大型渠道衬砌混凝土施工设计

章永吉

【摘要】针对大型渠道边坡的特点，研究了大型渠道边坡优化的关键问题，提出了大型渠道边坡的综合优化方法： 首先，充分的地质勘察和岩土工程试验有利于准确确定抗剪强度参数，防止设计过于保守。其次，选择合适的大型渠道边坡稳定性分析方法，考虑渠道分期开挖和大板混凝土衬砌对渠道边坡稳定性的影响，准确评价渠道边坡的抗滑稳定性。再次，通过控制渠道边坡抗滑稳定安全系数影响，实现渠道整体边坡优化。最后，以渠道最小允许坡度和实际经济截面为基础，提出了一种考虑边坡稳定性和最小费用的渠道坡度优化方法。提出了渠道边坡允许极限状态和允许极限坡度的概念。

【關键词】渠道衬砌;混凝土裂缝;原因;预防措施

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

18.

1、衬砌混凝土施工中的缺陷及预防措施

长期以来，由于渠道坡度的规模较小，很少有人研究包括渠道坡度优化在内的渠道坡度问题。随着引江济淮工程等大型跨流域调水工程的建设，输水线路长度超过700公里，渠坡优化可以节约大量土地。因此，渠道坡度优化问题受到了人们的关注。同时，渠道坡度复杂，渠道坡度高。结合渠道边坡的特点，研究相应的边坡稳定性评价方法已迫在眉睫。在渠道断面优化方面，Paviz [1]提出用拉格朗日乘数法确定渠道最佳水力断面，得出最佳坡度为3/3，但该坡度远不能满足土质渠道边坡稳定性的要求。针对小梯形渠道，陈平[2]提出了以渠道费用为目标函数的最优坡度的确定方法。但是依靠衬砌厚度来满足边墙稳定性的条件很难满足大型渠道优化设计的要求。此外，王俊发[3]、潘其来[4]建立了渠道最小费用优化模型，张立兵[5]将遗传算法应用于渠道断面优化。但是在优化结果中都选择了固定的坡度，没有考虑坡度的影响。因此，有必要研究坡度对渠道断面优化的影响。以南水北调东线工程输水渠道为例，从渠道坡度优化和坡度影响下渠道断面优化两个方面对大型渠道坡度优化进行了探讨。

2、大型渠道边坡的优化方法

根据大型渠道边坡的变形特点，应从地质勘察与岩土工程试验、边坡稳定性分析方法和抗滑稳定安全系数三个方面来探讨渠道边坡的优化问题。

2.1大型渠道边坡的特点

大型渠道边坡具有以下特点： 其一，渠道边坡规模大。其二，地质条件发生了很大变化。其三，渠道断面的结构特征是多方面的。其四，渠坡高度一般小于10 m，但也有40 m 以上的坡度。其五，运河坡面成对分布。运河两岸边坡一般具有相同的特征，但有时也具有不同的特征。

2.2地质勘探与岩土工程试验

在大型渠道地质勘察中，常见的问题是勘察工作量少，取样量少。（1）抗剪强度参数离散性大，抗剪强度参数建议值过于保守，边坡稳定性评价结论过于保守。（2）勘探间距过大，经常漏掉软弱夹层，导致相应的边坡稳定性评价不合理。因此，必须保证足够的勘探工作量和足够的土样数量。为了避免保守的结果，反映了渠道坡度的优化。

2.3大型渠道边坡稳定性分析的合理方法

大型渠道边坡应根据坡度尺度、断面结构特征和地质条件进行分段。在边坡稳定性评价中，应选择一种自适应的边坡稳定性分析方法，并在必要时进行可靠度分析。适当考虑分期开挖和大板混凝土衬砌等因素对边坡稳定性的影响。对于地质条件差异较大的渠道两侧边坡，应分别进行稳定性评价。

2.4分期开挖对渠道开挖边坡的影响

选用强度折减有限元分析模拟渠坡开挖过程，分析分期开挖对渠坡稳定性的影响。通过对南水北调东线南干渠开挖段边坡稳定性分析，得出开挖边坡的抗滑稳定安全系数为1.4，四次开挖边坡的抗滑稳定安全系数为1.6。结果表明，开挖方式不仅影响渠坡的稳定性，而且可以通过调整开挖顺序来控制渠坡的稳定性。

2.5大板混凝土衬砌的影响

南水北调工程渠道采用大板混凝土衬砌，有利于渠坡稳定。采用极限平衡法和有限元强度折减法，分析了大板混凝土衬砌对渠道边坡稳定性的影响，得出以下结论。（1）对于全面大板混凝土衬砌渠道边坡，大板混凝土衬砌具有压边效应、限制边坡变形等功能，这些功能有利于渠道边坡的稳定。混凝土衬砌越厚，混凝土强度越高，压力边坡效应越强，对边坡变形的制约也越大。以南水北调东线工程南干渠为例，对于 C30级和12cm 厚的大型板式混凝土衬砌，这些功能可以使抗滑稳定安全系数提高6.3%。

（2）大板混凝土衬砌仅位于湿润断面的较高的渠坡，大板混凝土衬砌对边坡稳定性的影响与水流断面相对于整个渠段的比例有关。一般来说，它对渠道边坡的抗滑稳定性贡献较小。对于 C30级和12cm 厚的大板混凝土衬砌，这些功能只能提高抗滑稳定安全系数的1.7% 。

3、坡度影响下梯形渠道断面优化方法

3.1基本方法

考虑到坡度的影响，梯形渠道断面优化的基本方法是： （1）以渠道边坡的临界平衡状态为基础，确定渠道的最小允许坡度。（2）根据《灌溉排水工程设计规范》（GB50288-99） ，确定了梯形渠道的实用经济断面。（3）在梯形渠道实用经济断面的基础上，考虑最小允许坡度，确定总造价最小的梯形渠道最佳断面。

3.2允许极限状态和允许极限边坡

设计规范中规定的允许抗滑稳定安全系数考虑了一定的安全冗余性，使得满足允许抗滑稳定安全系数的边坡不仅满足边坡稳定性要求，而且满足规范的规定。根据边坡极限状态的概念，在最危险的渠道边坡条件下，当边坡的抗滑稳定安全系数等于允许抗滑稳定安全系数时，边坡处于允许极限状态，相应的边坡坡度称为允许极限坡度。

3.3渠道最小允许坡度

如何确定最小允许坡度？首先，确定渠道边坡的允许极限坡度。其次，边坡坡度由渗流系数和抗冻胀材料系数确定。最后，根据上述两个步骤确定渠道最小允许坡度。

3.4施工注意事项分析

首先，衬砌的适宜环境温度在30℃以下，高于30℃时宜选择在傍晚或夜间气温较低时进行施工或采用混凝土降温措施。其次，衬砌机械化施工中严格按照工艺性试验确定的振捣时间、工作速度等参数执行，做到混凝土不过振、漏振或欠振，达到混凝土深层振捣和表面提浆的效果，利于混凝土抹面和整平。再次，衬砌施工中若发现衬砌后的板面上出现露石、蜂窝、麻面或横向拉沟等现象，须停机检查、修理或更换振捣设备，并对已浇筑的混凝土进行处理。初凝前的混凝土进行补振，初凝后的混凝土进行清除，并采取填补混凝土，重新振捣。最后，在混凝土初凝后开始进行洒水养护工作，混凝土终凝后采用毛毡布进行覆盖并指派专人进行洒水养护，养护的时间或频率为砼表面保持湿润、无时干时湿现象，养护时间为28d。

3.5施工效果分析

结果表明，与实际经济断面相比，该优化方案可节约总造价8.5% 。也就是说，虽然实际经济断面是最佳水力断面和效用断面的最佳结果，但采用固定的渠坡坡度未能保证其为最佳断面。只有考虑受坡度影响的方法，才能得到最优的渠道断面。

结语：

针对引江济淮大型渠道边坡的特点，提出了渠道边坡优化的新方法： （1）充分的地质勘察和岩土工程试验可以避免推荐过于保守的抗剪强度参数。（2）选择合适的大型渠道边坡稳定性分析方法，考虑渠段开挖和大板混凝土衬砌对渠道边坡稳定性的影响，准确评价渠道边坡的抗滑稳定性。（3）通过控制渠道边坡抗滑稳定安全系数的影响，实现渠道整体边坡优化。（4）以渠道最小允许坡度和实际经济截面为基础，提出了一种考虑边坡稳定性和费用最小的渠道坡度优化方法。提出了渠道边坡允许极限状态和允许极限坡度的概念。

参考文献：

[1]李永清，董栓.型钢混凝土组合结构梁柱节点处施工技术探讨[J].山西建筑，2011（29）.

[2]丁爱忠，邱风夏尤海涛.型钢混凝土结构（SRC）梁柱节点施工技术[J].浙江建筑，2009（05）.

[3]李向阳.现浇钢筋混凝土梁柱节点设计与施工技术探讨[J].广东建材，2009（06）.