混凝土U形渠在北方地区的应用

2014-10-29张素仁

黑龙江水利科技 2014年11期

张素仁

(忻州市水利勘测设计院，山西忻州034000)

0 前言

随着中央对农村水利建设的重视，由中央牵头、地方配套逐步对全国大中型灌区进行了续建配套节水改造。经过20 多年的渠系续建节水改造，到目前为止，大中型灌区干渠、支渠已基本建设完毕，现阶段灌区末级渠系建设已全面展开，在已建设的渠道防渗结构形式中，混凝土U 形渠道以造价低、进度快、过流能力大、沿程水头损失小、防渗效果好等特点被迅速推广应用。在我国北方地区由于冬季气温较低，在U 形渠出现初期使用较少，但是随着U 形渠工艺、技术的不断改进，经过大量实践后也迅速的被广泛使用［1］。

1 混凝土U 形渠结构形式和性能

U 形渠断面渠道采用底部为半圆或弧形，上部为一定倾角直线段的断面形式，断面符合水流的自然特性，近似最佳水利断面，与常见的梯形断面渠道相比，具有流速分布均匀，近似最佳水利断面，流速较快，且渠底有一定的反拱作用，整体性好，能适应寒冷地区地基不均匀冻胀变位，可以减轻冻害，减少裂缝和错台现象。下面通过试验数据对比，可明显的看出，混凝土U 形渠在防渗方面的优势［2］。

山西省翼城县利民灌区，采用静水法对各种防渗渠道测试的结果见表1，1984年用静水法对山西省祁县晓义井片灌区各种不同形式渠道测试结果见表2。

2 混凝土U 形渠主要适用范围

由于U 型渠通常埋深都比较浅，一般在冻土深度以上，在北方冬季必然产生冻胀压力，混凝土U 型渠为素混凝土，经过几年冻融变化后，局部会产生拉应力和剪力，根据混凝土的属性，它的抗拉、抗剪较弱，断面大的相应冻胀力、拉应力越大，越宜破坏，且大断面U 型渠的施工很难控制工程质量，所以北方地区适用于小断面U 形渠。

经过多年实践，一般U 形渠半径≤1.1 m，以半径r 为30 ～60 cm为最佳，混凝土厚度在4 ～10 cm。U 形渠半径r 超过60 cm，采取平底U 形断面或加大宽度U 形断面，相对效果要好，但开口宽度≤3 m为宜。

表1 静水法测试利民灌区各种防渗渠道的渗漏强度

表2 静水法对晓义井片灌区各种不同形式渠道测试结果

3 北方地区混凝土U 形渠常见的问题

通过对运行多年的U 形渠观测，发现的U 形渠常出现问题的主要集中为:

1)U 型渠多出现底部裂缝，在冬季时明显看到渠两边向中间弯曲，第二年春天又恢复原状。

2)渠道多在圆弧与直线交界处断裂。

3)渠道底部表面出现麻面，表层破坏。

4)预制U 形块砂浆脱落，整块脱离渠道。

4 针对北方地区U 形渠道问题的设计要点

4.1 防止U 型渠底部裂缝的设计

据《山西省U 形渠道防渗技术应用与发展》一文中介绍，U 形渠道裂缝的产生是必然的，留与不留伸缩缝的U 形渠道，都要产生横向裂缝，产生横向裂缝的原因除温度应力的作用外，还有可能与土壤失水后含水量减少产生干缩造成。既然裂缝不可避免，设计中就应该在容易出现裂缝的增加伸缩缝的布置，必要时可在横缝的基础上加设纵缝。U 形渠应2～4 m设置一道伸缩缝，缝内填沥青砂浆，在宜裂缝地段伸缩缝可为1 m一道，但最小≥0.5 m。除了增设伸缩缝根据不同情况还应对U 形渠道进行加固设计。

4.2 防止渠道多在圆弧与直线交界处断裂的设计要点

对于圆弧与直线段交界处得断裂主要是直线段承受压力太大造成的，设计时应采用宽浅式渠道，加大圆弧半径，过流能力不变的情况下缩短直线段距离，达到减小直线段的土压力和冻胀压力。另一种方法就是加大直线段的倾角，降低荷载水平压力。

4.3 防止渠道底部表层破坏的设计要点

渠道底部表层破坏如不考虑施工质量问题，从设计方面分析主要原因①纵坡过陡，水流冲刷造成渠底破坏，②纵坡过缓，余水排不出去，经过长期侵蚀、冻融发生底部表层破坏，这种情况在北方为主要原因。

第一种情况设计方案主要是调缓纵坡，增设跌水，使水流平顺，不冲不淤;第二种情况，由于地形限制无法调整的，需增设退水口，将渠道低处积水排出［3］。

4.4 防止预制U 形块砂浆脱落的设计要点

预制块砂浆脱落主要是砂浆标号不够，或冬季施工未采取保护措施，设计中应提高砂浆标号，冬季施工需采取保温措施，砂浆拌合中添加速凝剂，抗冻剂。

4.5 U 形渠道的加固设计

在土质比较差的北方地区要对U 形渠道进行加固设计，主要方法有铺设垫层、加设肋梁、铺设土工布等措施。

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铺设垫层是对地基的加固，增加地基承载力，防止地基不均匀沉降破坏;加设肋梁是加强U 形渠自身强度;铺设土工布，加强防渗，防止冬季发生渗透冻胀破坏。

图1 为U 形渠加设肋拱渠道断面图，图2 为U形渠加设垫层断面图。

图1 U 形渠加肋梁横断面、侧视图

图2 U 形渠加垫层横断面

5 北方地区建议采用预制U 形渠道

根据已建成的U 形渠道，经过对比就会发现在北方地区，预制U 形渠道的使用寿命要比现浇的长。经分析，预制安装的U 形预制块质量有保障，现浇混凝土在施工中常出现下列问题:

1)现浇U 形渠道是依靠土模来完成的，土模本身稳定性差，再加上施工干扰，很容易变形，导致混凝土壁薄厚不均匀。

2)现浇混凝土不易振捣，骨料混合不均匀，经常出现石子下沉到底部，严重影响U 形渠的刚度。

3)现浇混凝土由于施工进度快，容易造成混凝土未完全凝固局部脱落现象。

预制U 形渠，还有不受工作面限制的特点，可以多段施工，预制块加工简单，可批量生产，可加快施工进度。

6 混凝土U 形渠在北方地区需注意的施工要点

现浇混凝土U 形渠施工主要由土模开挖、混凝土衬砌、割缝组成，预制混凝土U 形渠由土模开挖，预制块砌筑。

6.1 U 型渠的土模施工

U 型渠的土模施工是渠道质量控制的关键，土模的施工为先把施工面整平，回填到衬砌高程，然后夯实达到规范强度，再进行开挖、修面最终形成U 形土模。施工企业为了节约成本，常用施工工序为先挖成U 形土模，后用U 型铁模防护，然后进行渠道两边夯实。这种工序减少了土方回填和U 形渠范围内夯实，显然会造成U 形渠底部和两侧压实度不足，是应该严禁使用的。