南水北调工程渠道混凝土机械化衬砌设计方案分析及优化建议.pdf

第 9卷O 2 期 2 0 1 1 年 7月 南水北 调与 水利科 技 S o u t h - t o - No r t h Wa t e r Di v e r s i o n a n d Wa t e r S c i e n c e& Te c h n o l o g y V0 l - 9 No 0 2 J u 1 2 0 1 1 南水北调工程渠道 混凝土机械化衬砌 设计 方案分析及优化 建议 牟连营， 董 恒， 王晓明 ( 河北省水利科学研究院， 石家庄 0 5 0 0 5 7 ) 摘要： 结合南水北调中线京石段工程施工实践， 在深入研究 目前南水北调工程渠道衬砌设计方案的基础上， 从渠基 排水、 渠道防冻胀、 渠道防渗、 渠道伸缩缝及渠道衬砌结构等方面分析了南水北调工程大型渠道衬砌设计存在的不 足之处 ， 并提出了优化改进建议， 希望能对南水北调工程下一步建设工作起到有益作用。 关键词 ： 机械化衬砌； 渠基排水； 防冻胀； 防渗 ， 中图分类号 ： T V6 8 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 0 1 1 ) 0 0 2 0 0 1 2 0 3 De s i g n S c he me a nd I t s Op t i mi z a t i o n o f M e c han i z e d Co n c r e t e Li ni ng i n t h e C a n a l o f t h e S o u t h - t o - N o r t h Wa t e r D i v e r s i o n P r o j ect M U Li a n - ying， DONG H e n g， W ANG Xi a o - m i n g ( He i b e i Pr o v i n i c i a l Ac a d e my o f Wa t e r Re s o u r c e s ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 5 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： C o n s id e r i n g t h e c o n s t r u c t i o n o f e me r g e n c y w a t e r s u p p l y p r o j e c t o f S h ij i a z h u a n g - B e ij i n g s e c t i o n i n t h e Mi d d l e R o u t e o f S o u t h - t o - No r t h Wa t e r T r a n s f e r P r o j e c t ， i t s t u d i e d t h e d e s i g n s c h e me o f c a n a l l in i n g ， a n a l y z e d i t s d e f i c i t a n d p r o p o s e d i mp r o v e me n t a n d s u g g e s t i o n s f r o m c a n a l b a s e d r a i n a g e ， c a n a l f r o s t h e a v in g p r e v e n t i o n ， s e e p a g e p r e v e n t i o n ，e x p a n s i o n j o i n t s ，a n d l i n i n g s t r u c t u r e I t w o u l d g i v e s o me r e f e r e n c e s t o t h e n e xt s t e p c on s t r u c t i o n Ke y wo r d s： me c h a n i z e d l i n i n g； c a na l b a s e d r a i n a ge ； f r os t he a v i n g p r o t e c t i o n； s e e p a g e p r e v e n t i o n 南水北调工程是迄今为止世界上最大的调水工程， 是实 现我国水资源优化配置的战略基础性设施。目前， 南水北调 中线干线京石段工程已经投入运营使用， 从渠道运行情况来 看 ， 渠道处于安全运行状态， 但是渠道衬砌结构设计在适应 大型渠道机械化衬砌施工的要求方面尚存在一些不足， 需进 一 步改进 和优化 。 1 南水北调中线渠道总体功能及设计依据 1 1 南水北调 中线渠道总体功能 南水北调工 程是 一个 可 持续 发展 、 具 有 综合 效 益 的工 程。输水渠道是远距离调水工程的基本载体 ， 渠道防渗技术 是保证渠道安全输水的关键， 南水北调输水全线渠道必须采 取可行的防渗衬砌措施， 以减少渗漏、 降低糙率， 提高输水能 力及抗冲能力， 保证将宝贵有限的长江水安全地输送到供水 区， 满足用户用水要求 。采取防渗衬砌措施后， 如何防止渠 床冻胀和地下水扬压力对衬砌体的破坏， 是保证渠道安全的 关键 。 1 2设 计依 据 工程等别及建筑物等级。南水北调中线一期工程为 I 等工程， 根据 水利水 电工程等级划分及洪水标准 ( S L 2 5 2 2 0 0 0 ) 及“ 可研报告” 审查意见和评估报告， 本渠段总干 渠渠道、 各类交叉建筑物及控制建筑物等主要建筑物为 1 等， 附属建筑物、 河道防护工程及河穿渠工程的上、 下游连接 段等次要建筑物为 3 级建筑物。 防洪标准。根据 水利水电工程等级划分及洪水标 准 ( s L 2 5 2 2 0 0 0 ) 及“ 中线局” 发布的南水北调中线一期总 干渠初步设计有关 技术 规定 ， 积 水面 积大 于或 等于 2 O k m。 的河渠交叉建筑物设计洪水标准为 1 0 0年一遇 ， 校核洪水标 准为 3 0 0年一遇； 积水面积小于 2 0 k m2的河渠交叉建筑物 设计洪水标准为 5 O年一遇， 校核洪水标准为 2 0 0年一遇； 总 干渠渠道的防洪标准和与其相连的各类河渠交叉建筑物、 左 岸排水建筑物等洪水标准相同。 地震设计烈度及设防标准。本渠段所在的地震基本 烈度为 区， 根据 水工建筑物抗震设计规范 ( S L 2 0 3 9 7 ) ， 总干渠渠道及 1 级建筑物地震烈度为 6 7 度。 公路、 铁路及交叉建筑物设计标准。总干渠与公路、 铁路交叉建筑物除满足本行业的设计标准和规范外， 同时满 足相关行业 的设计标准 和规范 。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 6 0 3 修 回日期 ： 2 0 1 1 0 6 1 0 作者简介 ： 牟连营( 1 9 6 9 一 ) ， 男 ， 河北故城人 ， 高级工程师， 主要从事水利工程咨询与管理工作 。E - ma i l ： Mu l i a n y i n g 1 9 6 9 1 6 3 c o rn 1 2 牟连营等 南水北调工程渠道混凝土机械化衬砌设计方案分析及优化建议 1 3 南水北调 中线渠道设计型式及方案 在广泛吸收国内外先进科研成果的基础上， 南水北调中 线渠道设计结合混凝土机械化整体研究， 确定技术先进 、 经 济合理 、 安全可靠的防渗衬砌结构型式和防冻胀、 防扬压设 计内容。排水设计主要作用是降低运行期 自控疏干渠道两 侧及渠 底影响范 围内的地下水 ， 以达到 防冻胀 、 防扬压 、 防渠 床黄土湿陷的综合 目的。 2 适应南水北调中线工程渠道衬砌的设计方案 2 1 渠道 设计 渠基 型 式 南水北调中线工程渠道渠基设计型式主要有土渠和石 渠两大类 。 2 2渠基排水设计 南水北调 中线 一期 工程京 石段 应急 供水 工程设 计 主要 型式如下 。 河滩地段渠基、 渠坡设置纵横向管网集水， 渠底及渠 坡设置纵 、 横向排水管、 连接井， 最后汇入集水井 ， 通过排水 泵站强排； 部分土渠段渠底埋设两排无砂混凝土管汇汇 入集水井， 通过排水泵站强排； 石渠段无渠基排水设计。 2 3渠道 防冻胀 设计 南水北调中线一期工程京石段应急供水工程渠道防冻 胀设计型式主要有： 填筑砂砾料 ( 砂砾石) ， 厚度 2 O 5 5 c m； 铺设聚苯乙烯保温板 ， 厚度 3 6 c m不等。 2 4 渠道 防渗设计 渠道衬砌防渗设计型式主要有 ： 喷洒 阳离子乳化 沥青 防 渗、 铺设复合土工膜防渗( 土工膜规格为 5 7 6 g m2 ， 局部段采 用 8 5 2 g m2 加强 ) 、 混凝 土 自防渗 。 2 5渠道 伸 缩缝设 计 伸缩缝设计型式分为半缝和通缝。土渠段坡面混凝土 纵缝坡脚处为通缝 ， 其余为半缝 ； 石渠施工缝均为通缝， 纵横 缝 间距一般 为 6 m。 2 6渠道 衬砌 结构 设计 南水北调工程中线京石段应急供水一期工程渠道衬砌 设计标号 C 2 0 W6 F 1 5 0 ， 二级配， 厚度一般为 1 O 1 5 c m， 渠底 衬砌厚度为 8 1 5 c m， 坡长在 1 2 3 3 m之间， 底宽 7 2 9 m 之间， 边坡 系数为 2 0 2 5 ， 设计渠底 比降为 1 2 3 0 0 0 1 3 o 0 0 0 。衬砌顶部封顶板宽度 3 8 c I n ， 封顶板与检修公路路 缘石结合 ， 部分段为齿墙结构。下部为混凝土平台( 宽 1 0 2 0 c m) 或齿墙( 断面宽 3 0 4 0 c m， 高 2 0 3 0 c m) 。伸缩缝填充 自 下而上分别为闭孔泡沫塑料板和双组份聚硫密封胶； 渠底排 水土渠段采用无砂管排水系统， 石渠段无渠基排水设计。 3南水北 调机械化衬砌设计方案存在不足 及 改进 建议 3 1 渠基排水设计不足及改进建议 3 1 1 不 足 之处 现有渠基 排水设计 中， 底部 及渠 坡均 为无砂 管排 水 ， 无 砂管强度很低( C 1 0 ) ， 且无黏聚力， 易受挤压， 造成局部破坏 损。若没有及时发现 ， 衬砌板施工完成后， 则会 出现导致衬 砌板下局部悬空， 或该段排水不畅的潜在危险。 3 1 2 改进 建议 降低地下水位的有效方法是排水法。排水管的结构 及材料建议换成塑料排水方式， 设置逆止式排水器， 同时建 议进一步研究排水管的埋深 。 若地下水位略高于渠底且无排水出路的渠段 ， 应在 渠底 加设 砂砾石积水盲沟来排除渠底渗水 ， 并于每 隔设集水 井。地下水溢出点以下的渠坡及渠道底部应铺设滤水布。 3 2 分缝设计不足及改进建议 3 2 1 不 足之 处 调研结果分析表明， 目前南水北调 中线一期工程京 石段渠道衬砌分缝一般每 1 2 m设置一道通缝， 基本所有标 段渠道衬砌在夏季均发生 了不 同程度 的挤胀现象 ， 出现通缝 处混凝土表面挤裂、 密封胶挤出、 挤裂， 冬季时出现冻胀现 象。这说明通缝在混凝土温度释放应力发挥了显著的作用， 也说明了分缝间距、 以及切缝深度等还需要进一步研究。若 通缝缝间距过小， 则影响机械化施工速度， 增加施工难度， 若 通缝缝间距过大， 则影响热胀效果。 根据相关规定， “ 当底部铺设防渗层时， 切缝深度宜 为板厚的 0 9 ” 。由于人工机械切割缝 ， 很难准确把握 0 9倍 板厚这一尺度， 很容易造成了混凝土下土工膜被切坏， 降低 了渠道衬砌的防渗效果。 3 2 2 改进建议 优化现有的混凝土分缝设计： 混凝土大板伸缩缝间 距可 以加 长到 8 1 O m设置一道缝 ； 机械化衬砌连续 浇筑补 偿收缩砼的施工工艺是防止粉煤灰混凝土初期塑性开裂的 一 项重要措施 ， 可以混凝 土连 续浇 筑 ， 而不 至于 出现塑性 裂 缝。 大型渠道机械化衬砌沿坡长方向的伸缩缝设置中， 过长的边坡建议加设腰缝，其位置布设应选择在填挖方交 界处或坡面土质性能变化较大处 ， 以适应土质变形， 不应按 坡长等分布置腰缝。 对于水深较大，坡长过长和渠底较 宽的大型渠道 ， 除应在边坡与渠底连接处的适当位置布设 一 道纵 向伸缩缝外 ，尚需在渠底加设纵 向缝 。 3 3 防渗设计不足及改进建议 3 3 1 不足 之 处 由于复合土工膜热焊接法的局限性， 复合土工膜防 渗施工时， 在施工中焊接质量受膜厚、 电压、 爬行速度、 风力、 气温、 基层平整度等诸多因素的影响， 有时很难达到理想的 焊接效果 。膜料防渗渠道破坏 的原 因之一 ， 往往 是 由于忽视 了防渗体与渠系建筑物的连接， 导致渠水进入， 冲走过渡层 材料， 引起保护层塌陷、 表面凸凹不平， 甚至板体错位下滑， 冬季时可造成冻胀鼓起等。因此在局部部位( 复合土工膜与 布、 膜与建筑物) 防渗设计还需要进一步改进。 由于土工膜不宜在太阳下暴晒时间过长， 同时由于 衬砌混凝土机械化施工的需要， 夜间进行渠道衬砌施工不可 避免， 而夜间土工膜焊接质量难以检测和保证， 因此土工膜 焊接 的局 限性在机械化渠底衬砌施工 时表现尤为 明显 。 3 3 2 改进建 议 渠道防渗材料采用符合土工膜防渗， 局部防渗设计型式 l南 l采a|北 1 3 第 9 卷 O 2期 南水北调 与水利科技 2 0 1 1年 7月 改进如 F 。 处理好土工膜防渗连接工程之间的局部( 复合土工膜 与布、 膜与桥墩或管道或建筑物、 复合土工膜被扎破或顶破 时) 设计， 采用 KS 胶粘结设计技术 ， 较好地弥补了热熔焊接 方法所无法达到的要求。 K S胶粘结方法具有施工简单， 速度快， 可以满足大型 渠道机械化衬砌施工的需要 ， 因此根据要求， 渠道土工膜焊 接的可以采用 KS胶粘结设计技术。 3 4防冻胀设计不足及 改进建议 3 4 1 不足之处 现有防冻胀设计较难完全满足渠道衬砌防冻胀的要 求。 为防止土壤冻胀对混凝土衬砌的不 良影响， 在衬砌 背后加铺聚苯乙烯泡沫板保温层 ， 效果较好， 但所需铺垫面 积和厚度较大 ， 造价较高。 工程设计的允许冻胀量在 渠 道防渗工程技术规范 ( S L 1 8 - 9 1 ) 中， 混凝土防渗允许 的冻 胀量为 0 5 2 0 c m， 但从运行到现在的情况看， 现有衬砌板 结构都存在裂缝、 鼓起、 变形， 特别是 1 0 a m厚混凝土板加 5 c m聚乙烯泡沫板、 土工膜防渗错台相当严重。 对 渠系工 程抗冻胀设计规范 ( S L 2 3 - 9 1 ) 中修正冻深系数 n值 。通过 统计分析得出的 n值， 应反映特定区域影响冻深的主要 因 素， 并有较多的实测资料作依据， 才能具有一定的实用价值。 因此 ， 我 国冻土区采用统一系列的 。值 ， 既不合理， 也不现 实。 由于保温板铺设对于基面平整度要求非常高， 因此 局部保温板铺设时于坡体之间不密实， 固定不牢固将对混凝 土衬砌产生表面纵横交错裂缝( 龟裂) 。 3 4 2改进建议 加强底部支撑设计及冻胀垫层设计。 板梁结合的 衬砌型式是值得进一步研究的衬砌型式， 在渠道内坡每隔一 定距离挖设横梁槽，梁槽断面通过计算求得，一般为深 1 5 2 O c m ， 上、 下 口宽分别为 2 0 c m和 1 0 c m， 横梁与面板同 时浇筑， 形成板梁整体的结构型式，以抗由于冻胀产生的纵 向破坏。 建议适当提高设计标准规范 ， 把混凝土防渗的 设计允许的冻胀量提高到 0 5 1 0 c m。 建议对 渠系工 程抗冻胀设计规范 影响渠道冻胀设的土质和含水量的修 正， 冻深系数 n值等指标进行修正， 以便更能指导符合工程 实际。 改进保 温板铺设 。 3 5 渠道衬砌设计不足及改进建议 3 5 1 不足 之处 从现有渠道衬砌断面型式看， 传统宽浅式的梯形断 面， 从输水能力、 水流条件、 流速、 防渗、 抗冻等方面综合看， 均不如近似最佳水力断面、 水流条件好、 流速快、 具有防渗效 果好、 抗冻性能较高等优点的弧形坡脚梯形断面。 结合南水北调中线一期工程渠道衬砌运行情况看， 特别是渠道衬砌过冬的冻融情况看 ， 目前国内现有的规范、 规程对渠道衬砌混凝土设计强度等级、 衬砌板厚度均偏低， 防冻胀性能难以满足渠道衬砌过冬的要求。 1 4 镳勰貔 | 黼铀 d 溉 濑 渤瓣 目前， 渠道衬砌设计混凝土配比均为二级配( 粒径为 0 5 2 ram 、 2 4 mr n ) ， 实际施工时， 由于大石子过多( 粒径 2 4 ram) ， 大石子过多压实抹面难度太大， 导致压实抹面速 度慢、 延长了压实抹面的时间， 混凝土水分损失过多， 进而导 致裂缝产生， 不太适应于 1 0 c m厚混凝土原浆抹面施工， 影 响了机械化施工的速度和质量。而且对于设计板厚为 8 c m 的衬砌板， 二级配的设计要求也不满足国务院南水北调工程 建设委员会办公室关于 渠道混凝土衬砌机械化施工技术规 程 “ 骨料的最大粒径应不大于衬砌混凝土板厚度 1 3 ” 的要 求 。 南水北调工程渠道交叉建筑物很多， 现有下渠台阶 基本是 1 0 0 0 m左右布置， 部分渠段因条件限制， 渠深坡陡， 设计坡度 1： 1 5 -1： 2 0 ， 往往桥梁 附近下无检查踏步和平 台， 为现场施工和今后桥梁运行维护管养和安全检查带来诸 多困难不便。 现有渠道设计中， 对于挖方地段窄深式渠道的衬砌 板底部平台设计一般宽度 1 O 2 0 c m， 高度 同渠底衬砌板厚 度。由于现场条件限制， 通常施工安排顺序， 往往是先渠坡， 后渠底， 渠底作为施工通道， 同时由于底部较窄， 坡面较陡， 特别是对于砂壤土段， 部分段回填砂砾料， 底部无持力层和 挡的结构。特别是封顶板设计环节薄弱， 无法阻挡外界的水 渗入渠道衬砌板下， 特别是在冰冻等外力作用下， 仅仅靠平 台很难支撑坡面混凝土板 自重， 而导致混凝土衬砌板下滑。 同时可能引起对渠底衬砌板作用力， 造成底板的拱起， 不利 于渠道的运行管理。 3 5 2 改进建议 从改善渠道的过水能力、 改善渠道的受力状况、 抵抗 冻胀变形能力， 提高渠道的适应变形能力等方面因素综合 ， 弧底梯形渠道和弧脚梯形渠道消除了冻胀的突变 ， 使衬砌的 受力和变形更加合理。在采用复合衬砌 ( 混凝土面板 十膜 料) 进行渠道防渗时， 其防冻抗渗的能力更加明显。因此， 根 据我国渠道衬砌设计断面形式、 及渠道衬砌机械设备及施工 水平， 弧底梯形渠道和弧脚梯形渠道衬砌断面形式是值得进 一 步深入研究衬砌断面型式。 建议增加衬砌混凝土抗 压、 抗冻及抗渗等级。 从设计的角度， 在保证密实度、 抗 冻等强度 的前提下 ， 调 整混凝 土设计 配 比， 增加 衬砌板 的厚 度。 建议适当调整渠坡下渠 台阶位置 ， 在较大的生产桥 或交通桥下渠道衬砌增设检查踏步和平台， 以便今后桥梁的 管养和安全检查。 重视渠道衬砌混凝土护坡的齿墙和封 顶板的作用， 提高设计标准。 4 结语 结合南水北调中线干线一期工程京石段应急供水工程 的施工经验和运行管理实践， 总结了大型渠道衬砌设计存在 的不足之处 ， 提出了相应的改进建议 ， 希望能在南水北调工 程下一步建设工作起到有益作用。