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浅析混凝土贴面浆砌石在灌区节水改造中的应用

信息来源:hunningtu.biz  时间:2009-07-06  浏览次数:156

  在灌区节水改造实施过程中,渠道防渗衬砌形式直接影响工程的寿命和防渗效果,而洪水河灌区地处北方寒冷地区,冬季长达4个月之久,渠道防渗衬砌结构的冻胀破坏是一个较突出的问题。改建前,灌区内的渠系均为上世纪60~70年代修建的浆砌卵石渠道,80年代兴建了一批混凝土预制板支渠和斗渠,从运行情况分析,浆砌石渠道抗冻性能优于混凝土预制板,其主要缺点是糙率大(糙率系数在0.023-0.0275之间),对面层石料的选料要求较高,石料的利用率不高;底脚缝易淘刷进而破坏渠底,维修频繁。混凝土预制板渠道抗冻性能差,板间缝受冻胀应力易开裂,造成混凝土预制板脱落,防渗效果下降,渠道耐久性差。在北方寒冷地区普遍存在类似显现[1][2]。针对上述问题,在灌区续建配套与节水改造渠道防渗结构设计上,我们本着因地制宜的原则[3],对普通浆砌石进行了改进:即利用灌区内丰富的卵石资源,根据各级渠道渠床地质条件、水流条件、抗冻胀效果、施工难易程度、结构美观等方面综合考虑,在不同级别的渠道上采用改进后的混凝土贴面浆砌石防渗护面,断面选型以弧形底梯形、梯形圆弧坡角形、抛物线型为主,形成了干、支、斗三级渠道曲线形的最佳断面组合,渠道的抗冻、抗渗、水力学条件得到了明显提高。
  1混凝土贴面浆砌石防渗结构
  1.1防渗结构厚度
  防渗结构厚度的确定须同时满足抗冻、抗渗要求[4][5]。对于Ⅰ、Ⅱ类强冻胀土基,渠底部及渠顶以下渠深的2/3处总厚度按渠道类别干渠取35cm;支渠、斗渠取30~28cm;渐变到封顶为25~20cm。面层混凝土厚度根据灌区节水改造工程实践,取值一般在3-5cm,厚度过大,一是不经济,二是浆砌石和混凝土的线胀系数不一致,会因温度不均造成温度应力叠加致使面层混凝土开裂。在侧向排水条件好的Ⅲ、Ⅳ类弱冻胀土基、透水性强的沙土类及砂砾石基础上,总厚度以满足现行规范[5]要求为宜。
  对于Ⅰ、Ⅱ类强冻胀土基,进行换基处理,置换材料为φ30~50mm河卵石,置换厚度分两种情况:平行于等高线(东西向)布置的渠道考虑阴坡的遮荫,渠底部65cm,阴坡上部40cm,阴坡下部70cm,阳坡上部30cm,阳坡下部50cm。垂直于等高线(南北向)布置的渠道,坡面上部30cm,坡面下部、渠底部50cm。
  渠道每5m设伸缩缝一道,缝宽2cm,沥青水泥砂浆嵌缝(重量配合比:水泥∶沥青∶砂子=1∶2∶4),缝面灌2cm厚聚氯乙烯泥止水。
  1.2砌筑材料
  砌筑材料采用细粒混凝土砌筑,混凝土骨料最大粒径20㎜,强度等级C15,使用标号为R425普通硅酸盐水泥,水灰比控制在0.5-0.55之间。贴面混凝土与浆砌石砌筑材料相一致,强度等级C15,水灰比控制在0.45-0.5之间。对于有推移质泥沙的渠道,为提高渠道的抗冲、抗磨性能,护面混凝土强度等级采用C20。
  2主要施工工艺
  与常规渠道施工工序一样,首先进行渠道开挖和边坡整理,然后进入渠底置换料,并夯筑,渠坡置换料随边坡砌筑高度随砌随填,以免占用砌体空间,以保证砌体厚度。渠底置换料夯填后即可进入混凝土贴面浆砌石施工,主要工艺如下:
  ①安置样模:为保证设计的曲面轮廓几何尺寸准确,在实践中总结了样模挂线法,即根据渠道的设计尺寸,将曲线部分(圆弧形或抛物线等)加工成预制样模,样模宽度10~12cm,高度以设计渠底厚度的1/2为宜,强度等级不低于面层混凝土标号,每隔10m~15m放置一个,以不拖线为宜,用同标号混凝土固定。样模作为结构的一部分不拆除。
  ②砌石施工:渠底曲线部分砌石用灌浆法砌筑,渠坡采用座浆法,渠底、渠坡砌石连续完成不留施工冷缝。砌石顶面以上预留面层混凝土厚度。砌筑前洗净石料,自下游向上游方向衬砌,先中间,后两边沿圆弧切线砌石,每一块砌石要于相同位置的圆弧切线垂直,大头向下,小头向上,三角缝,六面靠、垂直于弧面不倾斜;顶面要平整,起伏误差不得大于5mm。细砾砼一次性灌浆,要求灌浆饱满、密实。
  ③面层混凝土施工:将砌筑好的砌石表面清理浮渣,用清水湿润然后刷素水泥浆一道,将拌和好的面层混凝土按先渠底后渠坡的施工顺序一次浇筑成型,然后在样模上挂线手工修坡修园。面层混凝土拌和要严格控制水灰比,流动性不可过大。
  3应用条件与技术方法
  3.1干渠混凝土贴面浆砌石防渗护面
  干渠流量在5~12m3/s之间,在水力学计算满足《渠道防渗工程技术规范》SL18-91规定的不冲流速的条件下,断面宜选择弧形底梯形断面,弧形底弦长1.8~2.2m,边坡系数m=1~1.25,圆心角90o~77o,圆弧半径127.3~176.1cm,弓高37.3~38.6cm,斜边长度根据实际流量确定。当弧形底梯形断面不能满足不冲流速的条件下,可选用梯形圆弧坡角形断面,底宽2.0~2.4m边坡系数m=0.75~1。
  3.2支、斗渠混凝土贴面浆砌石防渗护面
  支、斗渠流量在0.5~1.2m3/s之间,在Ⅲ、Ⅳ类弱冻胀土基条件下,选择弧形底梯形断面,弧形底弦长0.5~1.0m,边坡系数m=0.5~0.9,圆心角127o~96o,圆弧半径27.95~67.27cm,弓高15.45~22.27cm,斜边长度根据实际流量确定。Ⅰ、Ⅱ类强冻胀土基,推荐使用抛物线形断面,抛物线方程y=0.05x2(单位:cm)。在侧向排水条件好、透水性强的沙土类及砂砾石基础上,建议使用“U”形或混凝土预制块等其他形式的防渗护面。
  4应用情况
  洪水河灌区在灌区节水改造实施过程中,于1996年首先应用混凝土贴面浆砌石防渗护面技术,改建益民东干渠上段5km(0+000~5+000弧形底梯形断面,Q=12.0m3/s,i=0.01~0.017),经两个冻融循环后全渠检查,护面结构完好,贴面混凝土无裂纹、起鼓现象,而且外观精美,被上级业务部门誉为“精品工程”。自1998年~2002年,陆续改建了干渠下段10km,支渠7条16km,配套斗渠5条7.5km,运行至今无维修。
  通过已建工程运行情况看,混凝土贴面浆砌石防渗护面具有如下特点:
  (1)施工简单,材料利用率高,相对于普通浆砌石造价低。以益民东干十一支为例,在流量(Q=0.6m3/s)、砌石厚度相等的条件下,贴面式浆砌石护面(弧形底梯形断面)与普通浆砌石护面(梯形断面)相比;过水面积减小41.89%,渠内流速增大88.61%,每米造价降低15.01%(19.63元)。
  (2)抗渗效果优于普通浆砌石。每公里渗漏损失流量[6]小50%。
  (3)外观上石面不外露,适宜于成型各种流线型造型,水力学条件优越。
  (4)较普通浆砌石渠道而言,输水时间短,灌水轮期平均缩短1.5d(据灌区调查)。
  由此可见,贴面式浆砌石护面技术具有明显的技术经济优势,在灌区节水改造中具有一定的应用前景和推广价值。
  参考文献
  [1]孟丽萍.浆砌石土工膜防渗技术在渠道防渗中的应用[J].节水灌溉,2006,(2):50-53.
  [2]王立洪.新疆水工建筑物损坏原因及防止措施研究[J].中国农村水利水电,2002,(6):45-47.
  [3]冯广志,周福国,季仁保.渠道防渗衬砌技术发展中的若干问题与建议[J].中国农村水利水电,2004,(5):1-4.
  [4]SL211-98,水工建筑物抗冰冻设计规范[S].
  [5]SL18-91,渠道防渗工程技术规范[S].1991.
  [6]GB50288-99,灌溉与排水工程设计规范[S].  在灌区节水改造实施过程中,渠道防渗衬砌形式直接影响工程的寿命和防渗效果,而洪水河灌区地处北方寒冷地区,冬季长达4个月之久,渠道防渗衬砌结构的冻胀破坏是一个较突出的问题。改建前,灌区内的渠系均为上世纪60~70年代修建的浆砌卵石渠道,80年代兴建了一批混凝土预制板支渠和斗渠,从运行情况分析,浆砌石渠道抗冻性能优于混凝土预制板,其主要缺点是糙率大(糙率系数在0.023-0.0275之间),对面层石料的选料要求较高,石料的利用率不高;底脚缝易淘刷进而破坏渠底,维修频繁。混凝土预制板渠道抗冻性能差,板间缝受冻胀应力易开裂,造成混凝土预制板脱落,防渗效果下降,渠道耐久性差。在北方寒冷地区普遍存在类似显现[1][2]。针对上述问题,在灌区续建配套与节水改造渠道防渗结构设计上,我们本着因地制宜的原则[3],对普通浆砌石进行了改进:即利用灌区内丰富的卵石资源,根据各级渠道渠床地质条件、水流条件、抗冻胀效果、施工难易程度、结构美观等方面综合考虑,在不同级别的渠道上采用改进后的混凝土贴面浆砌石防渗护面,断面选型以弧形底梯形、梯形圆弧坡角形、抛物线型为主,形成了干、支、斗三级渠道曲线形的最佳断面组合,渠道的抗冻、抗渗、水力学条件得到了明显提高。
  1混凝土贴面浆砌石防渗结构
  1.1防渗结构厚度
  防渗结构厚度的确定须同时满足抗冻、抗渗要求[4][5]。对于Ⅰ、Ⅱ类强冻胀土基,渠底部及渠顶以下渠深的2/3处总厚度按渠道类别干渠取35cm;支渠、斗渠取30~28cm;渐变到封顶为25~20cm。面层混凝土厚度根据灌区节水改造工程实践,取值一般在3-5cm,厚度过大,一是不经济,二是浆砌石和混凝土的线胀系数不一致,会因温度不均造成温度应力叠加致使面层混凝土开裂。在侧向排水条件好的Ⅲ、Ⅳ类弱冻胀土基、透水性强的沙土类及砂砾石基础上,总厚度以满足现行规范[5]要求为宜。
  对于Ⅰ、Ⅱ类强冻胀土基,进行换基处理,置换材料为φ30~50mm河卵石,置换厚度分两种情况:平行于等高线(东西向)布置的渠道考虑阴坡的遮荫,渠底部65cm,阴坡上部40cm,阴坡下部70cm,阳坡上部30cm,阳坡下部50cm。垂直于等高线(南北向)布置的渠道,坡面上部30cm,坡面下部、渠底部50cm。
  渠道每5m设伸缩缝一道,缝宽2cm,沥青水泥砂浆嵌缝(重量配合比:水泥∶沥青∶砂子=1∶2∶4),缝面灌2cm厚聚氯乙烯泥止水。
  1.2砌筑材料
  砌筑材料采用细粒混凝土砌筑,混凝土骨料最大粒径20㎜,强度等级C15,使用标号为R425普通硅酸盐水泥,水灰比控制在0.5-0.55之间。贴面混凝土与浆砌石砌筑材料相一致,强度等级C15,水灰比控制在0.45-0.5之间。对于有推移质泥沙的渠道,为提高渠道的抗冲、抗磨性能,护面混凝土强度等级采用C20。
  2主要施工工艺
  与常规渠道施工工序一样,首先进行渠道开挖和边坡整理,然后进入渠底置换料,并夯筑,渠坡置换料随边坡砌筑高度随砌随填,以免占用砌体空间,以保证砌体厚度。渠底置换料夯填后即可进入混凝土贴面浆砌石施工,主要工艺如下:
  ①安置样模:为保证设计的曲面轮廓几何尺寸准确,在实践中总结了样模挂线法,即根据渠道的设计尺寸,将曲线部分(圆弧形或抛物线等)加工成预制样模,样模宽度10~12cm,高度以设计渠底厚度的1/2为宜,强度等级不低于面层混凝土标号,每隔10m~15m放置一个,以不拖线为宜,用同标号混凝土固定。样模作为结构的一部分不拆除。
  ②砌石施工:渠底曲线部分砌石用灌浆法砌筑,渠坡采用座浆法,渠底、渠坡砌石连续完成不留施工冷缝。砌石顶面以上预留面层混凝土厚度。砌筑前洗净石料,自下游向上游方向衬砌,先中间,后两边沿圆弧切线砌石,每一块砌石要于相同位置的圆弧切线垂直,大头向下,小头向上,三角缝,六面靠、垂直于弧面不倾斜;顶面要平整,起伏误差不得大于5mm。细砾砼一次性灌浆,要求灌浆饱满、密实。
  ③面层混凝土施工:将砌筑好的砌石表面清理浮渣,用清水湿润然后刷素水泥浆一道,将拌和好的面层混凝土按先渠底后渠坡的施工顺序一次浇筑成型,然后在样模上挂线手工修坡修园。面层混凝土拌和要严格控制水灰比,流动性不可过大。
  3应用条件与技术方法
  3.1干渠混凝土贴面浆砌石防渗护面
  干渠流量在5~12m3/s之间,在水力学计算满足《渠道防渗工程技术规范》SL18-91规定的不冲流速的条件下,断面宜选择弧形底梯形断面,弧形底弦长1.8~2.2m,边坡系数m=1~1.25,圆心角90o~77o,圆弧半径127.3~176.1cm,弓高37.3~38.6cm,斜边长度根据实际流量确定。当弧形底梯形断面不能满足不冲流速的条件下,可选用梯形圆弧坡角形断面,底宽2.0~2.4m边坡系数m=0.75~1。
  3.2支、斗渠混凝土贴面浆砌石防渗护面
  支、斗渠流量在0.5~1.2m3/s之间,在Ⅲ、Ⅳ类弱冻胀土基条件下,选择弧形底梯形断面,弧形底弦长0.5~1.0m,边坡系数m=0.5~0.9,圆心角127o~96o,圆弧半径27.95~67.27cm,弓高15.45~22.27cm,斜边长度根据实际流量确定。Ⅰ、Ⅱ类强冻胀土基,推荐使用抛物线形断面,抛物线方程y=0.05x2(单位:cm)。在侧向排水条件好、透水性强的沙土类及砂砾石基础上,建议使用“U”形或混凝土预制块等其他形式的防渗护面。
  4应用情况
  洪水河灌区在灌区节水改造实施过程中,于1996年首先应用混凝土贴面浆砌石防渗护面技术,改建益民东干渠上段5km(0+000~5+000弧形底梯形断面,Q=12.0m3/s,i=0.01~0.017),经两个冻融循环后全渠检查,护面结构完好,贴面混凝土无裂纹、起鼓现象,而且外观精美,被上级业务部门誉为“精品工程”。自1998年~2002年,陆续改建了干渠下段10km,支渠7条16km,配套斗渠5条7.5km,运行至今无维修。
  通过已建工程运行情况看,混凝土贴面浆砌石防渗护面具有如下特点:
  (1)施工简单,材料利用率高,相对于普通浆砌石造价低。以益民东干十一支为例,在流量(Q=0.6m3/s)、砌石厚度相等的条件下,贴面式浆砌石护面(弧形底梯形断面)与普通浆砌石护面(梯形断面)相比;过水面积减小41.89%,渠内流速增大88.61%,每米造价降低15.01%(19.63元)。
  (2)抗渗效果优于普通浆砌石。每公里渗漏损失流量[6]小50%。
  (3)外观上石面不外露,适宜于成型各种流线型造型,水力学条件优越。
  (4)较普通浆砌石渠道而言,输水时间短,灌水轮期平均缩短1.5d(据灌区调查)。
  由此可见,贴面式浆砌石护面技术具有明显的技术经济优势,在灌区节水改造中具有一定的应用前景和推广价值。
  参考文献
  [1]孟丽萍.浆砌石土工膜防渗技术在渠道防渗中的应用[J].节水灌溉,2006,(2):50-53.
  [2]王立洪.新疆水工建筑物损坏原因及防止措施研究[J].中国农村水利水电,2002,(6):45-47.
  [3]冯广志,周福国,季仁保.渠道防渗衬砌技术发展中的若干问题与建议[J].中国农村水利水电,2004,(5):1-4.
  [4]SL211-98,水工建筑物抗冰冻设计规范[S].
  [5]SL18-91,渠道防渗工程技术规范[S].1991.
  [6]GB50288-99,灌溉与排水工程设计规范[S].

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