预制混凝土U形槽在牛津河引水坝防渗衬砌工程中的应用探究

宋斌

（临夏县恒屹水利水电安装有限责任公司，甘肃临夏 731800）

1 引言

近年来，预制混凝土U 形槽因为强度高、允许流速大、防渗效果好、使用年限长等特点，被广泛应用于防渗衬砌工程中。对于牛津河引水坝项目，临川渠张王家段至牛津河引水渠段存在淤塞、渗漏等问题，导致水资源浪费，不利于农业经济发展。基于此，对其改造势在必行。在改造工程中，应合理应用防渗衬砌工程技术，利用预制混凝土U 形槽，提高水利用系数，保障临川渠张王家段至牛津河引水渠段的社会效益、经济效益能够达到预期目标。

2 项目概况

牛津河引水坝位于甘肃省临夏市南川灌区杨家村，属于牛津河中游段。该地区年均降水量约450～550 mm，最大冻土深度为1.5 m，牛津河作为重要的引水工程，直接关系到人们的日常生活，在该工程中，临川渠张王家段至牛津河引水渠段，水利用系数只有0.4～0.5，并且存在淤塞、渗漏等问题，不能满足GB/T 50600—2010《渠道防渗工程技术规范》的要求，因此，欲对其开展防渗衬砌工程，改善其运行条件。改造工程全长900 m，改造过程中，采用预制混凝土U 形槽构件解决了渠道淤塞、渗漏、水利用系数低等问题。

3 方案设计

3.1 设计原则

以牛津河引水坝临川渠张王家段至牛津河引水渠段规划为基础，编制防渗衬砌实施方案，因地制宜，充分考虑该地区降水量、冻土深度等情况，对施工方案不断优化升级[1]。在保障渠道基本功能的前提下，尽可能地减少农田占比率，提高其技术经济指标，科学合理地截弯取直，保障整个防渗衬砌工程线平顺。

3.2 预制混凝土U形槽应用设计

预制混凝土U 形槽设计需要以相关规定和《水力学计算手册》[2]为依据，根据渠道原水流量，利用以下公式确定预制混凝土U 形槽规格。

式中，Q 为预制混凝土U 形槽设计断面的流量；W 为预制混凝土U 形槽过水段面过水面积；v 为断面平均流速；r 为水力半径。

考虑到牛津河引水坝所在区域为季节冻土区，为防止预制混凝土U 形槽出现冻胀破坏现象，在U 形槽下方填放砂砾石垫层。通过计算得出了牛津河引水坝预制混凝土U 形槽规格，有关选型参照表1。

表1 预制混凝土U形槽选型参照表

灌区支渠布置方式通常采用“路-渠”形式，在本次改造工程中，防渗衬砌工程仍旧采用“路-渠”形式，节约农田土地，便于施工及后期维护。以上3 种U 形槽断面规格，预制厚度均以3.0 cm 为主，适用水流量0.30～0.90 m3/s，底缝采用C15 细粒混凝土现浇[3]。

4 预制混凝土U形槽制作工艺

预制混凝土U 形槽制作工艺流程如下：制作U 形槽钢模→砂石备料→混凝土拌和→材料运输→浇筑U 形混凝土预制槽→混凝土振捣→静置初凝→8～12 h 后拆模、洒水养护。

4.1 混凝土材料控制

4.1.1 水

有关混凝土材料拌和与养护，水的质量标准需要符合饮用标准。

4.1.2 水泥

工作人员需要对入场水泥质量进行严格把控，标明水泥强度层等级、出厂批号、生产厂家等。选择通风、排水条件好的存储场地，合理设置防潮层及运输通道。在正式投入使用前还需要对水泥进行检验，存在受潮结块现象的一律不得采用，保障水泥质量[4]。

4.1.3 砂石

预制混凝土U 形槽采用的砂石为中砂，选择质地坚硬、级配良好的天然河砂最佳，规格标准为：

1）天然砂石含泥量＜3%，含水量＜4%，细度模数保持在2.2～3.0；

2）采用的石子粒径最大不能超过混凝土板厚度的1/2，构件断面最小尺寸的1/4，钢筋最小净距的2/3。骨料逊径含量不能＞10%，超径含量不能＞5%，含泥量不得超过1%。

4.2 混凝土配合比

U 形槽混凝土强度要满足项目要求，需要对其配合比进行实验，实验结果经审批后才能投入使用。在本项目中，原材料规格和每单位体积用量见表2、表3。

表2 原材料质量规格表

表3 原材料配合比

4.3 混凝土的拌和与运输

工作人员在拌和混凝土时，一定要严格按照配合比进行配料。在大量预制工作中，为了提高拌和效率，可以将砂石料量折算成体积进行配料，计算每袋水泥需要的砂、石量。需要注意的是，混凝土拌合物与施工条件间具有和易性。

运输作为连接混凝土拌和与浇筑的重要环节，需要满足随拌、随运、随用标准。用于运输材料的翻斗车，要满足不漏浆，设备严密、平滑的要求[5]。在运输过程中，可能存在混凝土分离现象，因此，运输途中需要严格遵守规定时间，否则混凝土失去塑性或者已经初凝，应当作废料处理，直接影响后续施工活动的开展。

4.4 混凝土预制槽的浇筑及振捣

混凝土预制槽的浇筑与振捣应选择地势平坦、开阔的场地。在浇筑前检查模具是否平整、光滑，并在模具内侧涂抹脱模剂。装模前，需要提前准备2 m×3 m 的铁皮，作为混凝土材料放置物，防止掺入其他物质[6]。在浇筑的同时开展振捣工作，确保材料严密夯实，根据当地气候等待8～12 h 后拆模。拆模后预制混凝土U 形槽要满足表面密实、无石子外漏、棱角分明、无蜂窝麻面等要求。

4.5 拆模养护

U 形槽养护工作是提高该混凝土工程质量的重要环节，特别是该混凝土构件表面面积大、壁薄，如果不能及时养护，将会导致裂缝问题，影响U 形槽质量。工作人员需要根据当地气温条件，勤洒水，始终保证构件表面湿润，使其得到充分养护。

5 预制混凝土U形槽在牛津河引水坝防渗衬砌工程中的应用

预制混凝土U 形槽在牛津河引水坝防渗衬砌工程中的应用体现在6 个环节，分别为土方工程、垫层铺设、U 形槽安装、回填、砂浆勾缝及养护。

5.1 土方工程

在土方工程正式施工前，相关人员需要开展技术交底工作，明确渠道水准高程、长度、中线，核对渠线方向。在中线位置每20 m 设置1 个中心桩。在渠道弯道处，每隔3～5 m 设置1 个中心桩。最后，结合渠道高程控制点、中心线，开展临时推土、回填、边线放样工作，为衬砌工程的实施奠定基础。

5.1.1 清基

将渠道内部的冻土、杂物、隐藏的砖石等清除。

5.1.2 回填

回填土的选择应遵循就近原则，减少材料运输费用，并且回填土含水量要保持15%～20%。回填土含水量如果过低，需要采取洒水措施，调节其含水量；如果含水量较大，需要通过换土、晾晒、排水等手段，将含水量控制在项目范围内。

5.1.3 夯实

在本项目中，回填土夯实工作主要采取分层夯实模式，每层回填土铺设厚度要控制在20～30 cm，夯实次数不得少于4 次，杜绝橡皮土、漏夯现象。完成夯实工作后，保障回填土干容重小于1.55 t/m3[7]。

本项目主要采取人工开挖方式，根据渠道工程挖深及挖方边线进行开挖，形成渠道开挖断面。如果在开挖过程中存在削坡过量现象，不能用浮土回填，要用新土回填。按照防渗衬砌工程设计，对U 形渠边坡、渠底进行修整，确保渠槽满足U形槽安装要求。

5.2 垫层铺设

预制混凝土U 形槽截面图如图1 所示。由此可见，垫层对于预制层混凝土U 形槽安装的重要性，应充分保障侧梁、圆弧段稳定性。在铺设垫层时要确保垫层原材料粒径、级配符合项目设计要求，避免出现颗粒分离现象，所有材料要保持洁净，防止出现二次污染，避免对后期U 形槽安装造成影响[8]。

图1 预制混凝土U形槽截面图

5.3 预制混凝土U形槽安装及砂浆勾缝

完成上述准备工作后，需要将混凝土构件运输到安装地，采取人工装卸方式，避免在装卸过程中出现受力不均现象，否则会导致构件损坏、断裂，增加构件损耗，提高项目建设成本。

安装预制混凝土U 形槽时，要始终遵循平、直、顺、滑、稳这一施工要求，渠道面渠口的两平面要始终保持光滑、平整。在安装过程中，垫层验收合格后每隔20 m 设置1 个控制点，并在控制点上安装一块标准U 形槽。随后，从渠首到渠尾逐块安装[9]，每隔10 m 注意留3～10 cm 的伸缩缝。应用沥青砂浆进行填充，并进行压实抹光。

作为渠道的薄弱位置，需要对U 形槽接头缝口进行处理，预防渠道在后续使用时出现位移、渗漏现象，基于此，施工单位需要对U 形槽进行处理。在勾缝前，需要将缝隙中的杂土、石子等进行清除，并洒水湿润。随后，使用水泥砂浆将缝隙填满，压实后覆盖草帘并进行洒水养护。有关砂浆勾缝一定要满足无裂缝、光滑的标准[10]。

5.4 养护

完成勾缝工作后，需要对整个项目进行养护，通过在渠道U 形槽表面覆盖湿麻袋等开展养护工作，勤洒水，确保砂浆始终保持湿润，为后续工程运用奠定基础。

6 工程效果分析

预制混凝土U 形槽在防渗衬砌工程中的应用，具有节约土地、防渗效果好、投资少、收益高等特点，根据改造后的牛津河临川渠张王家段至牛津河引水渠段运行情况来看，运行情况如下。

6.1 防渗效果好

本项目中C15 预制混凝土U 形槽为人工浇筑，厚度均匀，改造后渠道水利用系数由原先的0.4～0.5 提高到0.97～0.98，再加上U 形槽接缝少，输水损失小，防渗效果优良。

6.2 工程投资少

由于U 形槽占地面积小，因此，在一定程度上减少了土方开挖量，减少了工程资金投入，有助于提高项目运行效益。

6.3 节约土地量

预制混凝土U 形槽具有渠口窄、占地面积小等特点，在运用过程中能够独立承受水的外力。整个槽衬砌倾角为14°，相比于改造前的临川渠张王家段至牛津河引水渠段而言，倾角减少了13°，节约土地约5%。

7 结语

综上所述，对于牛津河引水坝临川渠张王家段至牛津河引水渠段项目而言，应用预制混凝土U 形槽开展衬砌工程，有助于提高工程水利用率，减少输水损失，杜绝以往渗漏现象，提高渠道工程运行效益。施工单位在此过程中要严格把控施工工艺及流程，从每个施工环节入手，控制项目质量，确保衬砌工程能够满足预期目标，为后期牛津河引水坝长久、稳定地运行奠定基础。