混凝土U形渠在北方地區的應用

張素仁

(忻州市水利勘測設計院，山西 忻州034000)

0 前 言

隨著中央對農村水利建設的重視，由中央牽頭、地方配套逐步對全國大中型灌區進行了續建配套節水改造。經過20 多年的渠系續建節水改造，到目前為止，大中型灌區干渠、支渠已基本建設完畢，現階段灌區末級渠系建設已全面展開，在已建設的渠道防滲結構形式中，混凝土U 形渠道以造價低、進度快、過流能力大、沿程水頭損失小、防滲效果好等特點被迅速推廣應用。在我國北方地區由于冬季氣溫較低，在U 形渠出現初期使用較少，但是隨著U 形渠工藝、技術的不斷改進，經過大量實踐后也迅速的被廣泛使用［1］。

1 混凝土U 形渠結構形式和性能

U 形渠斷面渠道采用底部為半圓或弧形，上部為一定傾角直線段的斷面形式，斷面符合水流的自然特性，近似最佳水利斷面，與常見的梯形斷面渠道相比，具有流速分布均勻，近似最佳水利斷面，流速較快，且渠底有一定的反拱作用，整體性好，能適應寒冷地區地基不均勻凍脹變位，可以減輕凍害，減少裂縫和錯臺現象。下面通過試驗數據對比，可明顯的看出，混凝土U 形渠在防滲方面的優勢［2］。

山西省翼城縣利民灌區，采用靜水法對各種防滲渠道測試的結果見表1，1984年用靜水法對山西省祁縣曉義井片灌區各種不同形式渠道測試結果見表2。

2 混凝土U 形渠主要適用范圍

由于U 型渠通常埋深都比較淺，一般在凍土深度以上，在北方冬季必然產生凍脹壓力，混凝土U 型渠為素混凝土，經過幾年凍融變化后，局部會產生拉應力和剪力，根據混凝土的屬性，它的抗拉、抗剪較弱，斷面大的相應凍脹力、拉應力越大，越宜破壞，且大斷面U 型渠的施工很難控制工程質量，所以北方地區適用于小斷面U 形渠。

經過多年實踐，一般U 形渠半徑≤1.1 m，以半徑r 為30 ～60 cm為最佳，混凝土厚度在4 ～10 cm。U 形渠半徑r 超過60 cm，采取平底U 形斷面或加大寬度U 形斷面，相對效果要好，但開口寬度≤3 m為宜。

表1 靜水法測試利民灌區各種防滲渠道的滲漏強度

表2 靜水法對曉義井片灌區各種不同形式渠道測試結果

3 北方地區混凝土U 形渠常見的問題

通過對運行多年的U 形渠觀測，發現的U 形渠常出現問題的主要集中為:

1)U 型渠多出現底部裂縫，在冬季時明顯看到渠兩邊向中間彎曲，第二年春天又恢復原狀。

2)渠道多在圓弧與直線交界處斷裂。

3)渠道底部表面出現麻面，表層破壞。

4)預制U 形塊砂漿脫落，整塊脫離渠道。

4 針對北方地區U 形渠道問題的設計要點

4.1 防止U 型渠底部裂縫的設計

據《山西省U 形渠道防滲技術應用與發展》一文中介紹，U 形渠道裂縫的產生是必然的，留與不留伸縮縫的U 形渠道，都要產生橫向裂縫，產生橫向裂縫的原因除溫度應力的作用外，還有可能與土壤失水后含水量減少產生干縮造成。既然裂縫不可避免，設計中就應該在容易出現裂縫的增加伸縮縫的布置，必要時可在橫縫的基礎上加設縱縫。U 形渠應2～4 m設置一道伸縮縫，縫內填瀝青砂漿，在宜裂縫地段伸縮縫可為1 m一道，但最小≥0.5 m。除了增設伸縮縫根據不同情況還應對U 形渠道進行加固設計。

4.2 防止渠道多在圓弧與直線交界處斷裂的設計要點

對于圓弧與直線段交界處得斷裂主要是直線段承受壓力太大造成的，設計時應采用寬淺式渠道，加大圓弧半徑，過流能力不變的情況下縮短直線段距離，達到減小直線段的土壓力和凍脹壓力。另一種方法就是加大直線段的傾角，降低荷載水平壓力。

4.3 防止渠道底部表層破壞的設計要點

渠道底部表層破壞如不考慮施工質量問題，從設計方面分析主要原因①縱坡過陡，水流沖刷造成渠底破壞，②縱坡過緩，余水排不出去，經過長期侵蝕、凍融發生底部表層破壞，這種情況在北方為主要原因。

第一種情況設計方案主要是調緩縱坡，增設跌水，使水流平順，不沖不淤;第二種情況，由于地形限制無法調整的，需增設退水口，將渠道低處積水排出［3］。

4.4 防止預制U 形塊砂漿脫落的設計要點

預制塊砂漿脫落主要是砂漿標號不夠，或冬季施工未采取保護措施，設計中應提高砂漿標號，冬季施工需采取保溫措施，砂漿拌合中添加速凝劑，抗凍劑。

4.5 U 形渠道的加固設計

在土質比較差的北方地區要對U 形渠道進行加固設計，主要方法有鋪設墊層、加設肋梁、鋪設土工布等措施。

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鋪設墊層是對地基的加固，增加地基承載力，防止地基不均勻沉降破壞;加設肋梁是加強U 形渠自身強度;鋪設土工布，加強防滲，防止冬季發生滲透凍脹破壞。

圖1 為U 形渠加設肋拱渠道斷面圖，圖2 為U形渠加設墊層斷面圖。

圖1 U 形渠加肋梁橫斷面、側視圖

圖2 U 形渠加墊層橫斷面

5 北方地區建議采用預制U 形渠道

根據已建成的U 形渠道，經過對比就會發現在北方地區，預制U 形渠道的使用壽命要比現澆的長。經分析，預制安裝的U 形預制塊質量有保障，現澆混凝土在施工中常出現下列問題:

1)現澆U 形渠道是依靠土模來完成的，土模本身穩定性差，再加上施工干擾，很容易變形，導致混凝土壁薄厚不均勻。

2)現澆混凝土不易振搗，骨料混合不均勻，經常出現石子下沉到底部，嚴重影響U 形渠的剛度。

3)現澆混凝土由于施工進度快，容易造成混凝土未完全凝固局部脫落現象。

預制U 形渠，還有不受工作面限制的特點，可以多段施工，預制塊加工簡單，可批量生產，可加快施工進度。

6 混凝土U 形渠在北方地區需注意的施工要點

現澆混凝土U 形渠施工主要由土模開挖、混凝土襯砌、割縫組成，預制混凝土U 形渠由土模開挖，預制塊砌筑。

6.1 U 型渠的土模施工

U 型渠的土模施工是渠道質量控制的關鍵，土模的施工為先把施工面整平，回填到襯砌高程，然后夯實達到規范強度，再進行開挖、修面最終形成U 形土模。施工企業為了節約成本，常用施工工序為先挖成U 形土模，后用U 型鐵模防護，然后進行渠道兩邊夯實。這種工序減少了土方回填和U 形渠范圍內夯實，顯然會造成U 形渠底部和兩側壓實度不足，是應該嚴禁使用的。

6.2 U 型渠混凝土襯砌

U 型渠襯砌通常采用渠道U 形機，這種機械的特點是自動行走、自動下料、自動振搗、收邊壓頂一次完成。

這個工序中混凝土的配比和振搗很重要，如果混凝土配合比掌握不好，水分太大，容易離析，石子下沉，水分小又不易黏合。

振搗同樣很難控制，U 型渠一般在6 ～8 cm左右，一般的振搗棒根本無法使用，使用離心激振器也很難控制骨料均勻拌合。

混凝土U 形渠使用U 形機襯砌，要控制前進速度，一定要等混凝土塑性達到規范指標，才能襯砌下段。

6.3 混凝土U 形渠預制塊砌筑

預制塊砌筑關鍵是鋪設砂漿，施工工序為先鋪設砂漿，后安裝預制塊，砂漿抹面后再安裝下一預制塊。

施工企業經常為了省工省料，先把預制塊全部擺放好，再填縫、抹面，這種工序很容易造成縫內砂漿不飽滿，造成砂漿結合不緊密，經輸水沖刷，表面砂漿脫落。

7 結 語

混凝土U 形渠防滲技術可靠，節水效果好，應用范圍廣，同漿砌石梯形斷面防滲渠道相比可節省投資20% ～60%左右，可節省土地20% ～30%左右，渠系水利用系數較土渠可提高45%左右，經濟效益顯著。隨著北方地區各大中型灌區末級渠系節水改造工程的實施，混凝土U 形渠以其獨特的優勢，極具推廣前景。

［1］蘆琴. 混凝土襯砌渠道抗凍脹技術措施綜述［J］. 科技創新導報，2012(08):108，110.

［2］王恒，趙力. 嚴寒地區灌溉渠道防滲抗凍脹技術研究［J］.中國水運:下半月，2012(06):194 －195.

［3］徐杰. 新疆地區渠道襯砌混疑土抗凍脹設計［J］. 陜西水利，2012(02):99 －101.