山区小型渠道优化设计与施工要领

2017-04-13张旭新乡市水利勘测设计院

河南水利与南水北调 2017年3期

□张旭（新乡市水利勘测设计院）

山区小型渠道优化设计与施工要领

□张旭（新乡市水利勘测设计院）

山区小型渠道规模小，结构简单，构造细节易于忽视，质量隐患多发。通过对矩形渠槽适用条件分析，提出混凝土整体式矩形渠槽仅适用于地面渠道、渠深1m以下、内外荷载不大、墙背没有动荷载的情况。渠深1m以上、环境条件相对复杂的渠道不适宜采用素混凝土整体式矩形渠槽结构。对整体式渠槽结构布置、变形缝构造及施工常见技术问题进行分析优化，为灌区节水改造设计、施工提供参考。

小型渠道；设计施工；结构；构造

0 前言

山区小型渠道控制面积分散，比降大断面小，标准低，质量差，年代久远，损毁严重。以群库灌区为例，山区支渠大多盘桓于陡坡山崖之上，控制面积540～1 700 hm2，设计流量0.50～ 1.40 m3/s，矩形渠宽0.50～2.30 m，渠深多为0.60～1.00 m。支渠大多建于上世纪六七十年代，红土白灰砂浆砌石结构。渠墙多为重力式矩形断面，料石或块石内外侧立镶面，内部空腔填充砂砾土石。有效防渗体不是整个重力式挡墙断面，而是迎水面镶砌的单皮砌石体。红土白灰砂浆强度低，不耐水，极易渗漏损毁。《渠道防渗工程技术规范》要求砌石防渗体砌筑砂浆标号不低于M7.50、勾缝砂浆不低于M10，现状支渠大多不能满足规范要求。拆除重建拟以混凝土整体式矩形渠槽为主，对其结构布置、变形缝构造以及施工常见技术问题进行分析探讨。

1 矩形渠槽设计

鉴于山区小型渠道多位于陡坡、山崖之上，场地狭窄，清基开挖施工困难，按渠道防渗规范要求宜采用结构紧凑的混凝土整体式U型或矩形渠槽。U型渠槽适于机械化整体成型，即使常规支模施工，对于山区盘绕曲折的渠线线型也较难适应。山区小型渠道改造应以混凝土整体式矩形渠槽为主，实践证明深受群众欢迎。矩形槽侧墙和底板为整体浇筑刚性连接，按平面钢架进行结构分析。侧墙和底板以弯曲变形为主。

为便于垂直浇筑混凝土，构造要求侧墙顶部厚度≥12 cm，侧墙底部厚度和底板厚度根据强度及抗裂条件确定。小型渠道设计流速一般1～3 m/s，水流常含有砂砾石推移质，渠道防渗规范要求底板厚度≥12 cm。综合确定矩形渠槽侧墙和底板最小厚度≥15 cm，常用厚度20 cm。对于较大过水断面，为缓解转角应力集中，在侧墙与底板连接转角处应设托承补角。

侧墙和底板以弯曲变形为主，理论上侧墙不宜采用素混凝土结构。《水工混凝土结构设计规范》规定，素混凝土受弯构件仅允许用于卧置在地基上的情况以及不承受移动荷载的情况。由于混凝土抗拉强度的可靠性低，混凝土收缩和温度变化引起的效应又难以估计，一旦发生裂缝，易造成事故，故对于由受拉控制的素混凝土结构，应严格限制其适用范围。此规定和国标《混凝土结构设计规范》的规定类似，但后者更为明确，素混凝土受弯构件仅允许用于卧置在地基上以及不承受活荷载的情况。即除了“卧置在地基上以及不承受活荷载”这一种情况外，其余均不允许采用素混凝土受弯构件。

鉴于小型渠槽结构、受力均较小，渠道防渗规范指出小型渠道宜采用整体式U形或矩形渠槽。同时规定，渠基土稳定且无外压力时，U形渠和矩形渠防渗层的最小厚度为6 cm；渠基土不稳定或存在较大外压力时，U形渠和矩形渠宜采用钢筋混凝土结构。此规定和前述国标规定一致。显然，素混凝土渠墙仅适用于渠基土稳定、墙外没有土压力或土压力很小的情况。对于有较大水压力或渠墙外侧有较高填土、填土上可能有活荷载等外力时，不应采用素混凝土渠墙结构，也就是不能采用素混凝土整体式矩形渠槽。山区小型渠道墙高大多0.60～1.00 m，结构多在地面以上，墙外少有填土或松散培覆，鲜有人类活动干扰，边界条件符合素混凝土有关规定。因此，山区渠深1 m以下小型渠道采用素混凝土整体式矩形渠槽是可行的。平原渠道多穿越耕地，墙外填土及耕作条件复杂，建议渠深1 m以上不宜采用素混凝土整体式矩形渠槽，仍以重力式挡墙为宜。

冬季积水、积雪导致地面小型渠道混凝土冻融损害时有发生。根据结构耐久性要求，设计混凝土强度不低于C20，抗冻等级不低于F150，抗渗等级不低于W4。

2 变形缝设计

2.1 结构布置

变形缝按作用不同分为伸缩缝、沉降缝、防震缝。小型渠道多为地面结构，基础底板埋深较小，受外界温度影响与上部结构相同。因此，伸缩缝和沉降缝应合而为一，按沉降缝构造处理，即基础底板和上部侧墙结构全部沿竖直方向断开。小型渠道体形矮小，毗邻刚度相同，受地震作用影响较小，沉降缝基本可以满足防震缝构造要求。变形缝间距一般取3～5 m。岩基间距取小值，土基间距取大值；窄小断面取小值，宽大断面取大值。

山区小型渠道均依山就势，平面多呈自然曲线。变形缝布置可沿渠道中轴线均布间距，变形缝平面沿中轴线法线方向，竖向贯通底板、侧墙全部结构。应避免平曲线渠道两侧渠墙分别排列变形缝，导致底板、侧墙变形缝交错布置，有悖竖向贯通全断面的目的。

岩基上直接浇筑混凝土结构，由于基岩与混凝土线胀系数不同，基岩基本不随温度变化而变化，混凝土因温度变化收缩时受基岩约束产生收缩应力。应力累积释放即产生裂缝，仅减小伸缩缝间距难以避免。应在混凝土底板和岩基之间设置柔性隔离层。隔离层可采用0.40 mm聚乙烯膜一道。岩基或旧有结构上渠底混凝土衬砌、渠墙混凝土压顶同样需设置伸缩缝和隔离层，以避免不规则裂缝的产生。

2.2 变形缝构造

混凝土浇筑温度的不同，致结构单元可能膨胀，也可能收缩。平曲线单元的膨胀可能导致整体结构的位移、变形甚至断裂。因此，变形缝应兼具胀缝和缩缝的功能。构造形式采用平头矩形，不应采用仅具缩缝功能的切割假缝。缝宽与结构的伸缩变形量、沉降差、防震结构变形有关，一般宜采用20～30 mm。缝宽尚应根据结构断面厚度确定。当断面厚度≤300 mm时，缝宽不应＜20 mm；当断面厚度＞300 mm时，缝宽不应＜30 mm。小型渠道断面厚度、沉降变形均不大，变形缝宽度可取20 mm。

变形缝止水构造包括填缝板和嵌缝密封材料。填缝板作为嵌缝密封材料的背衬，同时应具有适应变形缝变形的能力，可采用闭孔型聚乙烯泡沫塑料板。迎水面嵌缝密封材料应具有止水密封作用并能适应变形缝的变形。嵌缝密封料与混凝土的粘结力≥0.20 MPa，可采用聚硫密封胶、聚氨酯密封胶、硅胶等防水、有足够的变形能力、与混凝土具有良好粘结性能的柔性材料。填缝板不具有止水性能，不能代替嵌缝密封材料，否则将导致止水失效。

迎水面嵌缝密封宽度20 mm，嵌缝料深度≥15 mm。嵌缝密封料与混凝土表面应预留一定的距离。低温嵌缝时可预留5～2 mm，高温嵌缝时可预留2～0 mm。则嵌缝口预留凹槽深度为20 mm。嵌缝密封料应保证与两侧的混凝土良好粘接，但不应与其下部的填缝板粘接在一起，必须设置泡沫塑料圆条或油纸等隔离层。

设置变形缝的目的是提供结构单元变形的余地。因此，变形缝全断面不能被填缝板以外的杂物或抹面砂浆所填充，亦即填缝板应满填结构迎水面至背水面全断面。对于形体宽大的重力式挡墙断面，可沿墙的内、外、顶三面设置填缝板，填塞深度不宜＜200 mm，内部形成中空以节省投资。

3 施工技术要点

3.1 渠道结构施工

变形缝沿纵向将渠道结构分割成若干独立单元，每个单元须独立支立侧模、端模，浇筑成型，则相邻单元势必分序跳仓施工。应避免为提高模板使用率而将相邻单元结构同序施工，仅预置变形缝填缝板来分割单元形成变形缝。柔性填缝板的刚度不可能代替端模保证结构的定位和定型，混凝土浇筑过程将使其严重变形，导致结构定型、变形缝定位均不能满足设计要求。

矩形渠槽施工常见底板和侧墙分序支模浇筑有误，即施工缝设置在侧墙根部不当。施工缝宜设置在构件受力较小、便于施工的部位。侧墙作为受弯构件，根部受力最大，施工缝处理、模板接缝、混凝土浇筑振捣等极易在此形成薄弱环节、质量隐患，导致结构开裂渗漏。参照蓄水池池壁施工要求，必要的施工缝宜留在底板上面≥20 cm处；当底板与侧墙连接有腋角时，宜留在腋角上面≥20 cm处。鉴于小型渠道侧墙高度不大，底板和侧墙完全可以一次立模、连续浇筑成型而不留施工缝。

3.2 变形缝施工

渠道结构分序跳仓施工，则填缝板应在一序先浇注的混凝土浇注前安装并固定在端模板内侧，不得在浇注混凝土后粘贴在混凝土上。为预留填筑嵌缝密封料的凹槽，可用闭孔泡沫板条稳固在填缝板或模板上。二序混凝土浇注并达到一定强度后，嵌缝前拉出压条形成凹槽。不得将加宽整块填缝板代替凹槽浇注在混凝土内，之后再剔凿出凹槽。为避免串浆，预置填缝板宽度可略大于侧墙厚度，侧模压缩后与侧墙同厚。密封料嵌缝前，应对缝口边缘有缺陷的混凝土进行检查修补，保证缝内界面洁净干燥。为避免污染结构表面，嵌缝前可在缝口两侧粘贴胶带加以防护。