试论混凝土防渗渠道的设计

2023-02-12

1 混凝土防渗渠道的基本特点

混凝土防渗主要有以下五大优点:一是防渗的效果非常好, 一般都能减少渗漏损失的90%~95%, 而且经混凝土衬砌之后, 渠道水的利用系数能达到0.97以上。二是耐久性比较好。在正常的情况下, 运用防冻技术的混凝土衬砌渠道可使用20年以上。三是糙率较小。n值在0.012~0.017之间, 因而能够减少沿程的水头损失, 同时允许流速大, 一般能达到3.5~6.0m/s。在坡降较陡的情况下, 能够节省连接建筑物从而缩小渠道断面, 减少土方工程量与工程占地, 实现节省投资的效果。四是强度较高, 耐久性强, 便于进行管理。混凝土衬砌的强度很高, 能有力地防止动物、植物的穿透或其它外力的破坏, 能够节省相当的管理费用。五是适应性广泛。混凝土有较好的模塑性, 能根据设计要求制成多种形式与不同结构的尺寸, 还能根据工程的差别, 选择合理的原材料, 调整混凝土的配合比例采取各种生产工艺, 制成具备各种性能的混凝土部件。所以, 不同环境条件与大小渠道都能采用。同时, 现场浇筑的接缝少, 能减少渗漏量, 而且预制构件的质量容易保证, 预制好的构件也能充分利用渠道停水及灌溉间隙运到现场进行装配, 从而加快施工进度。然而, 混凝土防渗也存在一些缺点, 需要设计者结合当地实际考虑是否适合应用。一是混凝土衬砌板适应冻胀变形的能力比较差。二是混凝土防渗在缺乏砂石料的地区造价比较高。三是在高寒地区混凝土防渗必须采取相应的防冻害措施因而技术十分复杂。

2 混凝土防渗渠道的结构形式

选择好恰当的结构形式, 是混凝土渠道防渗的基础环节。防渗渠道的设计要根据灌溉面积、作物布局, 并联系地形、土壤、地下水位等各类自然条件来确定断面的尺寸。目前, 各灌区的防渗渠道一般有梯形、矩形与U型这三种形式, 梯形与矩形防渗渠道的特点是施工方便。U型断面以其良好的整体性能, 较高的强度, 各部位均匀的受力, 及产生裂缝较少, 便于管理。混凝土防渗渠道普遍采用单层护面衬砌, 厚度为6cm~12c m, 可在防渗体下的横向或纵向采取增加肋梁、局部加厚或加筋等形式, 与混凝土浇成一体, 能够有效地增大强度、防止出现冻胀, 并减少裂缝。在混凝土防渗顶部收尾抹面时, 可收成内倾为45°的斜面从而有效防止渠顶雨水等渗入到渠基, 带走泥沙, 造成渠基的破坏, 以防止冻胀。

3 混凝土防渗渠道的设计方法

3.1 渠道设计

一是确定设计参数。渠道纵比降在渠道设计当中, 是影响全局的重要因素, 直接关系到控制面积的大小、工程造价的高低及渠道能否保持较好的工作状况。在选取时, 要根据渠道走线与地面坡降, 在实地测量之后再综合确定, 要尽量接近地面的坡度。当个别地段坡度较陡时, 可采用跌水、陡坡等联结建筑物来进行调整, 分水渠道可随着流量而逐级减小, 纵坡则应逐级加大, 渠首高程要与水源相互衔接。渠道边坡应结合规范和实践, 过大就会增加渠口占地, 过小则会加大施工的难度。二是确定渠道流速。要根据流量及计算出的设计断面来计算出渠道流速。流速应当在不冲、不淤的流速之间, 这样才能满足要求, 否则就需要重新选择设计参数, 再重新进行断面的设计。混凝土防渗渠道的不淤流速, 按照经验公式计算, 不冲流速, 因为流速过大将不利于引水, 而且会对渠道产生冲刷作用。三是绘制渠道纵横断面图。在断面设计完成之后, 就要确定渠首顶 (底) 高程, 随后再根据设计选定的渠道纵比降, 明确不同位置处的设计渠顶 (底) 高程、渠道建筑物位置与高程, 并绘出渠道纵横断面图。四是伸缩缝。为避免混凝土的热胀冷缩与地基的不均匀沉降现象对衬砌渠道所造成的破坏, 沿渠道每隔数米就要设横向伸缩缝, 纵向则不设伸缩缝。缝型应采用矩型缝, 填缝材料的下部采用焦油塑料胶泥, 上部则采用水泥沥青砂浆。五是封顶板。在边坡防渗层顶部, 要设置混凝土水平封顶板, 且与边坡混凝土相连接。

3.2 断面设计

近年来, 在进行混凝土防渗渠道建设试点时, 笔者曾对不同断面型式进行比选, 理论上通过1.0m3/s以下的较小流量时, 不同断面型式渠道的过水条件即使存在一定差异, 但是对实际过水能力的影响却几乎可忽略不计。从经济指标、施工难度等方面综合比较时, 梯形断面虽然并不具备最优条件, 但在综合指标上却具有较多的优点。与矩型断面相比的优势在于材料用量明显节约, 与U型断面及其他复合式断面相比的优势在于经济指标相当, 但是施工难度却显著降低。

3.3 防冻胀设计

为防止冻胀现象的出现, 在现浇或预制混凝土板下, 可应用换填土体或砂砾料, 在衬砌底板和基础之间设置保温层等。但是, 大部分渠道防止冻胀主要是采取在混凝土中添加防冻剂等措施。此外, 在梯形断面的施工过程中, 要严格控制回填土质量, 以提高渠道土体的密实度。冬季砼衬砌渠道则要加强管理, 管理部门要合理确定每年的停水与开春引水的时间, 以避免渠道出现冰冻期过水现象, 防止冻胀的出现。砼衬砌渠道一定要在平均气温稳定小于0℃前30小时左右停水, 并在平均气温稳定超过0℃之后的15~30小时左右通水。与挖方渠道相邻的农田或林带, 应当在温度降低至0℃前的15~30小时左右结束灌水。为降低渠基土壤的含水率及地下水位, 并防止冻胀造成的破坏, 应认真细致地做好以下工作:一是要修好封顶板;二是要压实渠堤顶面, 并形成由内向外的斜坡;三是要修好堤顶排水沟与排洪设施;四是要确保防渗层的施工质量, 以提高防渗的效果;五是要采用具有粘结性与低温塑性、热稳定性较好的填缝材料, 并填筑好伸缩缝。