太河水库输水渠道防渗加固设计分析

刘宗国，刘 刚，刘长柱

(淄博市太河水库管理中心，山东 淄博 255178)

1 工程概述

淄博市城乡同源同网饮水安全供水工程建设(即“引太入张”)，“引太入张”供水工程包括输水工程和配水工程2个部分，该工程自太河水库总干渠首至沣水净水厂全长31km。主要包括26.3km供水渠道、1.7km供水箱涵和3km供水管道3个部分，输水工程是由建设于20世纪70年代的太河水库总干渠工程改造而成，由于原渠道、渡槽等均为开敞式，无法保证饮水水质达标，因此，为确保水质安全，对总干渠进行覆盖、防渗，改造为封闭式输水渠道，总干渠道覆盖包括梁板覆盖、彩钢板覆盖、砌拱覆盖；渠道防渗包括渠墙喷C30混凝土和渠底浇筑C20混凝土。输水工程自2009年8月开工建设，2011年6月工程竣工，设计供水规模10万m3/d，供水保证率95%，工程总投资9666万元，“引太入张”输水工程于2011年7月全线通水运行。

2 输水渠道渗漏问题及分析

2.1 明渠

(1)裂缝及沉陷变形多。渠道混凝土底板裂缝较多，分布于全渠道上，大约上百条，横向裂缝占大部分，一般横贯底板，缝宽0.5～6.5mm不等，都有渗漏水现象；纵向缝较少，检测中发现的一条较严重的底板纵缝长度约1000m，位置在坡子沟2号涵洞出口至闫下东渡槽进口处(桩号为21+027.99～22+054.16)，该缝宽度为2.0～5.1mm，位置基本在渠道中心，有时偏左。现场检测渠道混凝土底板碳化深度为10.3～25.1mm。渠道底板上预留的沉陷缝较多，一般每10～20m渠段就有一条，绝大部分都没有做止水处理，个别发展的缝隙过宽，漏水严重。总干渠段墙体裂缝大约数十条至上百条，以竖向(梯形)裂缝为主，水平裂缝较少，缝宽8.0～36mm。裂缝的主要原因是渠下地基不均匀沉陷，有的部位渠墙已经拉开，形成断裂缝。检测中发现墙体沉陷、裂缝较严重的渠道有：黑旺渠段(桩号11+690～12+200)；南术西渠段(桩号19+420附近，墙体沉陷、裂缝4处，长约25m)；闫下东渠段(桩号为21+027.99～22+054.16，侧墙有4条竖向断裂缝)。

(2)砂浆强度、碳化及剥蚀。现场检测，砂浆的碳化深度为8.1～27.2mm，勾缝砂浆强度推定值为3.01～24.8MPa，大多数满足设计要求，局部不满足；砌筑砂浆强度推定值为0.37～6.65MPa，大多数不满足设计要求，主要原因是当初的砌筑砂浆多数都是混合砂浆(石灰、黏土混合砂浆)，水泥砂浆主要用在渠墙表层和勾缝上(由检测的断面也可看出)。底板有明显的冲磨剥蚀现象，局部成片剥蚀脱落，石子外露，有的形成冲坑、洞穴，深度约50mm。两侧渠墙砌石砂浆上部剥蚀较轻微，水位变化区冻融、剥蚀较严重，有的渠段砂浆连片脱落，局部砂浆被淘空，块石间形成较大缝隙并且漏水严重。

(3)渗漏、溶蚀。渠道为浆砌石结构，因渗漏而引发的冻融、溶蚀现象较普遍，局部比较严重。砌筑砂浆几乎不防渗，一些砂浆剥蚀脱落部位漏水更加严重。

(4)泥沙淤积。渠道内部有泥沙淤积，块石、碎石堆积现象，局部较严重，泥沙污物淤积多发生在宽为7.0m的渠段，块石、碎石堆积多发生在宽为4.0m的渠段。

(5)陡坡危岩。渠道局部挖方较大，有的地方岩石高耸林立，犬牙交错且有较大的裂隙等，形成危岩，威胁渠道的安全。

(6)污染及其他。渠道内经常看到不少的农药容器、化肥包装袋、秸秆、生活垃圾等废弃物，临近生活区的渠段有生活污水或工业废水排(渗)入渠内，严重威胁正常的供水安全。

2.2 渡槽

8座钢筋混凝土渡槽多数槽身保护层厚度不均，内外均有钢筋出露；槽身上部栏杆老化缺失严重，检修桥、横梁等老化剥蚀、脱落严重，局部多处钢筋暴露且严重锈蚀，顺筋裂缝较普遍；水位变化区内局部有混凝土冲磨剥落、胀裂缝和溶蚀现象；墩台及砌石砂浆均有不同程度的冻融、溶蚀现象。

16座砌石渡槽大多数槽身及伸缩缝渗漏严重，拱圈有较严重的渗漏溶蚀现象，拱顶有断裂缝，勾缝砂浆局部剥蚀、脱落，墩台及支墩勾缝砂浆均有不同程度的冻融、溶蚀现象，孔底淤堵，影响汛期行洪等问题。

2.3 石洞

7座石洞大部分底板局部有冲磨剥蚀，石子外露；洞内混凝土预制块衬砌拱顶渗漏溶蚀普遍较严重；洞内顶部一部分未支护，围岩裸露，岩体节理裂隙非常发育，有的局部破碎；洞内有碎石、泥沙连片堆积；两侧墙体砌石砂浆剥蚀，水位变化区局部剥蚀较严重；6#石洞底板有涌泉现象。

2.4 土洞

大部分土洞底板表面有冲磨剥蚀现象；洞内混凝土预制块衬砌拱顶渗漏溶蚀较普遍，局部渗漏溶蚀严重；两侧墙体砌石砂浆有剥蚀，水位变化区局部剥蚀严重，墙体局部渗水较严重。

3 干渠防渗加固设计

3.1 防渗方案比选

总干渠现状为浆砌石结构，小流量长期不间断供水时会产生较大的渗漏损失，还会对渠道产生冻害，影响使用。本次设计对总干渠明渠进行全线防渗处理。

本次设计对剩余2.08km未护砌段(桩号23+300～25+284和26+087～26+188)渠底进行防渗处理。另外已处理段局部破损严重，设计对破坏段渠底拆除重建，总长2.37km。渠底设计防渗处理总长4.45km。借鉴已建工程经验，采用处理措施为现浇砼防渗，厚15cm。对渠墙全线采用喷射砼防渗，根据规范，厚度取6cm。砼标号均选用C30，抗冻标号F150。结合原渠墙分缝间距，渠底和渠墙防渗每10m设一道伸缩缝，缝宽为2cm，缝内填闭孔型聚乙烯泡沫塑料板，表层采用HBPU深勾缝。由于渠墙喷射砼厚度较薄，为了提高砼的抗裂性能，减少喷射砼的回弹量，在砼中掺入外加剂防水，选择聚丙烯腈和凯盾KIM水泥基2种材料进行比选。

方案一：聚丙烯腈纤维方案，每立方砼中掺入量为1.5kg。每立方砼造价750元。主要优点：较好的抗裂、阻裂性能；较好的抗冲击性能；较好的耐磨、耐腐蚀性能；较好的抗渗、耐腐蚀性能；较好的抗疲劳和抗碎裂性能；可显著降低回弹量。主要缺点：抗渗性能较KIM水泥基稍差。

方案二：凯盾KIM水泥基，每立方掺入量7kg。每立方砼造价970元。主要优点：KIM有独特的自行愈合细微裂缝的能力，能在混凝土寿命期任何时间内生长晶体；KIM能减少收缩开裂和养护阶段的开裂，提高混凝土的质量和寿命；KIM高质量的引气性能可以降低水价热胀冷缩造成的影响，提高混凝土的耐久性。主要缺点：造价高。

经综合比较，2种材料都能显著提高砼的抗裂、抗渗性能，但凯盾KIM水泥基具有自愈合功能，安全度更高，价格虽然较高，但对渡槽、土洞、管道进水池等渗漏要求严格部位更为安全可靠，对一般渠段，聚丙烯腈纤维能够满足抗渗要求。喷射混凝土采用湿喷方案，参考配合比为水泥：砂：石=1∶2∶2。因此本次设计分2种情况掺入外加剂：对一般渠段选用聚丙烯腈外加剂，每立方掺入量1.5kg；对渡槽、土洞、进水池掺入凯盾KIM水泥基，每立方掺入量7kg。施工时应根据现场实验确定有关参数。

3.2 防渗高度

根据水库历年供水运行记录，总干渠最大供水量为10m3/s。因此渠道设计防渗高度按10m3/s流量的水面线推求结果并结合施工综合确定。

水面线推算按能量公式进行：

(1)

采用分段试算法由下游至上游逐段推算水位。渠墙糙率取0.02；渠底糙率取0.017。根据水面线计算结果，对于一般渠段预留超高0.3m，对于渡槽前较小范围壅水不考虑超高。考虑施工方便因素，确定防渗高度一般为2m，局部渠段为2.3m。经复核，设计防渗高度的最大过流量可达11.6m3/s。

3.3 覆盖设计

总干渠明渠现状长度17.33km，其中宽度为4m的渠道长2.71km，宽度为7m的渠道长12.33km。已覆盖总长为2293m，本次新覆盖长度15.04m。

3.3.1方案比选

由于总干渠主要处于山丘区，弯道较多，沿途又经过许多村庄厂矿，地形复杂，结合宽度为7.0与4.0m渠道的实际地形，吸收已建工程经验，选择SP预应力空心板、普通预应力空心板配梁、实心板配梁、砌拱等4种覆盖方案进行深入比选。同时鉴于宽度为7m的渠道较长，且为覆盖量的主体，因此比选时以宽度为7.0m的渠道为主。方案比选详见表1。

表1 覆盖方案比选表

本工程绝大部分位于山丘区，运输困难。采用梁板结构的覆盖形式不仅可以避免覆盖后车辆通行的隐患，而且可以防止沿线村民在盖板上大面积堆积杂物，有利于运行管理。经综合考虑推荐方案二，即宽度为7m的渠道采用普通预应力砼空心板配梁覆盖形式，宽4m渠道只选用预应力空心板，便于与宽度为7m的渠道统一施工。同时考虑局部山谷渠段运输困难，推荐采用砌拱覆盖。

3.3.2覆盖结构设计

渠道覆盖采用厚度为120mm的预应力空心板，板宽0.5m、长4.5m。两侧渠顶采用1∶2水泥砂浆找平。为增加盖板整体性，同时为增加保温效果，板顶加厚度为40mm的C25细石砼。对于宽度为7m的渠道每隔4.8m设置倒T型梁支承空心板。对于宽度为4m的渠道，为防止车辆上渠，每隔20m设一道隔梁。对于村庄段，为防止车辆上板，采用梁板覆盖的同时，沿渠墙两侧纵向设置高度为0.4m的砖砌隔墙。宽度为7m的渠道覆盖典型断面如图1所示，宽度为4m的渠道典型断面如图2所示。

图1 宽度为7m的渠道覆盖典型断面(单位：mm)

图2 宽度为4m的渠道覆盖典型断面(单位：mm)

对于山谷段渠道，为防止两侧土体滑坡，山谷段直接采用拱形覆盖。拱圈采用砼块砌筑，高跨比1∶3。鉴于原渠墙上部砌筑质量一般，为防止拱圈太高，设计将原有渠墙拆除1m后砌拱。宽度为4m的渠道砌拱位于胜利土洞和英雄土洞之间(桩号11+028.89～11+060.26)，全长31.37m，宽度为7m的渠道砌拱位于南术西土洞进口(桩号18+900～18+990)，全长90m。砌拱段渠道覆盖典型断面如图3所示。

图3 宽度为7m的渠道砌拱典型断面(单位：mm)

为保证渠道检修需求，沿线设置检修孔60个，间距500m，在建筑物前后加密。

4 结语

太河水库输水渠道防渗加固完成后，运行10a来的情况数据显示，每年渠道输水渗水损失约占渠道输水年总损失量的8%～10%，符合设计要求。实践证明，输水渠道防渗加固方案经济可行。同时，运行管理单位应建立三班巡视检查制度。各管理所(站)每天都要对管理范围内的工程进行巡视检查，农灌期间要增加巡视次数，在关键地段应设专人看守。为了确保供水系统的合理调度，保证水质、水量、水压达到设计要求，提高供水的可靠性和管理水平，供水工程应建立自动化控制系统，分级设置、分级控制和中央控制相结合。在太河水库管理局设立总控制室，在各管道进口管理站分别设立分控室。在渠道及管道沿线布置监测站点等构筑物或关键地点设置自动遥测设备，实现单项构筑物的自动控制，自动检测各点的运行情况，定时打印所有检测参数，并具备超限报警、数据分析等功能，实现整个供水系统的全自动运行调度。