水利工程中衬砌渠道渗透问题及改善措施

丁进军

(新疆兵团农十四师224团,新疆和田 848116)

1 引言

当前,越来越多的水利工程渠道均采用现浇衬砌渠道,这种处理措施使得渠道的防渗效果增强、使用寿命加长,同时该措施施工质量便于控制、使用材料较为普遍,因此衬砌渠道在渠道防渗加固方面深受青睐。然而,在实际工程运行过程中,存在较多不利因素对衬砌渠道造成破坏,导致渠道渗透问题,严重影响了渠道的正常运行。

2 造成渠道渗透因素分析

2.1 冻胀破坏

衬砌渠道的冻胀破坏主要是由于冻胀应力的不均匀分布,而引发渠道衬砌混凝土面板被破坏导致渠道渗透。造成冻胀应力的不均匀分布的因素有以下几个方面。

(1)持续负温环境。在某些北方寒冷地区,冬季输水停止后,混凝土板下基土处于饱和状态,经过冬季低温冷冻后,土壤中自由水结冰导致基础体积膨胀,混凝土底板被抬起;当气温升高时土壤水中的冰融化,体积减小混凝土板也随之下降;再遇低温土壤水再次结冰,再次膨胀推动混凝土板鼓起,如此反复,当混凝土板自重分解的滑力大于混凝土板与土壤间的摩擦力时,混凝土板开始脱离板缝下滑,从而造成衬砌板破坏。

(2)渠道基床土属于冻胀性土壤。土在冻结状态时,基床有较高的承载力和较小的压缩性,甚至无压缩性,但冻融后承载力大大减弱,压缩性增高,导致基床产生不均匀变形,渠道混凝土衬砌结构板将可能被破坏而引发渠道渗透问题。

(3)土壤中存在通畅的水分补给通道。土壤中自由水和毛细水的存在是冻胀发生的先决条件,当土体中自由水和毛细水的补给充足时,一旦气温下降至零度以下,土体中的自由水和毛细水的体积受冻膨胀,引起土体膨胀,顶托衬砌,破坏渠道。

2.2 地下水反渗破坏

渠道发生反渗破坏的主要原因是土壤内摩擦角发生变化使得渠道混凝土板与土壤的附着力大大减小,混凝土板发生严重变形或隆起,导致整个渠道衬砌板大面积坍塌,渠坡土壤流失严重。反渗发生的原因是渠道灌溉或大雨后,渠道两岸土壤随之饱和,地下水位急剧上升,当渠道正常输水运行,渠内水位高,流量大,渠道短时间内不会发生破坏;但当渠道停止放水,渠道水泄空后,水位急剧下降,此时,土壤两侧地下水位差较大,使得侧水压力加大,若渠道未设置截渗沟,则土壤的水分开始通过混凝土板向渠道反渗,渠道底部排水孔排水不畅,不能及时排出的水必然会对混凝土板产生一定的压力,从而导致混凝土板发生位移或破坏,引起严重的渠道渗透问题。

2.3 衬砌渠道施工质量问题

2.3.1 地基处理不当引发衬砌渗透

不同类型的土壤具有的特殊性质将对衬砌渠道带来不同程度的破坏,例如,对于湿陷性黄土来说,其受水浸湿后土壤结构迅速破坏而发生显著下沉的特性,将会直接影响渠道的使用寿命;由砂壤土、粉细砂、中砂等组成地基土,当发生地震时,饱和的砂土极易产生液化而导致地基失稳;冻胀土的冻结作用带来的影响是,一方面由于冻结作用,产生冻结力使土壤颗粒牢固地黏结在一起,在冻结层里的胶结冰和分凝冰与土壤颗粒相互排列形成各种冻土构造,将导致基土整体滑移破坏;另一方面由于冻胀土中水的冻结融化给基土带来不均匀的冻胀应力,导致混凝土衬砌结构破坏而造成渗透问题;而对于盐渍土来说,土壤含盐量的增高,将导致地下水含盐量急剧增高,冬季停水期间,低洼地段的盐分随地下水渗出,使混凝土板长期处于含盐量较高的环境,混凝土受到严重的侵蚀作用,从而使得混凝土板强度降低,最终将导致混凝土板发生破坏。因此,渠道地基处理时要针对不同类型的土壤采用不同的地基处理方法,若没有严格按照不同类型土壤地基处理方法及地基处理相关规范施工,则必然会给渠道防渗混凝土衬砌工程带来隐患,从而使渠道工程衬砌发生不同方位的沉陷位移,导致渠道衬砌工程出现渗漏,直接影响衬砌渠道的防渗性能及其使用寿命。

2.3.2 衬砌渠道工程施工质量控制不当引发的问题

衬砌渠道工程施工质量控制不当一般体现为施工方法和现场操作不规范,包括以下几个方面。

(1)基底腐殖土、淤泥、垃圾等清理不彻底,渠道开挖、回填与设计方案误差较大,削坡处理不到位。

(2)衬砌结构模板拼接不严密,偏差较大。不严格执行相关规范要求,盲目追求施工进度,过早拆除模型,拆模后不进行有效的养生而导致混凝土板开裂,引起渗透问题。

(3)混凝土水灰比与设计不符,搅拌不均匀,振捣不足,混凝土各组成材料材质不能满足设计要求等,造成混凝土质量不佳而引起混凝土开裂渗透。

(4)混凝土养护条件不足,使得混凝土强度不足以承担循环、高频率的水压力,造成混凝土破坏。

2.3.3 防渗技术不当引发的渗透问题

渠道防渗是减少渠道输水渗漏损失的工程措施。渠道防渗不仅能节约灌溉用水,而且能降低地下水位,防止土壤次生盐碱化;防止渠道的冲淤和坍塌,加快流速、提高输水能力,减小渠道断面和建筑物尺寸;节省占地,减少工程费用和维修管理费用等。

常见的渠道防渗技术中采用的防渗结构或材料有土料防渗、水泥土防渗、混凝土防渗、膜料防渗及沥青混凝土防渗等方式。在这些防渗技术中有存在的一些技术缺陷很容易造成渠道输水渗漏损失。比如材料配合比不当、施工技术及组织措施不合理、土工合成膜铺设方式不恰当等问题都会引起渠道衬砌结构的破坏而造成严重的渠道渗透问题。

3 针对衬砌渠道渗透问题提出的改善措施

3.1 改善冻胀破坏的措施

在渠道防冻胀处理中有很多不同处理形式。比如,采用新型保温材料来防治渠道基土的冻胀问题,保证了渠基土不受负温的影响;通过改变渠道结构型式来实现,用U形或矩形断面来代替梯形断面;进行渠基土的换填,用大颗粒的土体替换原来的细颗粒土体,防止冻胀土壤对渠道衬砌混凝土板的冻胀应力影响。各种不同的防冻胀处理方法都有其不同的使用范围,只有针对不同工程地质条件,采用适宜的方法来处理冻胀问题才可以从根本上解决冻胀问题带来的衬砌渠道渗透。

3.2 改善反渗破坏的措施

针对雨水垂直下渗采取的防范措施主要有优化结构型式、加强级配设计、使用性能良好的材料、控制施工工艺以及加强检测手段等方法,以此控制因雨水下渗对渠道衬砌结构的破坏。针对地下水反渗,一般在渠道槽内埋设纵横向排水渗沟,在槽顶面和基层之间增设级配碎石反渗层,通过级配碎石反渗层进入横向排水渗沟内的排水管中,通过横向排水管进入纵向排水管而排出基础外。

3.3 衬砌渠道施工质量控制方法

3.3.1 渠道地基处理

对于软土地基可以采取排水、抛块石、放缓开挖边坡、坡脚打桩等措施来提高地基承载力,达到渠道工程设计要求;对于砂壤土、粉细砂、中砂土壤地基的施工,最主要是选择无湿陷性的填料进行填筑,同时在填筑碾压时要严格控制铺土厚度、含水量及碾压遍数,这样才能避免基地砂土液化流失引起的基底失稳问题。在地基处理中必须针对不同地基土壤类型采用不同地基处理方法才可以避免地基失稳引起的衬砌渠道渗透问题。

3.3.2 避免衬砌混凝土结构板开裂的方法

实际施工过程中由于各种原因造成的混凝土开裂比较普遍,轻者反映为裂纹和细微裂缝,经修补对使用功能没有大的影响;重者造成大的裂缝甚至衬砌结构移位,这将直接影响衬砌结构的使用甚至造成安全事故。避免衬砌混凝土结构板开裂的方法包括以下几点。

(1)仔细清理基底浮渣,并用清水冲洗干净。对于有仰拱填充的衬砌,严格控制和确保仰拱尺寸、厚度,拱墙衬砌时一定要对与仰拱的接触面进行凿毛清理。

(2)同步进行断面检测,确保开挖轮廓符合设计要求。

(3)严格控制模型加工质量,确保模板平稳度。

(4)严格控制混凝土配合比和混凝土的和易性。

(5)控制混凝土的灌注速度,加强振捣,确保混凝土灌注密实。

(6)确保混凝土养护条件符合相关规范设计要求。

3.3.3 采用正确的防渗技术

针对不同工程地质条件采用不同的防渗技术,利用合理的防渗结构或材料来达到衬砌渠道的防渗要求,保证渠道的正常运行。

(1)土料防渗就是将渠基土夯实或者在渠床表面铺筑一层夯实的土料防渗层,包括压实素土、黏砂混合土、三合土、四合土、灰土等。土料防渗具有允许流速小,抗冻耐久性差等缺点,适用于气候温和、地区流速较小的中型、小型渠道。施工时必须掌握好削坡清淤、配料、拌和、铺料、锤实和养护等各个环节,也可在土料中添加固化剂增强渠道防渗性。

(2)水泥土具有较好的防渗效果,具有允许流速小,抗冻性差等缺点。适用于温和地区,且附近有砂土和砂壤土而缺乏砂石料的渠道。水泥土铺筑时应做到配料准确、搅拌均匀、摊铺平整、浇捣密实。

(3)混凝土衬砌渠道具有防渗抗冲效果好,输水能力大,经久耐用,便于管理等特点。因而适用于各种地形、气候和运行条件的大型、中型、小型渠道,附近应有骨料来源。混凝土衬砌施工技术采用喷射混凝土以及对塑料养护剂的应用,现浇完毕后应及时收面,及时养护。混凝土预制板初凝后即可拆模;安砌应平稳坚固;砌缝应用水泥砂浆填满、压平、抹光。

(4)膜料防渗是用塑料薄膜或沥青玻璃纤维布油毡或复合类膜料做防渗层,其上设保护层的防渗方法。膜料防渗性能好,适应变形能力强,尤其适用于冻胀性较为严重的寒冷地区。膜料防渗的核心工序在于保持膜层的完整和保护边坡的稳定。

(5)沥青混凝土衬砌属于柔性结构,其防渗能力强,适应变形性好,造价与混凝土相近,适用于冻害地区,且附近有沥青料源的渠道。沥青混凝土衬砌在正式施工前,必须首先进行试铺筑,以确定沥青混合料的配合比、摊铺厚度、施工温度、碾压遍数等工艺参数。

4 结语

本文结合实际中出现的各种衬砌渠道渗透问题,以现今普遍采用的衬砌渠道施工方法为重点,对普遍存在的渗透问题提出了针对性的改善措施,在衬砌渠道施工及运行中应用改善措施可以有效地改善渠道的防渗性,提高渠道使用寿命。

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