高地下水位渠道衬砌技术及排水经验的应用与分析

2016-03-29刘辰光新疆兵团勘测设计院集团有限责任公司

河南水利与南水北调 2016年1期

□刘辰光（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司）

□刘辰光（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司）

摘要：渠道作为水利工程的重要组成部分之一，其整体结构稳定与否关系重大，尤其是在高地下水位的地区进行渠道修建时，必须采取合理可行的衬砌技术，确保渠道的安全性和稳定性。基于此点，文章首先对渠道衬砌技术进行了概括性介绍，并在此基础上依托工程实例，对衬砌技术在高地下水位渠道修建中的应用及排水途径进行论述。期望通过文章的研究能够在渠道安全性、稳定性的提升以及使用寿命的延长方面有所帮助。

关键词：渠道；衬砌；排水

1渠道衬砌技术概述

1.1渠道衬砌的类型

衬砌归属于永久性支护结构的范畴，可用于渠道衬砌的主要材料有粘土、灰土、混凝土、块石、塑料膜、沥青等等。根据材料的不同，可对渠道衬砌类型进行细分，具体如表1所示。

表1　衬砌的类型及其主要原材料表

1.2渠道衬砌的基本要求

在修建渠道的过程中，采用衬砌技术时，应当遵循因地制宜、综合防治、减轻冻胀等原则。在进行渠道衬砌设计前，应当通过对工程现场的地质勘察，了解并掌握水文地质条件及渠道的基本情况，确保采用的衬砌技术先进、经济合理、经久耐用；衬砌防渗、防冻等措施应当与工程措施并重；尽量不要通过加大衬砌厚度的方法来减轻冻胀变形，而是要采取有效的措施减少基土的冻胀及不均匀性，使衬砌结构可以适应冻胀变形的要求。

2衬砌技术在高地下水位渠道修建中的应用及排水途径

为了便于研究，文章以工程实例为依托，对衬砌技术在高地下水位渠道修建中的应用及相关排水措施进行分析。某渠道工程由不同的渠段组成，各个渠段均采用了不同的设计流量，为满足使用要求，决定通过渠道改建加大流量，具体情况如表2所示。

表2　各区段的设计与加大流量详情表

工程中，渠基土为低液限粉土和低液限粘土，渠道内外边坡系数为1.75。0+000～0+500段渠道断面衬砌采用的是现浇混凝土板+干砌卵石结构；0+500～18+925段渠道断面衬砌采用的是现浇混凝土板结构。经计算渠道总糙率约为0.02。由于工程为老渠改扩建项目，其沿线上均设有涵洞和水闸，故此决定不对纵坡进行较大的调整，在确保能够满足渠系建筑物底板高程的前提下，基本维持原有的渠道纵坡。

2.1渠道横断面设计

依据明渠均匀流公式可以确定出渠道的横断面尺寸，同时结合渠道各个渠段所处的地质、地形等条件，及抗冻胀要求和挟沙能力，对横断面进行合理设计。

2.1.1防渗措施的选择

在本工程中，0+000～0+500段渠道与西岸大渠的距离较近，地下水位的变化幅度较高，按照地质勘察报告，采用底板干砌卵石+边板现浇混凝土板的衬砌结构；0+500～18+925段渠道采用现浇混凝土板+一布一膜防渗结构。

2.1.2防冻胀措施的选择

根据与水利渠道有关的规范标准的规定要求，并结合工程所在地修建渠道的成功经验，决定采用置换的方法对渠底及边坡冻胀土进行处理，经综合考虑，决定选用比较容易获得的天然砂砾作为换填材料。

2.1.3渠道抗冻胀设计

由于本工程所在地的土体最大冻深为1.82m，从而使得渠基土均为冻胀性土体，所以需要采取相应的抗冻胀设计。冻深计算可依据有关规范标准给出的计算公式进行，渠道冻胀量的计算汇总情况如表3所示。

表3　渠道冻胀量的计算汇总表

经过计算之后发现，工程中渠道地基土体的冻胀级别为Ⅱ～Ⅳ级。依据有关规范标准的规定要求，需要对渠道进行抗冻性设计。

2.1.4砂砾石置换

工程中，砂砾石的换填深度可以按照下式进行计算：

上式中，Zn代表置换深度（单位：m）；ε代表置换比（%）；Zd代表需要置换部位的设计冻深（单位：m）；δo代表衬砌板的厚度（单位：m）。

将表3中的相关数据带入到式(1)中，可计算出置换厚度为0.75~1.32 m。因此本次渠道改建的规模较小，加之大部分冻胀级别都在Ⅱ级，因此，渠道可以采用板膜复合式结构，通过膜料的使用，能够减少渗漏损失90%左右。依据实验，在塑料膜下铺设厚度为40 cm的砂砾石垫层，可以减少冻胀量59%~70%。根据当地同类工程的施工经验，结合本工程的实际情况，渠道防冻垫层底板的厚度设计为40 cm，边板下置换层的厚度设计为30~40 cm。

2.1.5横断面设计方案

0+000～0+500段渠道采用梯形断面，底板采用厚度为30cm的干砌卵石加混凝土网格梁，边板采用厚度为8 cm的现浇混凝土板，边坡设置为1:1.75，底板下填筑厚度为40 cm的砂砾石垫层，边坡下填筑厚度为30~40 cm的砂砾石垫层；0+500～18+925段渠道同样采用梯形断面，底板与边板均采用现浇混凝土板，并在其下铺设一布一膜，同时在底板位置处的膜下填筑厚度为40 cm的砂砾石垫层，在边板位置处的膜下填筑厚度为30~40 cm的砂砾石垫层。

2.2渠道衬砌的排放途径

由于工程所在地的地下水位相对较高，因此，在渠道衬砌施工过程中，为保证施工的安全性，需要采取有效的措施进行排水。施工期排水能够起到两方面的作用，一方面可以使较高的地下水位降低到衬砌基面以下，从而确保混凝土衬砌的质量；另一方面可以增强施工安全性，有助于工程的顺利进行。在排水措施的选择上，除了要充分考虑渠道衬砌的线路长度之外，还要考虑施工进度等方面。目前，渠道衬砌工程中，常用的排水型式有以下几种：暗管排水、轻型井点排水、竖井排水等等。对于地下水位较高地区的渠道衬砌工程而言，如果采取的排水措施不合理，便可能形成较大的内外水位差，即扬压力，由此会导致衬砌板浮托破坏，从而影响工程使用。所以在高地下水位条件下的渠道衬砌，需要采取消减扬压力的排水措施。暗管排水是渠道衬砌工程中最为常用的一种消减扬压力的排水措施，因此，本工程也采取该措施进行排水。

2.2.1暗管排水的结构形式

常规的暗管排水系统主要是由以下几个部分组成：集水暗管、滤料层、出流导管、逆止阀等等。相关研究结果表明，在水文地质条件相同的情况下，透水管比实体管的排水量要高很多，约为35%~40%。因此透水暗管的应用更加广泛。在暗管的周围设置滤料层能够确保暗管排水作用的发挥，尤其是在淤积比较严重的渠段内，滤料层的作用更加明显，具体做法是用土工织物对透水暗管进行包裹，并外填厚度为10 cm左右的砂层。出流管的作用是确保暗管在一定淤积厚度时，能使其排水效果得以最大限度地发挥，管径的选择以15~20 cm为宜，材质可选用聚氯乙烯塑料管。由于工程的防渗要求较高，故此在出流导管上加装了逆止阀，这样可以避免渠道输水时出现大量的外渗损失。

2.2.2出溢口间距

从理论的角度上讲，暗管出溢口的间距可按照渗流量、排水能力等指标进行确定，但如果土壤本身的渗透系数较大，则必须通过相应的计算进行确定。通常，土壤渗透系数<5 m/d时，出溢口的间距可取40~60 m；5m/d<土壤渗透系数<10 m/d时，间距可取20~40m，超过10m/d时，间距可取10~20 m。根据本工程的地质勘察资料显示，渠道所在地的土壤渗透系数K<5 m/d，故此可取间距40~60 m。