伏差及超挖采取有效措施严格控制岩石超挖量。如发现超挖40cm 以上，应先回填混凝土，待其收缩后，再浇二衬混凝土。富水段隧洞应做好引流排水采用“先引导、后排水”的方法，在未进行二衬混凝土浇筑时，预先设置导水孔，创造导排外水减压的条件。在二次浇筑混凝土后，使无规的渗漏水通过引导水管变为有规的卸压排水导流，使二衬混凝土有足够的强度增长时间，确保混凝土的质量，最后通过注浆封闭导水孔达到止渗的目的，避免渗水引起裂缝。按照围岩条件合理选择衬砌分段长度水工隧洞混凝土衬砌设计分段长度一般为 8 12m，按照围岩类别及应力分析结果合理选择分段长度。当围岩完整、坚硬、弹模高，对衬砌混凝土约束大时，段长取小值，反之，段长可取大值。加强施工质量严格控制混凝土原材料、拌合、支模、振捣、养护、回填灌浆及固结灌浆各个环节施工质量。综上所述，水利渠道维护和管理是一项系统工程。地方政府要依照国家相关标准，构建完善的管理体系和执行机制，在管理层面实现科学化、系统化，利用各种宣传和培训活动，加强维护和管理意识教育，提升政府部门和群众的维护意识，同时利用各种融资渠道，加大资金投入力度，为群众提供各种贷款服务，从而为水利灌溉渠道的科学维护和高效管理提供有力的支持。参考文献1 侯永朋,陈雷.南水北调中线邢台段渠道机械化衬砌施工工艺探析 J.人民长江,2021(S2):236-239.2 罗毅.创新工艺在特长输水隧洞衬砌施工中的运用 J.东北水利水电,2019(3):34-37.3 陈伟.现浇混凝土防渗渠道衬砌施工工艺及施工效果J.中国水运（下半月),2016(1):206-207.4 李德.保温板施工缺陷对寒区渠道衬砌结构抗冻胀性能影响 J.水利技术监督,2022(1):238-240.5 蔡峰.北疆某寒冷灌区 U 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