混凝土U形渠在北方地区的应用.pdf

2 0 1 4年第 1 1 期 ( 第 4 2卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 2 0l 4 ( T o t a l N o 4 2 ) 文章编号 ： 1 0 0 77 5 9 6 ( 2 0 1 4 ) 1 1 0 0 5 8 0 3 混凝土 U形渠在 北方地 区的应用 张素仁 ( 忻州市水利勘测设计院 ， 山西 忻州 0 3 4 0 0 0 ) 摘要： 混凝土 u形渠道以造价低、 进度快、 过流能力大 、 沿程水头损失小 、 防渗效果好等特点 被迅速推广应用。在中国北方地区由于冬季气温较低， 在 u形渠出现初期使用较少， 但是随着 u形渠工艺、 技术的不断改进 ， 经过大量实践后也迅速的被广泛使用。 关键词： 混凝土 u形渠； 设计要点； 施工工艺 ； 北方地区； 推广应用 中图分类号： T V 5 4 4 文献标识码 ： B App l i c a t i o n o f Co n c r e t e U S ha p e d Ca n a l i n No r t h Ar e a Z HANG S u r e n ( S h a n x i P r o v i n c e X i n z h o u C i t y Wa t e r C o n s e rva n c y I n v e s t i g a t i o n a n d D e s i g n I n s t i t u t e ， X i n z h o u 0 3 4 0 0 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t： Co n c r e t e U s h a p e d c h a n n e l wi t h t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f l o w c o s t ， f a s t p r o g r e s s ， b i g d i s c h a r g e a b i l i t y ， s ma l l f ri c t i o n a l h e a d l o s s a n d g o o d a n t i s e e p a g e e f f e c t e t c wa s r a p i d p o p u l a ri z e d a n d a p p l i e d r a p i d l Y I n Ch i n e s e n o r t h a r e a d u e t o t h e l o w wi nt e r t e mp e r a t u r e s ， t h e U s h a p e d c a n a l r wa s n o t u s e d wi d e l y a t t h e e a r l i e r s t a g e o f i t s b e i n g c r e a t e d ， wi t h t h e c o n t i n u o u s i mp r o v e me n t o n i t s t e c h n o l o g y， i t wa s wi d e l y u s e d t h r o u g h p r a c t i c e Ke y wo r ds： c o n c r e t e U s h a pe d c a n a l ； d e s i g n； c o n s t r u c t i o n t e c hn o l o gy ； n o r t h a r e a； a p p l i c a t i o n 0 前言 1 混凝土 U形渠结构 形式和性 能 随着中央对农村水利建设的重视， 由中央牵头 、 地方配套逐步对全国大中型灌区进行 了续建配套节 水改造。经过 2 O多年 的渠系续建节水改造 ， 到 目前 为止 ， 大中型灌 区干渠、 支渠 已基本建设完毕 ， 现阶 段灌区末级渠 系建设 已全面展开 ， 在 已建设 的渠 道 防渗结构形式 中， 混凝土 u形 渠道 以造价 低、 进 度 快、 过流能力大、 沿程水头损失小、 防渗效果好等特 点被迅速推广应用。在我国北方地 区由于冬季气温 较低 ， 在 u形渠出现初期使用较少 ， 但是随着 u形渠 工艺、 技术的不断改进， 经过大量实践后也迅速的被 广泛使用 。 U形渠断 面渠道采用底部为半 圆或 弧形 ， 上部 为一定倾角直线段 的断面形式 ， 断面符合水流 的 自 然特性 ， 近似最佳水利断面 ， 与常见 的梯形断面渠道 相比， 具有流速分 布均匀 ， 近似最佳水利断面 ， 流速 较快 ， 且渠底有一定 的反拱作 用， 整体性好 ， 能适应 寒冷地区地基不均匀冻胀变位 ， 可 以减轻冻害 减少 裂缝和错台现象。下面通过试验数据对 比， 可明显 的看 出， 混凝土 U形渠在防渗方面的优势 。 山西省翼城县利 民灌区 ， 采用静水法对 各种防 渗渠道测试的结果见表 1 ， 1 9 8 4年用静水法对山西 省祁县晓义井片灌区各种不 同形式渠道测试结果见 表 2 。 收稿日期 2 0 1 4 0 6 0 6 作者简介 张素仁( 1 9 7 9一) ， 男， 山西忻州人 ， 工程师， 从 事水利设计工作。 一 5 8 张素仁 ： 混凝土 U形渠在北方地区的应用 第 1 1 期 2 混凝土 U形渠主要适用范围 由于 u型渠通常埋深都 比较浅， 一般在冻土深 度 以上， 在北方冬季必然产生冻胀压力 ， 混凝土 U型 渠为素混凝土 ， 经过几年冻融变化后 ， 局部会 产生拉 应力和剪力 ， 根据混凝 土的属性 ， 它 的抗拉 、 抗剪较 弱， 断面大的相应冻胀力、 拉应力越大， 越宜破坏， 且 大断面 U型渠 的施工很难控制工程质量 ， 所 以北方 地区适用于小断面 u形渠 。 经过多年 实践 ， 一般 u形渠半径 1 1 m， 以半 径 r 为 3 O 6 0 c m为最佳 ， 混凝土厚度在 41 0 e m。 U形渠半径 r 超过6 0 c m， 采取平底 U形断面或加大 宽度 u形 断 面， 相对 效果 要好 ， 但 开 口宽度 3 m 为宜 。 表 1 静水法测试利民灌区各种防渗渠道的渗漏强度 表2 静水法对晓义井片灌区各种不同形式渠道测试结果 3 北方地 区混凝 土 U形渠常见的 问题 通过对运行多年的 U形渠观测 ， 发现 的 U形渠 常出现问题的主要集中为 ： 1 ) U型渠多出现底部裂缝 ， 在 冬季时明显看 到 渠两边向中间弯曲 ， 第二年春天又恢复原状。 2 ) 渠道多在圆弧与直线交界处断裂。 3 ) 渠道底部表面出现麻面 ， 表层破坏 。 4 ) 预制 u形块砂浆脱落 ， 整块脱离渠道。 4 针对北方地区 U形渠道问题的设计要点 4 1 防止 u型渠底部裂缝的设计 据 山西省 1 5形渠道防渗技术应用与发展 一文 中介绍 ， u形渠道裂缝 的产生是必然 的， 留与不留伸 缩缝的 u形渠道 ， 都要产生横 向裂缝 ， 产生横 向裂缝 的原 因除温度应力的作用外 ， 还有可能与 土壤 失水 后含水量减少产生 干缩造成 。既然裂缝不可避免 ， 设计 中就应该 在容 易出现裂缝 的增加 伸缩缝 的布 置 ， 必要时可在横缝 的基础上加设纵缝。U形渠应 2 4 I n 设置一道伸缩缝 ， 缝 内填沥青砂浆 ， 在宜裂缝 地段伸缩缝可为1 m一道 ， 但 最小 0 5 m。除了增 设伸缩缝根据不 同情况还应对 u形渠道进行 加 固 设计。 4 2 防止渠道 多在 圆弧 与直线交界处断裂 的设计 要点 对于圆弧与直线段交界处得断裂 主要是直线段 承受压力太大造成的， 设计时应采用宽浅式渠道 ， 加 大圆弧半径， 过流能力不变的情况下缩短直线段距 离 ， 达到减小直线段 的土压力 和冻胀压力。另一种 方法就是加大直线段的倾角 ， 降低荷载水平压力 。 4 3 防止渠道底部表层破坏的设计要点 渠道底部表层破坏如不 考虑施 工质量问题 ， 从 设计方面分析主要原因纵坡过陡， 水流冲刷造成 渠底破坏， 纵坡过缓， 余水排不出去， 经过长期侵 蚀 、 冻融发生底部表层破坏 ， 这种情况在北方为主要 原 因 。 第一种情况设计方 案主要是调缓纵坡 ， 增设跌 水 ， 使水流平顺 ， 不冲不淤； 第二种情况 ， 由于地形限 制无法 调 整 的， 需 增 设 退 水 口， 将 渠 道 低 处 积 水 排 出E 3 。 4 4 防止预制 u形块砂浆脱落的设计要点 预制块砂浆脱落主要是砂浆标号不够 ， 或冬季 施工未采取保护措施 ， 设计 中应提高砂浆标号 ， 冬季 施工需采取保 温措施 ， 砂浆 拌合 中添加 速凝剂 ， 抗 冻剂。 4 5 U形渠道 的加 固设计 在土质比较差的北方地区要对 u形渠道进行加 固设计 ， 主要方法有铺设垫层 、 加设肋梁 、 铺设 土工 布等措施。 铺设垫层是对地基 的加固 ， 增加地基承载力 ， 防 止地基不均匀沉降破坏 ； 加设肋梁是加强 U形 渠 自 身强度 ； 铺设土工布 ， 加 强防渗 ， 防止冬季发生 渗透 冻胀破坏 。 图 1 为 u形渠加设肋拱渠道断面图， 图2为 U 一 5 9 2 0 1 4年第 1 1 期 ( 第 4 2卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 1 1 2 01 4 ( T o t a l N o 4 2 ) 形渠加设垫层断面图。 图 1 U形渠加肋梁横断面、 侧视图 图 2 U形渠加垫层横断面 5 北方地 区建议采用预 制 U形渠道 根据已建成的 u形渠道 ， 经过对 比就会发现在 北方地 区， 预制 U形渠道的使用寿命要 比现浇的长。 经分析 ， 预制安装的 u形预制块质量有保障 ， 现浇混 凝土在施工 中常出现下列问题 ： 1 ) 现浇 u形渠道是依靠土模来完成 的， 土模本 身稳定性差， 再加上施工干扰， 很容易变形， 导致混 凝土壁薄厚不均匀。 2 ) 现浇混凝土不易振捣 ， 骨料混合不均匀 ， 经常 出现石子下沉到底部 ， 严重影响 U形渠的刚度。 3 ) 现浇混凝土 由于施 工进度快 ， 容易造成 混凝 土未完全凝固局部脱落现象。 4 ) 预制 u形块要适于人工搬运安装 ， 所以分块 比较小 ， 能更 好 的适 应 压 力 变 位 ， 防止 发 生 结 构 破坏。 预制 u形渠， 还有不受工作面限制 的特点 ， 可 以 多段施工 ， 预制块加工简单 ， 可批量生产 ， 可加快施 工进度。 6 混凝土 U形渠在北方地区需注意的施工 要点 现浇混凝土 U形 渠施工主要 由土模开挖、 混凝 土衬砌 、 割缝组成 ， 预制混凝土 u形渠 由土模开挖 ， 预制块砌筑。 6 1 U型渠的土模施工 U型渠的土模施工是渠道质量控制 的关键 ， 土 模的施工为先把施工面整平 ， 回填到衬砌高程 ， 然后 一 6 0 一 夯实达到规范强度 ， 再进行开挖 、 修面最终形成 u形 土模。施工企业为了节约 成本 ， 常用施工工序 为先 挖成 U形土模 ， 后用 u型铁模防护 ， 然后进行渠道两 边夯实。这种工序减少 了土方 回填和 U形渠范围内 夯实 ， 显然会造成 U形渠底部和两侧压实度不足， 是 应该严禁使用的。 6 2 U型渠混凝土衬砌 u型渠衬砌通常采用渠道 u形机， 这种机械 的 特点是 自动行走 、 自动下料 、 自动振捣、 收边压顶一 次完成 。 这个工序中混凝 土的配 比和振捣很 重要 ， 如果 混凝土配合 比掌握不好 ， 水分太大 ， 容易离析 ， 石子 下沉 ， 水分小又不易黏合。 振捣同样 很难控制 ， U型渠一般 在 68 c m左 右 ， 一般 的振捣棒根本无法使用 ， 使用离心激振器也 很难控制骨料均匀拌合。 混凝土 U形渠使用 u形机衬砌 ， 要控制前进速 度， 一定要 等混凝 土塑性 达到规 范指标 ， 才能 衬砌 下段 。 6 3 混凝土 u形渠预制块砌筑 预制块砌筑关键是铺 设砂浆 ， 施工工序 为先铺 设砂浆 ， 后 安装预制块 ， 砂浆 抹面后 再安装 下一预 制块。 施工企业经常为了省工省料 ， 先把预 制块全部 摆放好 ， 再填缝 、 抹面 ， 这种工序很容易造成缝 内砂 浆不饱满 ， 造成砂浆结合不 紧密， 经输水冲刷 ， 表 面 砂浆脱落。 7 结语 混凝土 u形渠防渗技术可靠 ， 节水效果好 ， 应用 范围广 ， 同浆砌石梯形 断面防渗渠道相 比可节省投 资2 0 6 0 左右， 可节省土地2 0 3 0 左右， 渠 系水利用系数较土渠可提高 4 5 左右 ， 经济效益显 著。随着北方地区各大中型灌区末级渠系节水改造 工程 的实施 ， 混凝土 U形渠以其独特的优势 ， 极具推 广前景。 参考文献 ： 1 芦琴 混凝土衬砌渠道抗冻胀技术措施综述 J 科技创 新导报 ， 2 0 1 2 ( 0 8 ) ： 1 0 8 ， 1 1 0 【 2 王恒， 赵力 严寒地区灌溉渠道 防渗抗冻胀技术研究 J 中国水运： 下半月， 2 0 1 2 ( 0 6 ) ： 1 9 41 9 5 3 徐杰 新疆地区渠道衬砌混疑土抗冻胀设计 J 陕西水 利 ， 2 0 1 2 ( 0 2 ) ： 9 91 0 1