- 南水北調東線穿黃河工程建設理論與實踐
- 羅輝 傅題善 陳瑛 王有志等編著
- 3039字
- 2021-10-22 16:16:08
5.7 渠道防滲襯砌設計
5.7.1 防滲襯砌結構型式
根據南干渠渠道所處地理位置,結合南干渠渠道斷面設計成果,同時考慮渠床地質條件、地下水位埋深、防凍脹、防揚壓技術措施、施工方法、渠道走向等因素,將輸水渠劃分為4種防滲襯砌結構型式。并依據采用的新技術、新材料,以及對渠道各項技術指標進行觀測、試驗的要求,將南干渠分為6個典型襯砌渠段。分述如下。
5.7.1.1 襯砌型式一
全斷面現澆高性能混凝土面板(或摻加滲透結晶型防水摻合劑的高性能混凝土面板)防滲,板下換填砂礫石墊層排水、防凍脹,渠底暗管井排防揚壓,并進一步削減剩余凍脹量,如圖5-62所示。
該襯砌型式,自南干渠設計樁號0+100.5~0+700.5,長0.6km,分為兩個襯砌段。其中0+100.5~0+400.5渠段采用現澆高性能混凝土面板防滲,0+400.5~0+700.5渠段采用摻加抗滲新材料的高性能混凝土面板防滲。

圖5-62 防滲襯砌結構型式型式一(單位:mm)
5.7.1.2 襯砌型式二
全斷面現澆高性能混凝土面板防滲,板下換填砂礫石墊層排水、防凍脹,渠坡逆止式自流內排防揚壓。
該襯砌型式自南干渠設計樁號0+700.5~1+800.5,長1.1km,分為兩個襯砌段。其中0+700.5~1+437.5渠段現澆混凝土板厚采用10cm,1+437.5~1+800.5渠段現澆混凝土板厚采用12cm。
5.7.1.3 襯砌型式三
全斷面現澆高性能混凝土面板防滲,板下換填砂礫石墊層排水、防凍脹,渠底防淤堵逆止式自流內排防揚壓。
該襯砌型式自南干渠設計樁號1+800.5~2+200.5,長0.4km。
5.7.1.4 襯砌型式四
全斷面現澆高性能混凝土面板防滲,渠坡板下土工布排水、防凍脹QDB保溫板,渠底防淤堵逆止式自流內排防揚壓。該襯砌型式自南干渠設計樁號2+200.5~2+505,長0.3045km。
5.7.2 襯砌高度的確定
根據《灌溉與排水工程設計規范》(GB 50288—1999)對渠道襯砌超高值的規定,同時考慮冬季冰凍期輸水形成冰蓋控制水位的要求。對冰期冰蓋下輸水水位,經復合,在渠道設計輸水流量相同的情況下,輸水渠水深需加大20%~40%。綜合分析確定輸水渠的襯砌高度一般為設計水位加1.3m;對局部控制性建筑物上游水深不滿足冬季冰蓋下輸水水深要求的渠段,襯砌高度為設計水位加1.5m。
5.7.3 襯砌斷面型式的選擇
選擇渠道襯砌斷面型式,應考慮改善襯砌體的受力條件,減少不均勻變位等因素。從防凍脹的角度講,選擇防凍脹襯砌結構應從減少基土凍脹量、改善襯砌體的約束條件和提高襯砌抵抗或適應基土凍脹變位能力等方面考慮。而改善襯砌體的約束條件則需要從襯砌斷面型式方面入手。通過對U形、拋物線形、弧底梯形、梯形斷面弧形坡腳等斷面型式分析認為,對大型機械化襯砌渠道,應將坡腳做成圓弧形式,以改變凍脹位移的方向,使渠底對渠坡、渠坡對渠底襯砌受力均勻,并進一步滿足凍脹削減量小于允許法向位移值1cm的技術目標。
5.7.4 機械化現澆混凝土襯砌結構設計
5.7.4.1 防滲襯砌層斷面構造
渠坡、渠底混凝土襯砌厚度通過綜合考慮水力梯度、應力應變(含冰蓋抗剪)、接縫封閉和澆筑工藝等各種因素,以及根據機械化襯砌設備的可靠攤鋪及振搗要求來確定,一般采用8.0~12.0cm;封頂板與坡面整體澆筑;全部采用C30混凝土,抗滲標號為W8,抗凍標號為F200。混凝土板澆筑前,首先在砂墊層上噴涂陽離子乳化瀝青,以免失水,保證混凝土板澆筑質量,并相應克服凍結力對襯砌板的不利影響。機械化現澆混凝土襯砌結構圖如圖5-63所示。

圖5-63 機械化現澆混凝土襯砌結構圖(單位:mm)
5.7.4.2 排水墊層構造
砂礫料為非凍脹材料,本身無凍脹,而且能排除滲水和防止渠基水分向表層凍結區遷移。因此,混凝土板下的砂礫料排水墊層同時作為防凍層,相對密度0.7,鋪設在削坡后的原狀土(或壓實度0.94的填筑土)上。根據計算確定渠坡、渠底需置換的墊層厚度,工程沿線一般為15~25cm。排水墊層與渠底排水系統的排水盲溝以砂井連通,保證渠坡渠基影響范圍內的重力水、側滲水順利下排,進一步削減渠坡凍脹量。
5.7.4.3 襯砌分縫及填縫
為防止混凝土因收縮變形、溫度變形而引起襯砌混凝土板破壞,現澆混凝土板設置縱、橫向伸縮縫。切割后的板塊大小,應綜合考慮襯砌體適應和抵抗各種變形因素的能力,以及分縫止水的難易程度,一般混凝土板塊為3m×3m,切縫深度達混凝土板厚的75%,縫寬1cm。
在渠道采用混凝土板防滲時,除要求混凝土板有較強的抗滲性外,還要求混凝土板塊之間的分縫有良好的止水性。若分縫止水效果差或被破壞,將發生滲漏造成基土局部含水量增大,導致在基土凍結時即發生不均勻凍脹。因此,采用混凝土大板襯砌后,伸縮縫的填縫止水尤為重要。對止水材料的要求,除具有基本的防滲性能外,還須具有較好的耐熱性和抗凍性,以保證其在高溫時不流淌或被擠出,低溫時不開裂。另外,還必須與混凝土分縫基面有良好的黏結,以保證在變形時粘接面不被拉開。
因防滲型式、防滲材料、施工工藝的不同,伸縮縫止水材料的種類亦較多。美國多采用梯形明渠素混凝土厚板防滲,基本上全部采用機械化施工的方法,渠道伸縮縫均為半縫,止水材料有兩種方式,一種是在澆筑混凝土時,在新鮮混凝土上開一凹槽,深度不大于襯砌板厚的1/3,縫內填充彈性人造橡膠;另一種是在混凝土澆筑的過程上采用填縫機同時埋入聚氯乙烯止水帶,縱縫用的止水帶高度較大,厚度較小,橫縫用的止水帶厚度較大,可以有較大伸縮量,且有利于機械化施工。日本多采用鋼筋混凝土防滲材料,防滲的斷面結構型式多樣,有明渠、暗渠暗管兩大類,填縫材料多采用止水板(即橡膠止水帶)、瀝青、瀝青瑪蹄脂及彈性瑪蹄脂、密封膠。
我國以往在止水材料方面投資較少。剛性材料防滲渠道多用瀝青砂漿、油氈、聚氯乙烯油膏等作伸縮縫止水材料,但有的性能差,有的造價較高,施工技術復雜,沒有較好地解決生產中的問題。近年來,在新修建的渠道上,研究采用了焦油塑料膠泥、焦油塑料膠泥條、遇水膨脹橡膠止水條等填縫材料。目前,應用較普遍的填縫材料是焦油塑料膠泥、焦油塑料膠泥條,且價格較低,缺陷是現場加熱施工技術復雜,主要表現在施工時操作不便,熬制時溫度難以把握,工料產生浪費現象,冷施工膠泥條則存在與周邊粘接不緊密的現象,并且其耐老化及耐低溫性能不佳等方面,一般在經歷了1~2個冬夏循環后就會產生滲漏情況。橡膠止水條遇水時發生體積膨脹,如果在無約束狀態下使用,易導致遇水膨脹橡膠在無約束方向自由膨脹,作用于縫腔兩側的接觸壓力降低甚至為零,止水效果下降。因此,其施工要求高,價格亦最高,是我國目前渠道工程經濟性要求所不允許的。所以,該材料不是渠道防滲工程用的理想填縫材料。
目前,在高分子密封材料中,雙組分聚硫膠和聚氨酯密封膠在污水處理廠、機場跑道等工程中得到廣泛運用,無論是材料的粘接性,還是低溫柔性等基本性能均比較相似。
針對南水北調渠道防滲及輸水水質要求高,而市場上高分子密封材料價格又較高、工程難以承受的特點,在進行大量市場調查、分析研究的基礎上,與河南永麗化工有限公司共同開發研制了適宜明渠伸縮縫止水的明渠專用聚硫密封膠新產品,并對產品的粘接拉伸強度要求不小于0.4MPa。
明渠專用聚硫密封膠是以液態聚硫橡膠作為主劑,加入補強劑、增韌劑、增黏劑、觸變劑和其他添加劑配制加工成基膏;以金屬氧化物等配制成硫化膏,兩組份混合后固化為彈性密封材料。雙組分聚硫密封膠硫化后,具有優異的耐油、耐水、耐大氣老化、耐沖擊、耐紫外線照射、耐高溫、低溫,在-55℃溫度下柔曲性依然良好,并具有透氣率低、無毒、無污染、使用壽命長(達30年)等特點。檢測明渠專用密封材料的性能,雙組分聚硫密封膠的物理力學性能表如表5-14所示,均達到或超過了JC 482—92 B類N型一等品的標準。
表5-14 明渠專用雙組分聚硫密封膠的物理力學性能表

經試驗研究,取閉孔泡沫板填塞在切縫深部,縫口2cm內充填高分子黏合材料雙組分聚硫密封膠,在各種自然和外力條件下,確保切縫的防滲功能。聚硫密封膠填縫大樣圖如圖5-64所示。

圖5-64 聚硫密封膠填縫大樣圖