铰接式潜隙排水模袋研究

孙亚东，周继元

（吉林省水利科学研究院，吉林长春130022）

铰接式潜隙排水模袋研究

孙亚东，周继元

（吉林省水利科学研究院，吉林长春130022）

铰接式潜隙排水模袋的研究，主要是为了解决吉林省季节性冻土区外渗水边坡渠道护砌结构的冻胀问题。文中经过大量的理论研究与室内试验，利用结构创新研究思路提出了适应渗水、冻胀边坡防护新结构——铰接式潜隙排水模袋防护结构。并经过试验工程验证了其是一种适用于季节冻土区外渗水边坡防护的新型结构，具有推广价值。

外渗水渠道；护砌；铰接；排水；潜隙；模袋混凝土

1 概 况

吉林省地处季节性冻土区，一直以来渠道防护结构研究均围绕着提高结构的抗冻胀性能，基本上以“截”为主，抵抗或阻止延缓冻结来解决渠道冻胀问题，而对于外渗水的情况考虑不足。事实上，在季节冻土区的湿渗性渠道冻胀量较大，但积累性冻结不强。而地下水位较高的外渗水渠道，其积累性冻结则大幅地提高了渠道的冻胀量，从而加大了冻胀力对渠道的破坏，进而也加速了渠道防护结构的破坏进程。因此简单地考虑冻胀而不重视湿渗与外渗水对渠道防护结构的影响，则会造成工程安全度的不足，最终导致工程遭到破坏。

2 吉林省渠道运行现状

目前，吉林省较为常用的渠道冻胀防护衬砌结构有：预制铰链式混凝土块、预制及现浇素混凝土板块、土工格室结构、预制及现浇PP纤维混凝土板块、滤透型结构以及机制模袋混凝土结构等。上述防护结构相对于干性、潮湿渠道防护较为成功，尤其适用于吉林省中小型无渗水的低边坡输水渠道。但对于那些冬季存水、有外渗水情况的渠道边坡，即使是中小型挖方渠道，也经常性地出现渠道防护结构脱坡、滑落、鼓胀、搭架、断裂破坏的情况，这类工程常常呈现出“一年新、二年旧、三年脱、四年破”的状态，成为修不完的渠道防护工程。

3 外渗水边坡护砌结构破坏原因分析

经过对吉林省多处灌区外渗水边坡情况调查研究分析后发现，其渠系护砌结构破坏的主要成因：

1）由于结构排水不畅，渗水难以顺利排出，积压水造成边坡水头压力上升，随着压力增大，造成护砌结构起鼓破坏、积水排出、压力释放。

2）外渗水不断对边坡进行侵蚀，致使边坡凹凸不平，护砌结构基础破坏，最终导致护砌结构断裂或脱坡。

3）冬季渗水逐渐结冰，随着冻胀量增加，轻则使护砌结构冻胀起鼓，产生裂缝，严重时护砌板块折断，部分或整体下滑，形成脱坡。

4 铰接式潜隙排水模袋

根据调研结果，认为以“截”为主，即增加结构刚度、强度与重量抵抗渗透压力的护砌结构造价过高，且浪费材料，与现在提倡的环保理念相违背。因此，提出了以“顺”为主的结构设计理念，使护砌结构自身具有排水减压并适应变形的功能，将渗透水顺出，结构自身能够耦合冻胀变形过程，利用结构创新思研究思路提出了适应渗水、冻胀边坡防护新结构——铰接式潜隙排水模袋防护结构。下文主要从模袋机理、施工工艺、耐久性3个方面开展研究。

4.1 潜隙排水模袋机理

模袋的作用实质上是工程临时性的平面凹凸状模具，研究主要是要解决在模袋缝制过程中铰接与排水问题。经过反复研究模袋结构的形成过程，最终选择在模袋的缝制过程中改进缝制方法，实现模袋排水与铰接的有效结合。因此，在模袋缝制程序中增加了排水的结构缝制技术，确保模袋排水通道相互联通，土体渗水由边坡向排水通道方向渗入，通道内集结的渗水沿排水通道排出，由于机制模袋材料的缝制封闭作用，渗水不会向排水通道外侧渗出。模袋排水通道可及时将坡面渗水排出，减少了岸坡外渗水处局部渗压与积累冻结、积累冻胀量过大对边坡护砌影响严重的问题。削弱了坡面局部的积累与冻结，促使模袋下坡体冻结相对均匀。因此，保证了模袋结构不会因为坡体产生积累冻结而发生大范围的结构断裂。

4.1.1 排水系统

潜隙排水模袋的排水系统组成：矩形分布线性排水网络是由平坡顺向两个方向的排水通道组成，即沿岸坡的横、纵两个方向均缝制形成潜隙排水通道。平坡向潜隙排水通道的作用是拦截坡外渗水，然后渗水沿平坡向通道流动，在与顺坡向潜隙排水通道交汇处汇入顺坡向潜隙排水通道中，最后渗水在与渠道水接触处排入渠道。

潜隙排水模袋的缝制过程采用叠缝法预留出排水通道，虽然增加了部分缝制程序，但实现了模袋自身的排水通道，潜隙排水模袋混凝土结构如图1所示，模袋潜隙排水网络结构如图2所示。

图1 潜隙排水模袋混凝土结构

4.1.2 铰接系统

图2 模袋潜隙排水网络结构

在不影响施工进度与难度情况下实现潜隙排水模袋铰接结构的核心与关键问题是：利用模袋施工通道形成铰接系统，当然铰接结构形成后也不能影响到排水系统。铰接结构设置在横向排水通道与施工通道交接点，连接材料可以是预埋的各种塑性线材，按照模袋铰的作用也可以不埋设，若埋设则成为一种连接性可承受相对转角的塑性铰链。

4.2 模袋施工技术

机械化施工程度高是模袋施工的一大特点，通过泵灌充填材料完成模袋施工。材料由泵灌填充到模袋内，连通结构使模袋充盈，完成模袋护坡施工。铰接体系是为增加模袋变形能力而设置的，但因为施工难度大难以在大范围内推广使用。另外，铰接体系的连接有助于加强模袋的整体性，膜袋中尼龙绳连接只是控制施工期模袋块体间相对位置，若模袋整体保持稳定，这个铰链体系对模袋运行也无实际意义。随时间推移，模袋连接尼龙绳会逐渐老化、失效。

常规铰接式模袋的最大问题就是模袋结构在中间截断，通过铰接模袋铰接结构的功能分析，得出要想使模袋结构达到预期的边坡防护功能，模袋制作要“一通到底”，绝对不能在中间截断，该技术使施工速度不受模袋铰接体系的影响，既不增加模袋施工难度，影响施工质量，也不降低施工速度。

4.3 潜隙排水模袋耐久性

模袋结构特点决定模袋块体自身稳定效果较好，其陷入部分大幅提高了结构整体稳定效果。因此，只要填充材料保证自身的耐久性，模袋结构也就具有了相应的耐久性。灌注材料性能研究如下。

4.3.1 高耐久模袋混凝土充填材料试验

模袋混凝土要求具有较好的和易性，较高的流动性，在灌注的过程中不泌水，具有较高的强度与高抗冻融性能。为了项目取得最好的效果，进行了一系列试验，要求灌注混凝土具有较好的流动性与抗冻性能。试验结果见表1。

表1 模袋充填材料抗冻融试验

从表1可以看出，模袋填充混凝土可以达到F300以上抗冻指标。在实际工程中，由于模袋体材料对混凝土表面的排水作用，混凝土表面的水灰比实际上要比试验室的小一些，因此充填混凝土的抗冻指标效果会更好一些。

4.3.2 高性能低成本模袋混凝土充填材料试验

已有研究表明，掺加高品质粉煤灰的混凝土比空白混凝土性能更好。粉煤灰用作混凝土的掺合料不仅可以节约水泥，更能够改善混凝土的施工性能。在混凝土中掺入粉煤灰可以明显改善混凝土的孔结构，掺优质粉煤灰和塑化、减水、引气等外加剂后，混凝土气体渗透系数明显降低，流动性明显提高，适当的外加剂与添加材料可改善混凝土的和易性、降低温升，提高混凝土的后期强度，提高混凝土的抗渗性、抗冻性等。并能大幅降低混凝土模袋工程的造价。试验结果见表2。

表2 模袋充填材料抗冻融试验

从表2中可以看出，粉煤灰添加量达到胶凝材料用量30%时，混凝土抗冻指标达到了F200。

5 应 用

为了检验研究的理论成果及室内试验效果，在哈达山灌区输水干渠结构试验段开展了结构与材料试验，试验区试验面积约500 m2。试验区基本情况如下：试验区位于哈达山输水干渠中段，垂直坡面水面长约40 m，最大水深3.5 m，渠段长50 m，渠道挖深13 m，渠道底宽26 m。地下水埋深约4 m，地下水位高出渠底最大深度达6.5 m，平均3.5 m。渠床为黄土状粉细砂壤土，为强冻胀土。坡面护砌长15 m，观测点设定为间隔1.5 m。观测当年最大冻深：阴坡200 cm，阳坡158 cm。观测区域内最大冻胀量为35.6 cm。观测现场最大冻胀量为28.4 cm。

为了验证潜隙排水模袋的抗冻胀效果，在试验段旁设置了常规机制模袋试验段。同时施工，同样材料。试验观测期从2008年11月至2009年5月。

通过长达半年的观测，发现铰常规机制模袋的最大冻胀量比潜隙排水模袋最大冻胀量大约10 cm，并且在阴坡常规机制模袋区域内有地下水溢出点，而潜隙排水模袋区未发现有地下水溢出。在2009年7月常规机制模袋区发现了较长的45°断裂，后期又出现了沿不同方向的较长裂缝，而潜隙排水模袋直至2011年3月现场踏查仍保持结构完整状态。

6 结 语

潜隙排水模袋的研究历时3年，经过大量的理论研究与室内试验，最终又经过多处试验工程的检验，验证了其线性潜隙排水网络可有效地将边坡外渗水疏导排出，减少了岸坡外渗水处局部渗压与累积冻结，尤其解决了冬季产生的累积冻胀量过大、对边坡护砌影响严重的难题。有效削弱了坡面局部积累冻结，促使模袋下坡体冻结相对均匀，保证了模袋结构不会因为坡体产生积累冻结而发生大范围的结构断裂。证明了它是一种新型的偏柔性具有自身排水功能的，是适用于季节冻土区外渗水边坡防护的新型结构，具有推广价值。

S276

A

1002－0624（2016）12－0041－03

吉林省2009年科技支撑计划（现代农业领域）项目（项目编号：20090256）

2016-02-20