南水北調(diào)工程渠道機(jī)械化襯砌設(shè)計若干問題

何彥舫　陶自成　楊廣杰

摘要：為更好適應(yīng)大型渠道襯砌機(jī)械化施工需要，以南水北調(diào)工程中線、東線渠道襯砌設(shè)計方案為例，總結(jié)現(xiàn)有典型大型渠道襯砌總體功能、設(shè)計依據(jù)及典型設(shè)計型式。結(jié)合某標(biāo)段大型渠道機(jī)械化襯砌施工和渠道運(yùn)行管理實踐，研究了大型渠道機(jī)械化襯砌設(shè)計方案在渠基排水、分縫設(shè)計、防滲設(shè)計、防凍脹設(shè)計、渠道襯砌板結(jié)構(gòu)設(shè)計及附屬設(shè)施設(shè)計等方面存在的若干問題，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計建議，以期為大型渠道機(jī)械化襯砌施工提供參考。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)工程；大型渠道；機(jī)械化襯砌；優(yōu)化

南水北調(diào)中線工程南起漢江丹江口水庫、北至北京頤和園的團(tuán)城湖，輸水總干渠全長1 420 km，連通長江、淮河、黃河、海河四大流域，跨越鐵路44處，需建跨總干渠的公路橋571座，此外還有節(jié)制閘、退水建筑物和隧洞、暗渠等，總干渠上各類建筑物共936座，其中最大的是穿黃河工程。天津干渠153.8 km，地下箱涵輸水結(jié)構(gòu)。天津干渠穿越河流48條，布置建筑物119座。

目前中線工程全線通水投入運(yùn)營使用，渠道處于安全運(yùn)行狀態(tài)。在南水北調(diào)工程若干關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)中，渠道混凝土襯砌設(shè)計技術(shù)是重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于長距離的輸水干渠，工程設(shè)計、建設(shè)過程中需要解決渠道混凝土板的抗?jié)B、抗凍融、混凝土自生收縮、干燥收縮和冷縮以及大面積連續(xù)快速現(xiàn)澆施工導(dǎo)致的開裂等問題，澆筑后混凝土需具有高強(qiáng)度、高耐久性、高抗裂性、抗?jié)B、抗凍等性能。因此，研究現(xiàn)有大型渠道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計及機(jī)械化襯砌施工技術(shù)等具有重要意義，可為國內(nèi)外其他大型引調(diào)水工程的大塊薄板現(xiàn)澆混凝土襯砌技術(shù)提供借鑒。

1南水北調(diào)中線渠道總體設(shè)計依據(jù)

南水北調(diào)中線干線工程設(shè)計流量為40-630 m3/s，加大流量為800 m3/s。輸水渠主要型式為梯形明渠全斷面防滲襯砌型式，黃河以南渠道縱坡1/25 000、黃河以北1/30 000-1/15 000，設(shè)計水深3.5-9.5 m；輸水渠襯砌邊坡1：1.5-1：3.0，設(shè)計底寬9.0-56.0 m?？偢汕斔喜贾盟l、倒虹吸、橋梁等各類交叉建筑物，在滿足輸水和分水的同時，還可兼顧沿線防洪、排澇、交通和泄水等要求。

1.1工程等別及建筑物等級

某渠段總干渠渠道、各類交叉建筑物及控制建筑物等主要建筑物為1等，其余河道防護(hù)工程及河穿渠工程連接段等次要建筑物均為3級建筑物。

1.2防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)南水北調(diào)工程專項技術(shù)及有關(guān)規(guī)范規(guī)定，積水面積大于或等于20 km2的河渠交叉建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇；積水面積小于20 km2的河渠交叉建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇。

1.3地震設(shè)計烈度及設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)設(shè)計規(guī)范，總干渠渠道及l(fā)級建筑物地震設(shè)計烈度為6-7度。

1.4主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范

采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有：南水北調(diào)工程建設(shè)專用技術(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)，水利系列標(biāo)準(zhǔn)，國標(biāo)系列標(biāo)準(zhǔn)，電力系列標(biāo)準(zhǔn)，水電系列標(biāo)準(zhǔn)，鐵路、交通、市政等行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，以及南水北調(diào)相關(guān)部門的批復(fù)文件。

2南水北調(diào)中線干線渠道設(shè)計型式及方案

2.1幾種典型渠道設(shè)計型式

（1）防滲設(shè)計型式：①現(xiàn)澆混凝土面板防滲；②復(fù)合土rN、合成樹脂高分子自粘防水卷材防滲；③噴乳化瀝青層防滲；④水泥土、土壤固化劑固結(jié)土等防滲。

（2）防凍脹設(shè)計型式：①換填法，利用砂、砂礫石、碎石等材料進(jìn)行置換；②保溫板法。

（3）防揚(yáng)壓設(shè)計型式：①渠底暗管井排；②渠坡暗管自流內(nèi)排；③泵站強(qiáng)排。

2.2渠道襯砌防滲結(jié)構(gòu)型式

（1）全斷面鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲+渠坡采用聚苯乙烯泡沫板（或砂礫料、砂礫石等）保溫+渠底換填砂礫石（砂礫料）防凍脹+現(xiàn)澆混凝土襯砌。

（2）全斷面現(xiàn)澆高性能混凝土面板。

（3）渠坡聚胺脂粘合的單面鋼絲網(wǎng)架聚苯乙烯泡沫板保溫+渠底換填砂礫石防凍脹+現(xiàn)澆混凝土防滲。

（4）全斷面鋪設(shè)復(fù)合土工膜+聚苯乙烯泡沫板+預(yù)制混凝土板干砌。

（5）渠坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜+聚苯乙烯泡沫板+現(xiàn)澆混凝土襯砌+固結(jié)土護(hù)底。

3渠道機(jī)械化襯砌設(shè)計存在問題及改進(jìn)建議

3.1渠基排水

3.1.1存在問題

現(xiàn)有底部及渠坡渠基排水設(shè)計為C10無砂管，強(qiáng)度低，且黏聚力較小，施工時易受擠壓，造成局部破壞，易導(dǎo)致排水不暢。根據(jù)施工實踐，渠底兩側(cè)埋設(shè)的無砂管容易受到外力作用導(dǎo)致破損，如不能及時發(fā)現(xiàn)，則會出現(xiàn)襯砌板局部懸空，存在該段排水不暢的潛在風(fēng)險。在渠道高水頭運(yùn)行下，可能造成渠底襯砌板受壓不均衡而被壓裂。當(dāng)挖方渠道的地下水位較高時，不但容易產(chǎn)生凍脹破壞，而且襯砌板下的揚(yáng)壓力也可能使襯砌板破壞頂起，進(jìn)而影響渠道正常運(yùn)行。

3.1.2改進(jìn)建議

建議將無砂排水結(jié)構(gòu)優(yōu)化為塑料逆止式排水器，并進(jìn)一步研究無砂排水管的埋深，從而有效避免無砂管破損引起的一系列問題；對地下水位略高于渠底且無排水出路的渠段，建議在渠底加設(shè)砂礫石積水盲溝來排除渠底滲水，并每隔50-100 m設(shè)集水井，地下水溢出點(diǎn)以下的渠坡及渠道底部應(yīng)鋪設(shè)濾水布。

3.2分縫設(shè)計

3.2.1存在問題

根據(jù)《渠道混凝土襯砌機(jī)械化施工單元工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》（NSBD8-2010）要求，允許偏差為深度±5 mm、寬度±3 mm，渠道襯砌分縫一般每12 m設(shè)置一道通縫。部分標(biāo)段渠道襯砌夏季發(fā)生了不同程度的擠脹，冬季出現(xiàn)了凍脹現(xiàn)象。根據(jù)《渠道混凝土襯砌機(jī)械化施工技術(shù)規(guī)程》（NSBD5-2006）及《渠道混凝土襯砌施工操作指南（試行）》規(guī)定，對于半縫，切縫深度為0.6倍襯砌設(shè)計厚度；對于通縫，“當(dāng)?shù)撞夸佋O(shè)防滲層時，切縫深度宜為板厚的0.9倍”。半縫設(shè)計深度不夠，無法起到縮縫或脹縫效果。人工機(jī)械切割縫，很難準(zhǔn)確把握0.9倍板厚這一尺度，容易造成土工膜被切壞，影響渠道襯砌的防滲效果。這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在施工中比較難把握，同時也增加了施工成本，因此合理的通縫切縫的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及要求是滿足大型渠道機(jī)械化襯砌施工的需要，也是節(jié)約施工成本、加快機(jī)械化襯砌施工進(jìn)度的需要。

若通縫縫間距過小，則影響機(jī)械化施工速度、增加施工難度；若通縫縫間距過大，則影響熱脹效果。機(jī)械化襯砌高峰期施工強(qiáng)度一般為100-300 m/d，連續(xù)澆筑的混凝土倉面施工中，人工預(yù)留2 cm施工通縫比較困難，渠道襯砌通縫大多為人工機(jī)械切割通縫（但不完全切通），僅少量為施工預(yù)留通縫。為滿足機(jī)械化襯砌施工連續(xù)性的需要，渠道分縫設(shè)計間距、切縫深度將是渠道襯砌設(shè)計優(yōu)化的方向之一。

3.2.2改進(jìn)建議

（1）機(jī)械化襯砌沿坡長方向的伸縮縫設(shè)置中，當(dāng)邊坡過長時，建議加設(shè)腰縫，其位置布設(shè)應(yīng)選擇在填挖方交界處或坡面土質(zhì)性能變化較大處，以適應(yīng)土質(zhì)變形，不應(yīng)按坡長等分布置腰縫。

（2）據(jù)觀察分析，縱向凍脹裂縫多發(fā)生在渠道下半部，系由土壤變形引起的裂縫，走向呈水平狀，且沿整個板寬伸展。小型渠道一般不設(shè)縱向縫，但是對于水深較大、坡長過長和渠底較寬的大型渠道，除應(yīng)在邊坡與渠底連接處的適當(dāng)位置布設(shè)一道縱向伸縮縫外，還需在渠底加設(shè)縱向縫。建議進(jìn)一步加強(qiáng)伸縮縫設(shè)計間距、深度等研究。

3.3防滲設(shè)計

3.3.1存在問題

（1）一期工程渠道襯砌防滲設(shè)計主要為全斷面敷設(shè)復(fù)合土工膜防滲（兩布一膜，規(guī)格為576 g/m2，局部段設(shè)計規(guī)格為852 g/m2）。土工膜不宜暴曬時間過長，在施工中焊接質(zhì)量受膜厚、電壓、爬行速度、風(fēng)力、氣溫、基層平整度等諸多因素的影響，熱焊接法具有一定的局限性，容易出現(xiàn)孔眼、未充分熔化、脫粘等現(xiàn)象，造成滲漏隱患。特別是復(fù)合土工膜與布、膜與建筑物（復(fù)合土工膜與混凝土建筑物、膜與橋墩柱或路基排水管）交接部位等施工質(zhì)量難以保證。

（2）考慮襯砌混凝土機(jī)械化施工的需要，夜間土工膜焊接質(zhì)量難以檢測和保證，土工膜熱熔焊接的局限性在渠底襯砌施工時表現(xiàn)尤為明顯，限制了機(jī)械化襯砌速度，需要進(jìn)一步優(yōu)化土工膜防滲設(shè)計方案，在保證防滲效果的前提下滿足機(jī)械化襯砌施工的需要。

3.3.2改進(jìn)建議

（1）采用KS膠粘結(jié)技術(shù)，以彌補(bǔ)熱熔焊接法所無法達(dá)到的要求，在復(fù)合土工膜與布結(jié)合面、膜與橋墩（管道或建筑物）交接部位、復(fù)合土工膜被扎破或頂破的特殊部位能較好滿足防滲設(shè)計要求，可以滿足大型渠道機(jī)械化襯砌施工的需要。

（2）面板混凝土建議采用鋼絲網(wǎng)微膨混凝土板襯砌或現(xiàn)澆補(bǔ)償收縮混凝土，從外部防止水流滲入。

3.4防凍脹設(shè)計

3.4.1存在問題

從部分標(biāo)段冬季運(yùn)行情況看，混凝土板出現(xiàn)鼓脹及裂縫、隆起架空、上抬等現(xiàn)象。襯砌板越薄凍脹程度越嚴(yán)重，錯臺現(xiàn)象也越明顯。

南水北調(diào)工程東線、中線一期工程渠道襯砌混凝土強(qiáng)度等級分別為C20W6F200、C20W6F150，從運(yùn)行對比看，中線一期工程防凍脹設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)略低。

防凍脹保溫板鋪設(shè)對于基面平整度要求高，局部存在保溫板鋪設(shè)時與坡體之間不密實的現(xiàn)象，混凝土襯砌施工時在重力作用下，若保溫板出現(xiàn)局部下滑，將會造成混凝土襯砌表面出現(xiàn)縱橫交錯裂縫（龜裂）。

3.4.2改進(jìn)建議

（1）適當(dāng)提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，把混凝土防滲設(shè)計允許的凍脹深度提高到1.0 cm，使防滲工程的壽命延長。

（2）從抗凍脹性能考慮，渠道混凝土襯砌一般在凍脹裂縫經(jīng)常發(fā)生的部位加厚混凝土板，增加其抗凍脹破壞的能力。板梁整體的結(jié)構(gòu)型式因凍脹產(chǎn)生的縱向破壞值得進(jìn)一步研究。

（3）嚴(yán)格保溫板鋪設(shè)施工質(zhì)量。在非彎道渠段可順?biāo)鞣较蜾佋O(shè)，板與板之間的側(cè)面用雙組分聚胺脂膠粘劑，粘結(jié)牢固，膠結(jié)均勻，表面平整；彎道處保溫板上鋪鋼絲網(wǎng)架，保溫板之間的粘結(jié)不允許出現(xiàn)縫隙，這樣對連續(xù)施工防止混凝土開裂起到很大作用。

3.5渠道襯砌設(shè)計

3.5.1存在問題

（1）從渠道襯砌斷面設(shè)計型式看，現(xiàn)有渠道襯砌斷面型式為傳統(tǒng)寬淺式的梯形斷面；從設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)選取看，國內(nèi)現(xiàn)有的規(guī)范規(guī)程對渠道襯砌混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級、抗凍標(biāo)號、襯砌板厚度要求均偏低。

（2）從襯砌混凝土配合比設(shè)計看，渠道襯砌設(shè)計混凝土配合比均為二級配（粒徑為0.5-2.0 cm、2-4 cm），不滿足《渠道混凝土襯砌機(jī)械化施工技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的“骨料的最大粒徑應(yīng)不大于襯砌混凝土板厚度的1/3”。實際施工時，超徑的石子（粒徑大于4 mm）造成壓實抹面難度大，導(dǎo)致壓實抹面速度慢，延長了壓實抹面的時間，混凝土水分損失過多，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。特別是10 cm厚混凝土原漿抹面施工，影響了機(jī)械化施工的速度和質(zhì)量。顯然，混凝土配合比設(shè)計為二級配不盡合理，更無法滿足8 cm板厚的設(shè)計方案。若滿足該規(guī)程的要求，粗骨料粒徑不大于2.67 cm，會影響混凝土的抗壓強(qiáng)度，也不利于混凝土的抗沖耐磨性。

（3）從交叉建筑物布置看，中線工程渠道交叉建筑物（特別是交通橋、生產(chǎn)橋）有2 076座，部分標(biāo)段下渠臺階布置在左右渠坡，間距為1 000 m左右；部分渠段渠深坡陡，設(shè)計坡度1：1.5-1：2.0，橋梁附近無檢查踏步和平臺。為現(xiàn)場施工和今后橋梁運(yùn)行維護(hù)管養(yǎng)及安全檢查帶來諸多不便。

（4）從封頂板及襯砌坡腳設(shè)計看，現(xiàn)有渠道設(shè)計中，對挖方地段窄深式渠道的襯砌板底部平臺設(shè)計寬度為10-20 cm，無齒槽，混凝土襯砌坡腳無齒墻?；炷练忭敯妪X墻的作用是固定和阻止混凝土坡體變形、下滑；混凝土襯砌坡腳齒墻的作用是抵抗混凝土自重下滑的推力、增強(qiáng)混凝土襯砌板抗滑穩(wěn)定性、防止對底板造成側(cè)壓力。如缺少封頂板齒墻，地表水的滲入會減弱水泥砌體對凍脹破壞的抵抗能力，使工程難以達(dá)到設(shè)計效果。

3.5.2改進(jìn)建議

（1）綜合考慮具有近似最佳水力斷面、水流條件好、流速，陜、防滲效果好、抗凍性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的弧形坡腳梯形斷面，在國外已經(jīng)實現(xiàn)了混凝土機(jī)械化襯砌。建議根據(jù)渠道襯砌機(jī)械設(shè)備及國內(nèi)現(xiàn)有的施工水平，進(jìn)一步深入研究弧底梯形渠道和弧腳梯形渠道斷面型式。

（2）針對薄壁混凝土裂縫問題，建議采用鋼絲網(wǎng)微膨混凝土大板襯砌，適當(dāng)加大伸縮縫、間距縫。現(xiàn)澆補(bǔ)償收縮混凝土方案混凝土可以連續(xù)澆筑，而不至于出現(xiàn)塑性裂縫，是一種適應(yīng)機(jī)械化施工要求、具有推廣應(yīng)用價值的設(shè)計方案。

（3）調(diào)整混凝土設(shè)計配合比，增加襯砌板的厚度。根據(jù)《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計規(guī)范》（SL482-2011）及美國墾務(wù)局提出的混凝土襯砌厚度極限標(biāo)準(zhǔn)，建議南水北調(diào)中線工程渠道襯砌板最小厚度不宜小于10 cm。對砂土段渠段，渠底襯砌板厚度提高至10 cm，渠坡不宜小于15 cm，同時相應(yīng)提高防滲、抗凍等級。

（4）優(yōu)化交叉建筑物布置。在渠道襯砌設(shè)計中，對于渠道交叉建筑物（左右岸排水建筑物、生產(chǎn)橋、交通橋、倒虹吸、渡槽等）應(yīng)統(tǒng)籌布置，優(yōu)化設(shè)計，減少不必要的建筑物，以節(jié)約投資、減少對機(jī)械化襯砌施工的干擾。適當(dāng)調(diào)整渠坡下渠臺階位置，在較大的生產(chǎn)橋或交通橋下增設(shè)檢查踏步和平臺，以便今后的管養(yǎng)和安全檢查。

（5）封頂?shù)装濉⑵旅嬉r砌坡腳增加齒墻設(shè)計。封頂板增設(shè)齒墻斷面尺寸，一般寬20-30 cm、高度30-40 cm，與堤頂排水、路緣石等相結(jié)合設(shè)計。若采用梯形斷面，建議渠底襯砌板增加齒墻設(shè)計，斷面由計算確定。另外，渠坡襯砌是否需要增加橫梁槽，形成板梁整體的結(jié)構(gòu)型式，需要視具體情況經(jīng)計算后確定。