渠道襯砌結構透析

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摘要：隨著經濟社會的發展，水資源在國民經濟中的戰略地位逐步的體現出來，同時國家力主發展節約型社會，積極推行節水型城市的創建，如何提高水資源的利用率是一個關鍵問題。東營市位于黃河最下游，當地水資源比較缺乏，經濟社會需水主要依賴于黃河水，節水措施顯得尤為重要，目前東營市各大灌區均已實施了配套節水改造工程，干渠都已襯砌，結合工程實踐經驗，對渠道襯砌的結構型式進行研究，優化工程設計，提高工程質量。

關鍵詞：渠道；襯砌；結構型式

一、襯砌型式

干渠襯砌工程不僅要滿足防滲、護坡、減少糙率的要求，而且要經受凍脹等多種不利因素的考驗，因此，渠道襯砌型式必須考慮各種因素的影響。

1、自然與地質條件

氣溫：工程地區多年平均氣溫12.8℃，月平均最低氣溫-2.8℃(1月)，極端最低氣溫-23.3℃，根據國家氣候分區標準屬溫和地區。多年平均最大凍深0.64米。

土質：根據工程地質報告，渠道沿線為黃河近代沉積土層，以粉土、粘性土為主，多數渠段粘粒含量在10%左右，極少數在20%左右，屬凍脹土。

地下水：四干渠下游段為半地下渠，襯砌板需采取排水措施。

2、襯砌型式

根據沿線工程地質，渠道采用全斷面防滲襯砌型式。

二、襯砌結構

1、襯砌高度

渠道設計水深2.20m，堤頂高3.0m，根據規范規定，渠道內坡襯砌頂高程應高于設計水位0.3m～0.8m，結合項目實際情況，本工程取0.4m。

2、防凍脹結構

①防凍脹措施的選定

根據研究和試驗，造成渠道凍脹破壞的主要因素為低氣溫、凍脹性土壤及高含水率。本項目所在地區，冬季氣溫低，負溫持續時間長，土壤組成多為粉沙含量高的凍脹性土壤，再加上農田冬灌時需要在冬季輸水，因此，渠道在運行中出現凍脹現象是必然的。

根據曹店干渠觀測資料，負溫指數為282℃.d的1985～1986年，渠道陰坡上部的最大凍土深度為64cm，陰坡下部的最大凍脹量達14.27cm，對混凝土襯砌結構產生了嚴重的破壞。為防止渠道邊坡的混凝土襯砌板產生凍脹破壞，設計中必須采取可靠的防凍脹措施。

目前，渠道襯砌采取的防凍脹措施主要有排水法、換土法和保溫法。排水法需要在混凝土襯砌結構以下鋪設排水體和排水管道，以排除地下水，降低地下水位，減少渠堤土的含水量，采用排水法施工工藝較為復雜，工程質量難以保證。換土法必須把渠堤的凍脹土壤換成不凍脹的砂礫料，換砂厚度要求在凍深的60～80%以上，需要大量的砂礫料，工程費用高，且施工復雜。保溫法是采用具有良好保溫效果的材料，阻止或削弱渠堤與外界的熱量交換，減少基土的溫度下降幅度，從而減少凍結深度，防止凍脹破壞。綜合以上三種方法，結合本工程特點，確定采用保溫法進行防凍脹設計。

②防凍脹材料的選定

聚苯乙烯泡沫塑料是一種優良的隔熱保溫材料，具有吸水性小、不透水、耐腐蝕和抗老化等優點，根據國家標準，其導熱系數為0.038千卡/米•小時•度，僅為混凝土導熱系數的2%左右。近年來國內對聚苯乙烯泡沫塑料用于渠道襯砌結構防凍保溫做了大量的試驗研究，研究結果表明聚苯乙烯泡沫板具有良好的防凍保溫效果，在混凝土襯砌板下鋪設一定厚度的聚苯乙烯泡沫板后，可以有效地消除或削減凍脹。由于聚苯乙烯泡沫保溫板具有一定的壓縮性，可以消減對混凝土的凍脹力，而且采用聚苯乙烯泡沫板保溫，具有造價低、施工簡單、施工質量易保證等優點。據此，采用聚苯乙烯泡沫板保溫，是本工程渠道襯砌防凍脹材料的最佳選擇。

根據有關工程經驗，參照《渠道防滲工程技術規范》，混凝土襯砌的允許凍脹量為：陽坡2cm，陰坡3cm。經輸水期、完建期凍脹計算，其計算值按減少35%進行折減后，本工程東西向陽坡、陰坡均需采取防凍保溫措施。

③保溫板鋪設厚度確定

根據山東省水利科學研究院實驗研究成果，聚苯乙烯泡沫板保溫板的厚度，采用下式計算：

hb=λb(H/λ土-hS/λS)

式中：hb—聚苯乙烯泡沫板保溫板的厚度(米)；

hS—混凝土板的厚度(米)；

λb—聚苯乙烯泡沫板的導熱系數(千卡/米•小時•℃)；

λ土—渠堤土的導熱系數(千卡/米•小時•℃)；

λS—混凝土板的導熱系數(千卡/米•小時•℃)；

H—等效土層厚度(米)。

對于東西向渠道陰坡，可忽略太陽照射的影響，H按公式

H=(P×a/π)1/2ln(A/t)計算

式中：P—溫度變化周期，取365日計算；

a—渠堤土的導溫系數(m2/日)；

A—氣溫的年變幅(℃)；

T—年平均氣溫(℃)。

對于東西向渠道陽坡，由于受到不同程度的陽光照射，能吸收其輻射熱量，所需保溫層厚度可小些，其等效土層厚度按下式計算：

H=(P×a/π)1/2ln[A/(t+△t)]

△t={mαSO×13.7×[1-(1-0.32)n]}/β

式中：

△t—太陽輻射而增加的溫度(℃)；

m—渠道走向影響系數，據省水科院成果確定；

α—混凝土的吸熱系數，取α=0.65；

SO—年平均輻射能(千卡/米2•時)，根據《水工混凝土結構的溫度應力與溫度控制》中有關資料確定；

N—云量，由氣象部門統計資料確定；

β—混凝土的放熱系數，取2千卡/米2•時•度；

根據以上公式計算，陰坡保溫板的厚度為30mm，陽坡保溫板的厚度為20mm。

三、襯砌結構

四干渠下游段為半地下渠，部分襯砌結構受地下水影響。對于不受地下水位影響的渠段，渠道內坡襯砌結構自上而下分別為：

①漿砌C20混凝土預制板，厚60mm。

②聚苯乙烯泡沫保溫板，陰坡厚30mm，陽坡厚20mm。

③復合土工膜：規格為一布一膜，鋪設時膜面朝上。

對于受地下水位影響的渠段，混凝土預制板設無砂混凝土塊排水孔，并在襯砌結構底部鋪設中粗砂墊層，厚100mm。襯砌結構設排水孔的渠段，復合土工膜換為土工布。

另外，襯砌坡頂設C20現澆混凝土封頂板，厚100mm；坡底設現澆C20混凝土鎮腳，高500mm，底寬500mm。

渠底采用200mm厚12%水泥土作防滲層，灰土厚200mm。

四、主要材料

①素砼預制板：采用矩形等厚板，板厚60mm；混凝土強度等級為C20，抗滲等級為W6，抗凍等級為F100。根據抗凍要求，摻加一定比例的引氣劑。最大水灰比不超過0.55。

②聚苯乙烯保溫板：根據凍脹量計算，參照有關工程經驗，陰坡保溫板厚30mm，陽坡保溫板厚取20mm，保溫板的性能指標應符合《渠道防滲工程技術規范》(SL18-91)規定。

③復合土工膜：規格為一布一膜，其中下層為200g/m2的土工布，上層為0.25mm厚的塑膜。

④水泥土：渠底采用12%水泥摻入量的水泥土作防滲層，厚200mm。

五、主要細部構造

①預制砼板的砌筑縫：所有預制砼板一律采用長邊橫臥鋪砌，每個分段的第一行一律砌整板。為了錯縫需要，第二行在兩端各用一塊半板，以上各行依次重復錯縫鋪砌。用M15干硬性水泥砂漿填縫。

②襯砌分縫：包括兩側鎮腳在內，每隔9.58m(鋪116塊)設一道分段縫，縫寬30mm，縫內填滿PT塑料膠泥。