渠道襯砌與防滲設計

張瀟

（保定市西大洋水庫管理處，河北保定072350）

渠道襯砌與防滲設計

張瀟

（保定市西大洋水庫管理處，河北保定072350）

石津干渠供水區屬水資源極度缺水地區，由于水資源短缺和過度開發利用水資源，引發了一系列的環境、地質問題，因此渠道襯砌與防滲對渠道節水改造顯得尤為重要。渠道采用現澆混凝土板襯砌減糙，實現渠底和邊坡全斷面襯砌，襯砌頂高程為加大水位加超高。襯砌厚度邊坡0.1 m，渠底0.08 m。通過計算渠道滲漏流量確定了渠道防滲設計方案，即結合混凝土襯砌，渠基滲透系數小于1×10-5m/s的渠道采用現澆混凝土襯砌防滲，以聚硫密封膠嵌縫；渠基滲透系數大于1×10-5m/s的強滲漏渠段、渠道下方有穿渠建筑物的渠段鋪設土工膜，以加強防滲。

南水北調；石津干渠；滲漏；襯砌

石津干渠工程作為南水北調配套工程的重要組成部分，擔負著向石家莊、滄州、衡水等城鎮的輸水任務，是確保江水調得來、用得上的關鍵環節。其地理位置處于北緯37°36′～38°07′和東經114°25′～116°49′，所處范圍屬于華北平原。根據巖性分布，渠道土體可分為3類地質結構：黏性土單一結構、黏砂雙層結構及黏砂多層結構。石津干渠供水區屬水資源極度缺水地區，由于水資源短缺和過度開發利用水資源，引發了一系列的環境、地質問題，因此渠道襯砌與防滲對渠道節水改造顯得尤為重要。

1 渠道襯砌設計

根據南水北調配套工程特點及沿線自然條件，對各類襯砌材料進行分析比較，確定混凝土為本段渠道襯砌材料。本渠段渠道襯砌范圍為全斷面襯砌，襯砌頂高程為設計水位加超高。本渠段渠道均為土質地基，采用現澆混凝土襯砌。

1.1 襯砌頂部高程確定

根據《河北省南水北調配套工程可行性研究渠道土建工程設計技術規定》，襯砌頂部高程計算公式為：

式中：H襯砌為渠道襯砌頂部高程（m）；H設計為渠道設計水位（m）；Δ為襯砌超高（m），依據文獻[1]可采用0.3～0.8 m，本次設計綜合考慮取Δ=0.5 m。對襯砌頂與堤頂高差小于1.0 m的渠段，襯砌到頂。

1.2 襯砌混凝土等級設計

根據《河北省南水北調配套工程可行性研究渠道土建工程設計技術規定》和文獻[2]，因本段渠道最冷月（1月）平均氣溫為-9.3～-7.5℃，屬寒冷氣候區，故渠道襯砌混凝土采用強度等級C20、抗凍等級號F150、抗滲等級W6。

1.3 襯砌結構尺寸

為減少造價和襯砌施工方便，相同部位的渠道采用等厚矩形混凝土板襯砌。混凝土板的厚度及尺寸，與基礎、氣溫、施工條件等有關，根據規范選用。

1.3.1 板厚

根據文獻[2]，現澆混凝土板最小厚度在溫和地區為0.08 m、寒冷地區0.1 m，另考慮干渠常年輸水，渠底不會出現負溫，因此確定本段渠道現澆混凝土邊坡厚為0.1 m、渠底厚0.08 m。

1.3.2 襯砌分縫

（1）伸縮縫間距。文獻[2]中規定，現澆混凝土縱縫間距為5 m、橫縫間距為3～5 m。本工程渠道縱橫縫間距一般為4 m，渠底寬2 m渠段橫縫間距為2 m。

（2）縫型、縫寬及填料。渠道襯砌分縫均采用結構簡單、施工方便的矩形縫。縫寬決定于縫距、溫度變幅、施工時混凝土的干縮系數、混凝土的線膨脹系數、縫內填料的伸縮性能和粘結力及施工要求等，一般采用0.01～0.03 m。本段渠道伸縮縫為通縫（貫通襯砌板厚），縫寬0.02 m。襯砌分縫填料選用性能良好的填料，以防漏水，具體要求如下：①具有一定的耐熱性，當氣溫最高時填料不發生流淌現象；②具有良好的抗凍性，當氣溫最低時填料不凍裂或剝落；③具有良好的伸縮性，在縫口張大時填料不裂縫，縫口縮小時填料不被擠出；④與混凝土面具有良好的粘接力，在負溫下粘著力不脫開；⑤耐久性好。根據上述要求，結合伸縮縫的特點，確定渠道填縫材料選用聚硫密封膠。

1.3.3 混凝土板平面結構尺寸

現澆混凝土板根據其分縫情況確定平面尺寸，新挖渠段渠底每塊板為2 m×4 m，利用原有渠道段及渠道邊坡為4 m×4 m。

1.3.4 封頂板

根據文獻[2]規定，渠道在邊坡襯砌頂部設置水平封頂板或封頂齒墻。封頂板與檢修公路路緣石結合，寬0.25 m，板厚同邊坡襯砌板。封頂板或封頂齒墻與邊坡襯砌現澆為一體。

1.3.5 坡腳齒墻

渠道襯砌在坡腳均設齒墻，通過對各段渠道的齒墻穩定計算，確定現澆混凝土齒墻斷面寬0.2 m、高0.3 m。

2 渠道滲漏量計算與防滲設計方案確定

2.1 渠道滲漏等級劃分

根據渠道不同巖性的滲漏能力（滲透系數）進行滲漏等級劃分。

（1）強滲漏。滲透系數大于1×10-4m/s的巖性屬強滲漏，代表巖性有中粗砂、礫砂、卵石、粉砂、細砂及全風化片麻巖、石英砂巖等。強滲漏段共計2段，第一段起止樁號分別為36+391、79+731，長43 340 m；第二段起止樁號分別為118+646、123+515，長4870m。

（2）中滲漏。滲透系數為1×10-6～1×10-4m/s的巖性屬中等滲漏，代表巖性有砂壤土、黃土狀壤土、全風化頁巖、泥灰巖等。除強滲漏段外，其余渠道均為中滲漏段。

2.2 渠道滲漏量計算方法

2.2.1 無防滲情況下的自由滲漏量

渠道滲漏損失主要與水文地質條件、渠床的土壤性質、渠道濕周及輸水時間等因素有關。渠道滲漏損失量隨滲漏過程而變，一般可分為自由滲漏和頂托滲漏。

根據渠道沿線各段的土質、土壤滲透系數、地下水位以及渠道挖填情況，各渠段防滲前的自由滲漏量計算公式為：

式中：S為無防滲情況下單位渠長的滲漏量[m3/（s·m）]；k為土壤滲透系數（m/s）；b為底寬（m）；γ1為邊坡側向毛管滲吸的修正系數，取1.1～1.4；h為設計水深（m）；m為渠道邊坡系數。

渠道頂托滲漏量計算公式為：

式中：S頂為頂托情況下單位渠長的滲漏流量[m3/（s·m）]；γ為頂托滲漏損失修正系數；其余變量含義同上。

2.2.2 防滲后滲漏量

渠道防滲后滲漏量計算公式為：

式中：S防為防滲后單位渠長的滲漏流量[m3/（s·m）]；β為防滲后渠道滲漏量減少系數，混凝土襯砌取0.1，混凝土加復合土工膜防滲取0.05；其余變量含義同上。

2.3 渠道防滲設計方案確定

渠道防滲形式包括：土料或水泥土防滲，造價低，施工簡便，但耐久性、抗凍性較差；石料防滲，施工簡便，抗凍、抗沖、抗磨和耐久性好，但防滲效果一般不易保證；埋鋪式膜料，重量輕，運輸量小，防滲效果好，但采用土料保護層時允許流速小、占地多，采用剛性保護層時造價較高；瀝青混凝土或混凝土防滲，防滲效果、抗沖性和耐久性好，可用于各類地區和各種運用條件下的各級渠道襯砌。

根據因地制宜、就地取材的原則選定防滲結構，并應滿足下列要求：防滲效果好，最大滲漏量能滿足工程要求；經久耐用，使用壽命較長；輸水能力和防淤抗沖能力高；施工簡易，質量容易保證；管理維修方便，價格合理。

土料或水泥土防滲耐久性較差，石料防滲效果不宜保證且需要石料量大，均不適合本渠段的防滲設計。根據防滲效果要求，土工膜防滲或混凝土防滲更適合石津干渠節水改造的要求。

采用土工膜防滲加土料保護層形式，防滲效果好、投資少，但石津干渠灌溉期水流流速在1.13 m/s以上，會對土料保護層造成沖刷破壞。所以，本渠段采用土工膜加剛性保護層和混凝土防滲2種形式的防滲方案較為理想。

總干渠沿線黃土類土覆蓋長度占渠長89%以上，其中渠基多為壤土，在無防滲措施情況下渠道滲漏量較大，因此應采取防滲措施，并根據各渠段土質、挖填情況，在經過防滲效果、投資比較基礎上，選定最佳防滲方案。

2.3.1 方案擬定

方案Ⅰ：渠基滲透系數小于1×10-7m/s的渠道采用現澆混凝土襯砌，以聚硫密封膠嵌縫防滲；渠基滲透系數大于1×10-7m/s中、強滲漏的渠段及渠道下方有穿渠建筑物的渠段鋪設土工膜加強防滲。

方案Ⅱ：渠基滲透系數小于1×10-5m/s的渠道采用現澆混凝土襯砌，以聚硫密封膠嵌縫防滲；渠基滲透系數大于1×10-5m/s的強滲漏渠段及渠道下方有穿渠建筑物的渠段鋪設土工膜加強防滲。

方案Ⅲ：現澆混凝土襯砌，以聚硫密封膠嵌縫，全斷面土工膜加強防滲。

2.3.2 防滲效果比較

根據渠道地質資料和渠道設計斷面分析計算各方案襯砌后的年滲漏量和投資。經方案比較，方案Ⅱ由于對強滲漏段（k＞1×10-5m/s）在混凝土板下加了土工膜，因而漏水量明顯減少，平均每減少單方水的滲漏損失增加投資最小。方案Ⅲ投資最小，但水量損失較大，因此設計推薦方案Ⅱ。渠道防滲前的滲漏損失為2.79億m3，襯砌后損失2 700萬m3。

3加強防滲設計

（1）加強防滲渠段及部位。渠道全斷面混凝土板襯砌，已經起到一定的防滲作用，根據防滲措施效果分析，對于土質較好、滲透性較弱的渠段，不再采用其它的防滲措施，但對于強滲漏及有穿渠建筑物等特殊渠段需全斷面鋪設復合土工膜加強防滲。

（2）防滲材料。根據文獻[3]的規定和襯砌板抗滑穩定要求，選用576 g/m2的二布一膜復合土工膜作為加強防滲材料，其中膜厚0.000 3 m。

（3）防滲設計。渠坡防滲土工膜頂部高程與襯砌頂部高程相同，并壓在封頂板下，采用三角形壓邊方式。防滲材料均鋪在混凝土襯砌板下。膜層的鋪設一般采用粘接，粘接寬度不小于0.1 m，粘接方向應是由下游向上游順序鋪設，上游邊壓下游邊。

4 結語

渠道采用現澆混凝土板襯砌減糙，渠底和邊坡實施全斷面襯砌，襯砌頂高程為加大水位加超高。襯砌厚度邊坡0.1 m，渠底0.08 m。防滲設計結合混凝土襯砌，渠基滲透系數小于1×10-5m/s的渠道采用現澆混凝土襯砌防滲，以聚硫密封膠嵌縫；渠基滲透系數大于1×10-5m/s的強滲漏渠段及渠道下方有穿渠建筑物的渠段鋪設土工膜，以加強防滲。

[1]GB50288-1999，灌溉與排水工程設計規范[S].

[2]SL18-2004，渠道防滲工程技術規范[S].

[3]SL/T225-1998，水利水電工程土工合成材料應用技術規范[S].

TV698.2+4

B

1004-7328（2017）04-0028-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.04.009

2017—03—20

張瀟（1981—），男，工程師，主要從事水利水電工程設計施工及運行管理工作。