南水北调工程渠道机械化衬砌设计若干问题

何彦舫　陶自成　杨广杰

摘要：为更好适应大型渠道衬砌机械化施工需要，以南水北调工程中线、东线渠道衬砌设计方案为例，总结现有典型大型渠道衬砌总体功能、设计依据及典型设计型式。结合某标段大型渠道机械化衬砌施工和渠道运行管理实践，研究了大型渠道机械化衬砌设计方案在渠基排水、分缝设计、防渗设计、防冻胀设计、渠道衬砌板结构设计及附属设施设计等方面存在的若干问题，并提出了相应的优化设计建议，以期为大型渠道机械化衬砌施工提供参考。

关键词：南水北调工程；大型渠道；机械化衬砌；优化

南水北调中线工程南起汉江丹江口水库、北至北京颐和园的团城湖，输水总干渠全长1 420 km，连通长江、淮河、黄河、海河四大流域，跨越铁路44处，需建跨总干渠的公路桥571座，此外还有节制闸、退水建筑物和隧洞、暗渠等，总干渠上各类建筑物共936座，其中最大的是穿黄河工程。天津干渠153.8 km，地下箱涵输水结构。天津干渠穿越河流48条，布置建筑物119座。

目前中线工程全线通水投入运营使用，渠道处于安全运行状态。在南水北调工程若干关键设计技术中，渠道混凝土衬砌设计技术是重要的关键技术之一。对于长距离的输水干渠，工程设计、建设过程中需要解决渠道混凝土板的抗渗、抗冻融、混凝土自生收缩、干燥收缩和冷缩以及大面积连续快速现浇施工导致的开裂等问题，浇筑后混凝土需具有高强度、高耐久性、高抗裂性、抗渗、抗冻等性能。因此，研究现有大型渠道衬砌结构设计及机械化衬砌施工技术等具有重要意义，可为国内外其他大型引调水工程的大块薄板现浇混凝土衬砌技术提供借鉴。

1南水北调中线渠道总体设计依据

南水北调中线干线工程设计流量为40-630 m3/s，加大流量为800 m3/s。输水渠主要型式为梯形明渠全断面防渗衬砌型式，黄河以南渠道纵坡1/25 000、黄河以北1/30 000-1/15 000，设计水深3.5-9.5 m；输水渠衬砌边坡1：1.5-1：3.0，设计底宽9.0-56.0 m。总干渠输水渠上布置水闸、倒虹吸、桥梁等各类交叉建筑物，在满足输水和分水的同时，还可兼顾沿线防洪、排涝、交通和泄水等要求。

1.1工程等别及建筑物等级

某渠段总干渠渠道、各类交叉建筑物及控制建筑物等主要建筑物为1等，其余河道防护工程及河穿渠工程连接段等次要建筑物均为3级建筑物。

1.2防洪标准

根据南水北调工程专项技术及有关规范规定，积水面积大于或等于20 km2的河渠交叉建筑物设计洪水标准为100 a一遇、校核洪水标准为300 a一遇；積水面积小于20 km2的河渠交叉建筑物设计洪水标准为50 a一遇、校核洪水标准为200 a一遇。

1.3地震设计烈度及设防标准

根据设计规范，总干渠渠道及l级建筑物地震设计烈度为6-7度。

1.4主要技术标准、规范

采用的技术标准主要有：南水北调工程建设专用技术系列标准，水利系列标准，国标系列标准，电力系列标准，水电系列标准，铁路、交通、市政等行业规范标准，以及南水北调相关部门的批复文件。

2南水北调中线干线渠道设计型式及方案

2.1几种典型渠道设计型式

（1）防渗设计型式：①现浇混凝土面板防渗；②复合土rN、合成树脂高分子自粘防水卷材防渗；③喷乳化沥青层防渗；④水泥土、土壤固化剂固结土等防渗。

（2）防冻胀设计型式：①换填法，利用砂、砂砾石、碎石等材料进行置换；②保温板法。

（3）防扬压设计型式：①渠底暗管井排；②渠坡暗管自流内排；③泵站强排。

2.2渠道衬砌防渗结构型式

（1）全断面铺设复合土工膜防渗+渠坡采用聚苯乙烯泡沫板（或砂砾料、砂砾石等）保温+渠底换填砂砾石（砂砾料）防冻胀+现浇混凝土衬砌。

（2）全断面现浇高性能混凝土面板。

（3）渠坡聚胺脂粘合的单面钢丝网架聚苯乙烯泡沫板保温+渠底换填砂砾石防冻胀+现浇混凝土防渗。

（4）全断面铺设复合土工膜+聚苯乙烯泡沫板+预制混凝土板干砌。

（5）渠坡铺设复合土工膜+聚苯乙烯泡沫板+现浇混凝土衬砌+固结土护底。

3渠道机械化衬砌设计存在问题及改进建议

3.1渠基排水

3.1.1存在问题

现有底部及渠坡渠基排水设计为C10无砂管，强度低，且黏聚力较小，施工时易受挤压，造成局部破坏，易导致排水不畅。根据施工实践，渠底两侧埋设的无砂管容易受到外力作用导致破损，如不能及时发现，则会出现衬砌板局部悬空，存在该段排水不畅的潜在风险。在渠道高水头运行下，可能造成渠底衬砌板受压不均衡而被压裂。当挖方渠道的地下水位较高时，不但容易产生冻胀破坏，而且衬砌板下的扬压力也可能使衬砌板破坏顶起，进而影响渠道正常运行。

3.1.2改进建议

建议将无砂排水结构优化为塑料逆止式排水器，并进一步研究无砂排水管的埋深，从而有效避免无砂管破损引起的一系列问题；对地下水位略高于渠底且无排水出路的渠段，建议在渠底加设砂砾石积水盲沟来排除渠底渗水，并每隔50-100 m设集水井，地下水溢出点以下的渠坡及渠道底部应铺设滤水布。

3.2分缝设计

3.2.1存在问题

根据《渠道混凝土衬砌机械化施工单元工程质量检验评定标准》（NSBD8-2010）要求，允许偏差为深度±5 mm、宽度±3 mm，渠道衬砌分缝一般每12 m设置一道通缝。部分标段渠道衬砌夏季发生了不同程度的挤胀，冬季出现了冻胀现象。根据《渠道混凝土衬砌机械化施工技术规程》（NSBD5-2006）及《渠道混凝土衬砌施工操作指南（试行）》规定，对于半缝，切缝深度为0.6倍衬砌设计厚度；对于通缝，“当底部铺设防渗层时，切缝深度宜为板厚的0.9倍”。半缝设计深度不够，无法起到缩缝或胀缝效果。人工机械切割缝，很难准确把握0.9倍板厚这一尺度，容易造成土工膜被切坏，影响渠道衬砌的防渗效果。这一技术标准在施工中比较难把握，同时也增加了施工成本，因此合理的通缝切缝的技术标准及要求是满足大型渠道机械化衬砌施工的需要，也是节约施工成本、加快机械化衬砌施工进度的需要。

若通缝缝间距过小，则影响机械化施工速度、增加施工难度；若通缝缝间距过大，则影响热胀效果。机械化衬砌高峰期施工强度一般为100-300 m/d，连续浇筑的混凝土仓面施工中，人工预留2 cm施工通缝比较困难，渠道衬砌通缝大多为人工机械切割通缝（但不完全切通），仅少量为施工预留通缝。为满足机械化衬砌施工连续性的需要，渠道分縫设计间距、切缝深度将是渠道衬砌设计优化的方向之一。

3.2.2改进建议

（1）机械化衬砌沿坡长方向的伸缩缝设置中，当边坡过长时，建议加设腰缝，其位置布设应选择在填挖方交界处或坡面土质性能变化较大处，以适应土质变形，不应按坡长等分布置腰缝。

（2）据观察分析，纵向冻胀裂缝多发生在渠道下半部，系由土壤变形引起的裂缝，走向呈水平状，且沿整个板宽伸展。小型渠道一般不设纵向缝，但是对于水深较大、坡长过长和渠底较宽的大型渠道，除应在边坡与渠底连接处的适当位置布设一道纵向伸缩缝外，还需在渠底加设纵向缝。建议进一步加强伸缩缝设计间距、深度等研究。

3.3防渗设计

3.3.1存在问题

（1）一期工程渠道衬砌防渗设计主要为全断面敷设复合土工膜防渗（两布一膜，规格为576 g/m2，局部段设计规格为852 g/m2）。土工膜不宜暴晒时间过长，在施工中焊接质量受膜厚、电压、爬行速度、风力、气温、基层平整度等诸多因素的影响，热焊接法具有一定的局限性，容易出现孔眼、未充分熔化、脱粘等现象，造成渗漏隐患。特别是复合土工膜与布、膜与建筑物（复合土工膜与混凝土建筑物、膜与桥墩柱或路基排水管）交接部位等施工质量难以保证。

（2）考虑衬砌混凝土机械化施工的需要，夜间土工膜焊接质量难以检测和保证，土工膜热熔焊接的局限性在渠底衬砌施工时表现尤为明显，限制了机械化衬砌速度，需要进一步优化土工膜防渗设计方案，在保证防渗效果的前提下满足机械化衬砌施工的需要。

3.3.2改进建议

（1）采用KS胶粘结技术，以弥补热熔焊接法所无法达到的要求，在复合土工膜与布结合面、膜与桥墩（管道或建筑物）交接部位、复合土工膜被扎破或顶破的特殊部位能较好满足防渗设计要求，可以满足大型渠道机械化衬砌施工的需要。

（2）面板混凝土建议采用钢丝网微膨混凝土板衬砌或现浇补偿收缩混凝土，从外部防止水流渗入。

3.4防冻胀设计

3.4.1存在问题

从部分标段冬季运行情况看，混凝土板出现鼓胀及裂缝、隆起架空、上抬等现象。衬砌板越薄冻胀程度越严重，错台现象也越明显。

南水北调工程东线、中线一期工程渠道衬砌混凝土强度等级分别为C20W6F200、C20W6F150，从运行对比看，中线一期工程防冻胀设计标准略低。

防冻胀保温板铺设对于基面平整度要求高，局部存在保温板铺设时与坡体之间不密实的现象，混凝土衬砌施工时在重力作用下，若保温板出现局部下滑，将会造成混凝土衬砌表面出现纵横交错裂缝（龟裂）。

3.4.2改进建议

（1）适当提高设计标准，把混凝土防渗设计允许的冻胀深度提高到1.0 cm，使防渗工程的寿命延长。

（2）从抗冻胀性能考虑，渠道混凝土衬砌一般在冻胀裂缝经常发生的部位加厚混凝土板，增加其抗冻胀破坏的能力。板梁整体的结构型式因冻胀产生的纵向破坏值得进一步研究。

（3）严格保温板铺设施工质量。在非弯道渠段可顺水流方向铺设，板与板之间的侧面用双组分聚胺脂胶粘剂，粘结牢固，胶结均匀，表面平整；弯道处保温板上铺钢丝网架，保温板之间的粘结不允许出现缝隙，这样对连续施工防止混凝土开裂起到很大作用。

3.5渠道衬砌设计

3.5.1存在问题

（1）从渠道衬砌断面设计型式看，现有渠道衬砌断面型式为传统宽浅式的梯形断面；从设计标准选取看，国内现有的规范规程对渠道衬砌混凝土设计强度等级、抗冻标号、衬砌板厚度要求均偏低。

（2）从衬砌混凝土配合比设计看，渠道衬砌设计混凝土配合比均为二级配（粒径为0.5-2.0 cm、2-4 cm），不满足《渠道混凝土衬砌机械化施工技术规程》规定的“骨料的最大粒径应不大于衬砌混凝土板厚度的1/3”。实际施工时，超径的石子（粒径大于4 mm）造成压实抹面难度大，导致压实抹面速度慢，延长了压实抹面的时间，混凝土水分损失过多，进而导致裂缝产生。特别是10 cm厚混凝土原浆抹面施工，影响了机械化施工的速度和质量。显然，混凝土配合比设计为二级配不尽合理，更无法满足8 cm板厚的设计方案。若满足该规程的要求，粗骨料粒径不大于2.67 cm，会影响混凝土的抗压强度，也不利于混凝土的抗冲耐磨性。

（3）从交叉建筑物布置看，中线工程渠道交叉建筑物（特别是交通桥、生产桥）有2 076座，部分标段下渠台阶布置在左右渠坡，间距为1 000 m左右；部分渠段渠深坡陡，设计坡度1：1.5-1：2.0，桥梁附近无检查踏步和平台。为现场施工和今后桥梁运行维护管养及安全检查带来诸多不便。

（4）从封顶板及衬砌坡脚设计看，现有渠道设计中，对挖方地段窄深式渠道的衬砌板底部平台设计宽度为10-20 cm，无齿槽，混凝土衬砌坡脚无齿墙。混凝土封顶板齿墙的作用是固定和阻止混凝土坡体变形、下滑；混凝土衬砌坡脚齿墙的作用是抵抗混凝土自重下滑的推力、增强混凝土衬砌板抗滑稳定性、防止对底板造成侧压力。如缺少封顶板齿墙，地表水的渗入会减弱水泥砌体对冻胀破坏的抵抗能力，使工程难以达到设计效果。

3.5.2改进建议

（1）综合考虑具有近似最佳水力断面、水流条件好、流速，陕、防渗效果好、抗冻性能强等优点的弧形坡脚梯形断面，在国外已经实现了混凝土机械化衬砌。建议根据渠道衬砌机械设备及国内现有的施工水平，进一步深入研究弧底梯形渠道和弧脚梯形渠道断面型式。

（2）针对薄壁混凝土裂缝问题，建议采用钢丝网微膨混凝土大板衬砌，适当加大伸缩缝、间距缝。现浇补偿收缩混凝土方案混凝土可以连续浇筑，而不至于出现塑性裂缝，是一种适应机械化施工要求、具有推广应用价值的设计方案。

（3）调整混凝土设计配合比，增加衬砌板的厚度。根据《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》（SL482-2011）及美国垦务局提出的混凝土衬砌厚度极限标准，建议南水北调中线工程渠道衬砌板最小厚度不宜小于10 cm。对砂土段渠段，渠底衬砌板厚度提高至10 cm，渠坡不宜小于15 cm，同时相应提高防渗、抗冻等级。

（4）优化交叉建筑物布置。在渠道衬砌设计中，对于渠道交叉建筑物（左右岸排水建筑物、生产桥、交通桥、倒虹吸、渡槽等）应统筹布置，优化设计，减少不必要的建筑物，以节约投资、减少对机械化衬砌施工的干扰。适当调整渠坡下渠台阶位置，在较大的生产桥或交通桥下增设检查踏步和平台，以便今后的管养和安全检查。

（5）封顶底板、坡面衬砌坡脚增加齿墙设计。封顶板增设齿墙断面尺寸，一般宽20-30 cm、高度30-40 cm，与堤顶排水、路缘石等相结合设计。若采用梯形断面，建议渠底衬砌板增加齿墙设计，断面由计算确定。另外，渠坡衬砌是否需要增加横梁槽，形成板梁整体的结构型式，需要视具体情况经计算后确定。