渠道衬砌与防渗设计

张潇

（保定市西大洋水库管理处，河北保定072350）

渠道衬砌与防渗设计

张潇

（保定市西大洋水库管理处，河北保定072350）

石津干渠供水区属水资源极度缺水地区，由于水资源短缺和过度开发利用水资源，引发了一系列的环境、地质问题，因此渠道衬砌与防渗对渠道节水改造显得尤为重要。渠道采用现浇混凝土板衬砌减糙，实现渠底和边坡全断面衬砌，衬砌顶高程为加大水位加超高。衬砌厚度边坡0.1 m，渠底0.08 m。通过计算渠道渗漏流量确定了渠道防渗设计方案，即结合混凝土衬砌，渠基渗透系数小于1×10-5m/s的渠道采用现浇混凝土衬砌防渗，以聚硫密封胶嵌缝；渠基渗透系数大于1×10-5m/s的强渗漏渠段、渠道下方有穿渠建筑物的渠段铺设土工膜，以加强防渗。

南水北调；石津干渠；渗漏；衬砌

石津干渠工程作为南水北调配套工程的重要组成部分，担负着向石家庄、沧州、衡水等城镇的输水任务，是确保江水调得来、用得上的关键环节。其地理位置处于北纬37°36′～38°07′和东经114°25′～116°49′，所处范围属于华北平原。根据岩性分布，渠道土体可分为3类地质结构：黏性土单一结构、黏砂双层结构及黏砂多层结构。石津干渠供水区属水资源极度缺水地区，由于水资源短缺和过度开发利用水资源，引发了一系列的环境、地质问题，因此渠道衬砌与防渗对渠道节水改造显得尤为重要。

1 渠道衬砌设计

根据南水北调配套工程特点及沿线自然条件，对各类衬砌材料进行分析比较，确定混凝土为本段渠道衬砌材料。本渠段渠道衬砌范围为全断面衬砌，衬砌顶高程为设计水位加超高。本渠段渠道均为土质地基，采用现浇混凝土衬砌。

1.1 衬砌顶部高程确定

根据《河北省南水北调配套工程可行性研究渠道土建工程设计技术规定》，衬砌顶部高程计算公式为：

式中：H衬砌为渠道衬砌顶部高程（m）；H设计为渠道设计水位（m）；Δ为衬砌超高（m），依据文献[1]可采用0.3～0.8 m，本次设计综合考虑取Δ=0.5 m。对衬砌顶与堤顶高差小于1.0 m的渠段，衬砌到顶。

1.2 衬砌混凝土等级设计

根据《河北省南水北调配套工程可行性研究渠道土建工程设计技术规定》和文献[2]，因本段渠道最冷月（1月）平均气温为-9.3～-7.5℃，属寒冷气候区，故渠道衬砌混凝土采用强度等级C20、抗冻等级号F150、抗渗等级W6。

1.3 衬砌结构尺寸

为减少造价和衬砌施工方便，相同部位的渠道采用等厚矩形混凝土板衬砌。混凝土板的厚度及尺寸，与基础、气温、施工条件等有关，根据规范选用。

1.3.1 板厚

根据文献[2]，现浇混凝土板最小厚度在温和地区为0.08 m、寒冷地区0.1 m，另考虑干渠常年输水，渠底不会出现负温，因此确定本段渠道现浇混凝土边坡厚为0.1 m、渠底厚0.08 m。

1.3.2 衬砌分缝

（1）伸缩缝间距。文献[2]中规定，现浇混凝土纵缝间距为5 m、横缝间距为3～5 m。本工程渠道纵横缝间距一般为4 m，渠底宽2 m渠段横缝间距为2 m。

（2）缝型、缝宽及填料。渠道衬砌分缝均采用结构简单、施工方便的矩形缝。缝宽决定于缝距、温度变幅、施工时混凝土的干缩系数、混凝土的线膨胀系数、缝内填料的伸缩性能和粘结力及施工要求等，一般采用0.01～0.03 m。本段渠道伸缩缝为通缝（贯通衬砌板厚），缝宽0.02 m。衬砌分缝填料选用性能良好的填料，以防漏水，具体要求如下：①具有一定的耐热性，当气温最高时填料不发生流淌现象；②具有良好的抗冻性，当气温最低时填料不冻裂或剥落；③具有良好的伸缩性，在缝口张大时填料不裂缝，缝口缩小时填料不被挤出；④与混凝土面具有良好的粘接力，在负温下粘着力不脱开；⑤耐久性好。根据上述要求，结合伸缩缝的特点，确定渠道填缝材料选用聚硫密封胶。

1.3.3 混凝土板平面结构尺寸

现浇混凝土板根据其分缝情况确定平面尺寸，新挖渠段渠底每块板为2 m×4 m，利用原有渠道段及渠道边坡为4 m×4 m。

1.3.4 封顶板

根据文献[2]规定，渠道在边坡衬砌顶部设置水平封顶板或封顶齿墙。封顶板与检修公路路缘石结合，宽0.25 m，板厚同边坡衬砌板。封顶板或封顶齿墙与边坡衬砌现浇为一体。

1.3.5 坡脚齿墙

渠道衬砌在坡脚均设齿墙，通过对各段渠道的齿墙稳定计算，确定现浇混凝土齿墙断面宽0.2 m、高0.3 m。

2 渠道渗漏量计算与防渗设计方案确定

2.1 渠道渗漏等级划分

根据渠道不同岩性的渗漏能力（渗透系数）进行渗漏等级划分。

（1）强渗漏。渗透系数大于1×10-4m/s的岩性属强渗漏，代表岩性有中粗砂、砾砂、卵石、粉砂、细砂及全风化片麻岩、石英砂岩等。强渗漏段共计2段，第一段起止桩号分别为36+391、79+731，长43 340 m；第二段起止桩号分别为118+646、123+515，长4870m。

（2）中渗漏。渗透系数为1×10-6～1×10-4m/s的岩性属中等渗漏，代表岩性有砂壤土、黄土状壤土、全风化页岩、泥灰岩等。除强渗漏段外，其余渠道均为中渗漏段。

2.2 渠道渗漏量计算方法

2.2.1 无防渗情况下的自由渗漏量

渠道渗漏损失主要与水文地质条件、渠床的土壤性质、渠道湿周及输水时间等因素有关。渠道渗漏损失量随渗漏过程而变，一般可分为自由渗漏和顶托渗漏。

根据渠道沿线各段的土质、土壤渗透系数、地下水位以及渠道挖填情况，各渠段防渗前的自由渗漏量计算公式为：

式中：S为无防渗情况下单位渠长的渗漏量[m3/（s·m）]；k为土壤渗透系数（m/s）；b为底宽（m）；γ1为边坡侧向毛管渗吸的修正系数，取1.1～1.4；h为设计水深（m）；m为渠道边坡系数。

渠道顶托渗漏量计算公式为：

式中：S顶为顶托情况下单位渠长的渗漏流量[m3/（s·m）]；γ为顶托渗漏损失修正系数；其余变量含义同上。

2.2.2 防渗后渗漏量

渠道防渗后渗漏量计算公式为：

式中：S防为防渗后单位渠长的渗漏流量[m3/（s·m）]；β为防渗后渠道渗漏量减少系数，混凝土衬砌取0.1，混凝土加复合土工膜防渗取0.05；其余变量含义同上。

2.3 渠道防渗设计方案确定

渠道防渗形式包括：土料或水泥土防渗，造价低，施工简便，但耐久性、抗冻性较差；石料防渗，施工简便，抗冻、抗冲、抗磨和耐久性好，但防渗效果一般不易保证；埋铺式膜料，重量轻，运输量小，防渗效果好，但采用土料保护层时允许流速小、占地多，采用刚性保护层时造价较高；沥青混凝土或混凝土防渗，防渗效果、抗冲性和耐久性好，可用于各类地区和各种运用条件下的各级渠道衬砌。

根据因地制宜、就地取材的原则选定防渗结构，并应满足下列要求：防渗效果好，最大渗漏量能满足工程要求；经久耐用，使用寿命较长；输水能力和防淤抗冲能力高；施工简易，质量容易保证；管理维修方便，价格合理。

土料或水泥土防渗耐久性较差，石料防渗效果不宜保证且需要石料量大，均不适合本渠段的防渗设计。根据防渗效果要求，土工膜防渗或混凝土防渗更适合石津干渠节水改造的要求。

采用土工膜防渗加土料保护层形式，防渗效果好、投资少，但石津干渠灌溉期水流流速在1.13 m/s以上，会对土料保护层造成冲刷破坏。所以，本渠段采用土工膜加刚性保护层和混凝土防渗2种形式的防渗方案较为理想。

总干渠沿线黄土类土覆盖长度占渠长89%以上，其中渠基多为壤土，在无防渗措施情况下渠道渗漏量较大，因此应采取防渗措施，并根据各渠段土质、挖填情况，在经过防渗效果、投资比较基础上，选定最佳防渗方案。

2.3.1 方案拟定

方案Ⅰ：渠基渗透系数小于1×10-7m/s的渠道采用现浇混凝土衬砌，以聚硫密封胶嵌缝防渗；渠基渗透系数大于1×10-7m/s中、强渗漏的渠段及渠道下方有穿渠建筑物的渠段铺设土工膜加强防渗。

方案Ⅱ：渠基渗透系数小于1×10-5m/s的渠道采用现浇混凝土衬砌，以聚硫密封胶嵌缝防渗；渠基渗透系数大于1×10-5m/s的强渗漏渠段及渠道下方有穿渠建筑物的渠段铺设土工膜加强防渗。

方案Ⅲ：现浇混凝土衬砌，以聚硫密封胶嵌缝，全断面土工膜加强防渗。

2.3.2 防渗效果比较

根据渠道地质资料和渠道设计断面分析计算各方案衬砌后的年渗漏量和投资。经方案比较，方案Ⅱ由于对强渗漏段（k＞1×10-5m/s）在混凝土板下加了土工膜，因而漏水量明显减少，平均每减少单方水的渗漏损失增加投资最小。方案Ⅲ投资最小，但水量损失较大，因此设计推荐方案Ⅱ。渠道防渗前的渗漏损失为2.79亿m3，衬砌后损失2 700万m3。

3加强防渗设计

（1）加强防渗渠段及部位。渠道全断面混凝土板衬砌，已经起到一定的防渗作用，根据防渗措施效果分析，对于土质较好、渗透性较弱的渠段，不再采用其它的防渗措施，但对于强渗漏及有穿渠建筑物等特殊渠段需全断面铺设复合土工膜加强防渗。

（2）防渗材料。根据文献[3]的规定和衬砌板抗滑稳定要求，选用576 g/m2的二布一膜复合土工膜作为加强防渗材料，其中膜厚0.000 3 m。

（3）防渗设计。渠坡防渗土工膜顶部高程与衬砌顶部高程相同，并压在封顶板下，采用三角形压边方式。防渗材料均铺在混凝土衬砌板下。膜层的铺设一般采用粘接，粘接宽度不小于0.1 m，粘接方向应是由下游向上游顺序铺设，上游边压下游边。

4 结语

渠道采用现浇混凝土板衬砌减糙，渠底和边坡实施全断面衬砌，衬砌顶高程为加大水位加超高。衬砌厚度边坡0.1 m，渠底0.08 m。防渗设计结合混凝土衬砌，渠基渗透系数小于1×10-5m/s的渠道采用现浇混凝土衬砌防渗，以聚硫密封胶嵌缝；渠基渗透系数大于1×10-5m/s的强渗漏渠段及渠道下方有穿渠建筑物的渠段铺设土工膜，以加强防渗。

[1]GB50288-1999，灌溉与排水工程设计规范[S].

[2]SL18-2004，渠道防渗工程技术规范[S].

[3]SL/T225-1998，水利水电工程土工合成材料应用技术规范[S].

TV698.2+4

B

1004-7328（2017）04-0028-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.04.009

2017—03—20

张潇（1981—），男，工程师，主要从事水利水电工程设计施工及运行管理工作。