渠道衬砌结构透析

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摘要：随着经济社会的发展，水资源在国民经济中的战略地位逐步的体现出来，同时国家力主发展节约型社会，积极推行节水型城市的创建，如何提高水资源的利用率是一个关键问题。东营市位于黄河最下游，当地水资源比较缺乏，经济社会需水主要依赖于黄河水，节水措施显得尤为重要，目前东营市各大灌区均已实施了配套节水改造工程，干渠都已衬砌，结合工程实践经验，对渠道衬砌的结构型式进行研究，优化工程设计，提高工程质量。

关键词：渠道；衬砌；结构型式

一、衬砌型式

干渠衬砌工程不仅要满足防渗、护坡、减少糙率的要求，而且要经受冻胀等多种不利因素的考验，因此，渠道衬砌型式必须考虑各种因素的影响。

1、自然与地质条件

气温：工程地区多年平均气温12.8℃，月平均最低气温-2.8℃(1月)，极端最低气温-23.3℃，根据国家气候分区标准属温和地区。多年平均最大冻深0.64米。

土质：根据工程地质报告，渠道沿线为黄河近代沉积土层，以粉土、粘性土为主，多数渠段粘粒含量在10%左右，极少数在20%左右，属冻胀土。

地下水：四干渠下游段为半地下渠，衬砌板需采取排水措施。

2、衬砌型式

根据沿线工程地质，渠道采用全断面防渗衬砌型式。

二、衬砌结构

1、衬砌高度

渠道设计水深2.20m，堤顶高3.0m，根据规范规定，渠道内坡衬砌顶高程应高于设计水位0.3m～0.8m，结合项目实际情况，本工程取0.4m。

2、防冻胀结构

①防冻胀措施的选定

根据研究和试验，造成渠道冻胀破坏的主要因素为低气温、冻胀性土壤及高含水率。本项目所在地区，冬季气温低，负温持续时间长，土壤组成多为粉沙含量高的冻胀性土壤，再加上农田冬灌时需要在冬季输水，因此，渠道在运行中出现冻胀现象是必然的。

根据曹店干渠观测资料，负温指数为282℃.d的1985～1986年，渠道阴坡上部的最大冻土深度为64cm，阴坡下部的最大冻胀量达14.27cm，对混凝土衬砌结构产生了严重的破坏。为防止渠道边坡的混凝土衬砌板产生冻胀破坏，设计中必须采取可靠的防冻胀措施。

目前，渠道衬砌采取的防冻胀措施主要有排水法、换土法和保温法。排水法需要在混凝土衬砌结构以下铺设排水体和排水管道，以排除地下水，降低地下水位，减少渠堤土的含水量，采用排水法施工工艺较为复杂，工程质量难以保证。换土法必须把渠堤的冻胀土壤换成不冻胀的砂砾料，换砂厚度要求在冻深的60～80%以上，需要大量的砂砾料，工程费用高，且施工复杂。保温法是采用具有良好保温效果的材料，阻止或削弱渠堤与外界的热量交换，减少基土的温度下降幅度，从而减少冻结深度，防止冻胀破坏。综合以上三种方法，结合本工程特点，确定采用保温法进行防冻胀设计。

②防冻胀材料的选定

聚苯乙烯泡沫塑料是一种优良的隔热保温材料，具有吸水性小、不透水、耐腐蚀和抗老化等优点，根据国家标准，其导热系数为0.038千卡/米•小时•度，仅为混凝土导热系数的2%左右。近年来国内对聚苯乙烯泡沫塑料用于渠道衬砌结构防冻保温做了大量的试验研究，研究结果表明聚苯乙烯泡沫板具有良好的防冻保温效果，在混凝土衬砌板下铺设一定厚度的聚苯乙烯泡沫板后，可以有效地消除或削减冻胀。由于聚苯乙烯泡沫保温板具有一定的压缩性，可以消减对混凝土的冻胀力，而且采用聚苯乙烯泡沫板保温，具有造价低、施工简单、施工质量易保证等优点。据此，采用聚苯乙烯泡沫板保温，是本工程渠道衬砌防冻胀材料的最佳选择。

根据有关工程经验，参照《渠道防渗工程技术规范》，混凝土衬砌的允许冻胀量为：阳坡2cm，阴坡3cm。经输水期、完建期冻胀计算，其计算值按减少35%进行折减后，本工程东西向阳坡、阴坡均需采取防冻保温措施。

③保温板铺设厚度确定

根据山东省水利科学研究院实验研究成果，聚苯乙烯泡沫板保温板的厚度，采用下式计算：

hb=λb(H/λ土-hS/λS)

式中：hb—聚苯乙烯泡沫板保温板的厚度(米)；

hS—混凝土板的厚度(米)；

λb—聚苯乙烯泡沫板的导热系数(千卡/米•小时•℃)；

λ土—渠堤土的导热系数(千卡/米•小时•℃)；

λS—混凝土板的导热系数(千卡/米•小时•℃)；

H—等效土层厚度(米)。

对于东西向渠道阴坡，可忽略太阳照射的影响，H按公式

H=(P×a/π)1/2ln(A/t)计算

式中：P—温度变化周期，取365日计算；

a—渠堤土的导温系数(m2/日)；

A—气温的年变幅(℃)；

T—年平均气温(℃)。

对于东西向渠道阳坡，由于受到不同程度的阳光照射，能吸收其辐射热量，所需保温层厚度可小些，其等效土层厚度按下式计算：

H=(P×a/π)1/2ln[A/(t+△t)]

△t={mαSO×13.7×[1-(1-0.32)n]}/β

式中：

△t—太阳辐射而增加的温度(℃)；

m—渠道走向影响系数，据省水科院成果确定；

α—混凝土的吸热系数，取α=0.65；

SO—年平均辐射能(千卡/米2•时)，根据《水工混凝土结构的温度应力与温度控制》中有关资料确定；

N—云量，由气象部门统计资料确定；

β—混凝土的放热系数，取2千卡/米2•时•度；

根据以上公式计算，阴坡保温板的厚度为30mm，阳坡保温板的厚度为20mm。

三、衬砌结构

四干渠下游段为半地下渠，部分衬砌结构受地下水影响。对于不受地下水位影响的渠段，渠道内坡衬砌结构自上而下分别为：

①浆砌C20混凝土预制板，厚60mm。

②聚苯乙烯泡沫保温板，阴坡厚30mm，阳坡厚20mm。

③复合土工膜：规格为一布一膜，铺设时膜面朝上。

对于受地下水位影响的渠段，混凝土预制板设无砂混凝土块排水孔，并在衬砌结构底部铺设中粗砂垫层，厚100mm。衬砌结构设排水孔的渠段，复合土工膜换为土工布。

另外，衬砌坡顶设C20现浇混凝土封顶板，厚100mm；坡底设现浇C20混凝土镇脚，高500mm，底宽500mm。

渠底采用200mm厚12%水泥土作防渗层，灰土厚200mm。

四、主要材料

①素砼预制板：采用矩形等厚板，板厚60mm；混凝土强度等级为C20，抗渗等级为W6，抗冻等级为F100。根据抗冻要求，掺加一定比例的引气剂。最大水灰比不超过0.55。

②聚苯乙烯保温板：根据冻胀量计算，参照有关工程经验，阴坡保温板厚30mm，阳坡保温板厚取20mm，保温板的性能指标应符合《渠道防渗工程技术规范》(SL18-91)规定。

③复合土工膜：规格为一布一膜，其中下层为200g/m2的土工布，上层为0.25mm厚的塑膜。

④水泥土：渠底采用12%水泥掺入量的水泥土作防渗层，厚200mm。

五、主要细部构造

①预制砼板的砌筑缝：所有预制砼板一律采用长边横卧铺砌，每个分段的第一行一律砌整板。为了错缝需要，第二行在两端各用一块半板，以上各行依次重复错缝铺砌。用M15干硬性水泥砂浆填缝。

②衬砌分缝：包括两侧镇脚在内，每隔9.58m(铺116块)设一道分段缝，缝宽30mm，缝内填满PT塑料胶泥。