何彥舫　陶自成　楊廣杰

摘要：為更好適應大型渠道襯砌機械化施工需要，以南水北調工程中線、東線渠道襯砌設計方案為例，總結現有典型大型渠道襯砌總體功能、設計依據及典型設計型式。結合某標段大型渠道機械化襯砌施工和渠道運行管理實踐，研究了大型渠道機械化襯砌設計方案在渠基排水、分縫設計、防滲設計、防凍脹設計、渠道襯砌板結構設計及附屬設施設計等方面存在的若干問題，并提出了相應的優(yōu)化設計建議，以期為大型渠道機械化襯砌施工提供參考。

關鍵詞：南水北調工程；大型渠道；機械化襯砌；優(yōu)化

南水北調中線工程南起漢江丹江口水庫、北至北京頤和園的團城湖，輸水總干渠全長1 420 km，連通長江、淮河、黃河、海河四大流域，跨越鐵路44處，需建跨總干渠的公路橋571座，此外還有節(jié)制閘、退水建筑物和隧洞、暗渠等，總干渠上各類建筑物共936座，其中最大的是穿黃河工程。天津干渠153.8 km，地下箱涵輸水結構。天津干渠穿越河流48條，布置建筑物119座。

目前中線工程全線通水投入運營使用，渠道處于安全運行狀態(tài)。在南水北調工程若干關鍵設計技術中，渠道混凝土襯砌設計技術是重要的關鍵技術之一。對于長距離的輸水干渠，工程設計、建設過程中需要解決渠道混凝土板的抗?jié)B、抗凍融、混凝土自生收縮、干燥收縮和冷縮以及大面積連續(xù)快速現澆施工導致的開裂等問題，澆筑后混凝土需具有高強度、高耐久性、高抗裂性、抗?jié)B、抗凍等性能。因此，研究現有大型渠道襯砌結構設計及機械化襯砌施工技術等具有重要意義，可為國內外其他大型引調水工程的大塊薄板現澆混凝土襯砌技術提供借鑒。

1南水北調中線渠道總體設計依據

南水北調中線干線工程設計流量為40-630 m3/s，加大流量為800 m3/s。輸水渠主要型式為梯形明渠全斷面防滲襯砌型式，黃河以南渠道縱坡1/25 000、黃河以北1/30 000-1/15 000，設計水深3.5-9.5 m；輸水渠襯砌邊坡1：1.5-1：3.0，設計底寬9.0-56.0 m。總干渠輸水渠上布置水閘、倒虹吸、橋梁等各類交叉建筑物，在滿足輸水和分水的同時，還可兼顧沿線防洪、排澇、交通和泄水等要求。

1.1工程等別及建筑物等級

某渠段總干渠渠道、各類交叉建筑物及控制建筑物等主要建筑物為1等，其余河道防護工程及河穿渠工程連接段等次要建筑物均為3級建筑物。

1.2防洪標準

根據南水北調工程專項技術及有關規(guī)范規(guī)定，積水面積大于或等于20 km2的河渠交叉建筑物設計洪水標準為100 a一遇、校核洪水標準為300 a一遇；積水面積小于20 km2的河渠交叉建筑物設計洪水標準為50 a一遇、校核洪水標準為200 a一遇。

1.3地震設計烈度及設防標準

根據設計規(guī)范，總干渠渠道及l(fā)級建筑物地震設計烈度為6-7度。

1.4主要技術標準、規(guī)范

采用的技術標準主要有：南水北調工程建設專用技術系列標準，水利系列標準，國標系列標準，電力系列標準，水電系列標準，鐵路、交通、市政等行業(yè)規(guī)范標準，以及南水北調相關部門的批復文件。

2南水北調中線干線渠道設計型式及方案

2.1幾種典型渠道設計型式

（1）防滲設計型式：①現澆混凝土面板防滲；②復合土rN、合成樹脂高分子自粘防水卷材防滲；③噴乳化瀝青層防滲；④水泥土、土壤固化劑固結土等防滲。

（2）防凍脹設計型式：①換填法，利用砂、砂礫石、碎石等材料進行置換；②保溫板法。

（3）防揚壓設計型式：①渠底暗管井排；②渠坡暗管自流內排；③泵站強排。

2.2渠道襯砌防滲結構型式

（1）全斷面鋪設復合土工膜防滲+渠坡采用聚苯乙烯泡沫板（或砂礫料、砂礫石等）保溫+渠底換填砂礫石（砂礫料）防凍脹+現澆混凝土襯砌。

（2）全斷面現澆高性能混凝土面板。

（3）渠坡聚胺脂粘合的單面鋼絲網架聚苯乙烯泡沫板保溫+渠底換填砂礫石防凍脹+現澆混凝土防滲。

（4）全斷面鋪設復合土工膜+聚苯乙烯泡沫板+預制混凝土板干砌。

（5）渠坡鋪設復合土工膜+聚苯乙烯泡沫板+現澆混凝土襯砌+固結土護底。

3渠道機械化襯砌設計存在問題及改進建議

3.1渠基排水

3.1.1存在問題

現有底部及渠坡渠基排水設計為C10無砂管，強度低，且黏聚力較小，施工時易受擠壓，造成局部破壞，易導致排水不暢。根據施工實踐，渠底兩側埋設的無砂管容易受到外力作用導致破損，如不能及時發(fā)現，則會出現襯砌板局部懸空，存在該段排水不暢的潛在風險。在渠道高水頭運行下，可能造成渠底襯砌板受壓不均衡而被壓裂。當挖方渠道的地下水位較高時，不但容易產生凍脹破壞，而且襯砌板下的揚壓力也可能使襯砌板破壞頂起，進而影響渠道正常運行。

3.1.2改進建議

建議將無砂排水結構優(yōu)化為塑料逆止式排水器，并進一步研究無砂排水管的埋深，從而有效避免無砂管破損引起的一系列問題；對地下水位略高于渠底且無排水出路的渠段，建議在渠底加設砂礫石積水盲溝來排除渠底滲水，并每隔50-100 m設集水井，地下水溢出點以下的渠坡及渠道底部應鋪設濾水布。

3.2分縫設計

3.2.1存在問題

根據《渠道混凝土襯砌機械化施工單元工程質量檢驗評定標準》（NSBD8-2010）要求，允許偏差為深度±5 mm、寬度±3 mm，渠道襯砌分縫一般每12 m設置一道通縫。部分標段渠道襯砌夏季發(fā)生了不同程度的擠脹，冬季出現了凍脹現象。根據《渠道混凝土襯砌機械化施工技術規(guī)程》（NSBD5-2006）及《渠道混凝土襯砌施工操作指南（試行）》規(guī)定，對于半縫，切縫深度為0.6倍襯砌設計厚度；對于通縫，“當底部鋪設防滲層時，切縫深度宜為板厚的0.9倍”。半縫設計深度不夠，無法起到縮縫或脹縫效果。人工機械切割縫，很難準確把握0.9倍板厚這一尺度，容易造成土工膜被切壞，影響渠道襯砌的防滲效果。這一技術標準在施工中比較難把握，同時也增加了施工成本，因此合理的通縫切縫的技術標準及要求是滿足大型渠道機械化襯砌施工的需要，也是節(jié)約施工成本、加快機械化襯砌施工進度的需要。

若通縫縫間距過小，則影響機械化施工速度、增加施工難度；若通縫縫間距過大，則影響熱脹效果。機械化襯砌高峰期施工強度一般為100-300 m/d，連續(xù)澆筑的混凝土倉面施工中，人工預留2 cm施工通縫比較困難，渠道襯砌通縫大多為人工機械切割通縫（但不完全切通），僅少量為施工預留通縫。為滿足機械化襯砌施工連續(xù)性的需要，渠道分縫設計間距、切縫深度將是渠道襯砌設計優(yōu)化的方向之一。

3.2.2改進建議

（1）機械化襯砌沿坡長方向的伸縮縫設置中，當邊坡過長時，建議加設腰縫，其位置布設應選擇在填挖方交界處或坡面土質性能變化較大處，以適應土質變形，不應按坡長等分布置腰縫。

（2）據觀察分析，縱向凍脹裂縫多發(fā)生在渠道下半部，系由土壤變形引起的裂縫，走向呈水平狀，且沿整個板寬伸展。小型渠道一般不設縱向縫，但是對于水深較大、坡長過長和渠底較寬的大型渠道，除應在邊坡與渠底連接處的適當位置布設一道縱向伸縮縫外，還需在渠底加設縱向縫。建議進一步加強伸縮縫設計間距、深度等研究。

3.3防滲設計

3.3.1存在問題

（1）一期工程渠道襯砌防滲設計主要為全斷面敷設復合土工膜防滲（兩布一膜，規(guī)格為576 g/m2，局部段設計規(guī)格為852 g/m2）。土工膜不宜暴曬時間過長，在施工中焊接質量受膜厚、電壓、爬行速度、風力、氣溫、基層平整度等諸多因素的影響，熱焊接法具有一定的局限性，容易出現孔眼、未充分熔化、脫粘等現象，造成滲漏隱患。特別是復合土工膜與布、膜與建筑物（復合土工膜與混凝土建筑物、膜與橋墩柱或路基排水管）交接部位等施工質量難以保證。

（2）考慮襯砌混凝土機械化施工的需要，夜間土工膜焊接質量難以檢測和保證，土工膜熱熔焊接的局限性在渠底襯砌施工時表現尤為明顯，限制了機械化襯砌速度，需要進一步優(yōu)化土工膜防滲設計方案，在保證防滲效果的前提下滿足機械化襯砌施工的需要。

3.3.2改進建議

（1）采用KS膠粘結技術，以彌補熱熔焊接法所無法達到的要求，在復合土工膜與布結合面、膜與橋墩（管道或建筑物）交接部位、復合土工膜被扎破或頂破的特殊部位能較好滿足防滲設計要求，可以滿足大型渠道機械化襯砌施工的需要。

（2）面板混凝土建議采用鋼絲網微膨混凝土板襯砌或現澆補償收縮混凝土，從外部防止水流滲入。

3.4防凍脹設計

3.4.1存在問題

從部分標段冬季運行情況看，混凝土板出現鼓脹及裂縫、隆起架空、上抬等現象。襯砌板越薄凍脹程度越嚴重，錯臺現象也越明顯。

南水北調工程東線、中線一期工程渠道襯砌混凝土強度等級分別為C20W6F200、C20W6F150，從運行對比看，中線一期工程防凍脹設計標準略低。

防凍脹保溫板鋪設對于基面平整度要求高，局部存在保溫板鋪設時與坡體之間不密實的現象，混凝土襯砌施工時在重力作用下，若保溫板出現局部下滑，將會造成混凝土襯砌表面出現縱橫交錯裂縫（龜裂）。

3.4.2改進建議

（1）適當提高設計標準，把混凝土防滲設計允許的凍脹深度提高到1.0 cm，使防滲工程的壽命延長。

（2）從抗凍脹性能考慮，渠道混凝土襯砌一般在凍脹裂縫經常發(fā)生的部位加厚混凝土板，增加其抗凍脹破壞的能力。板梁整體的結構型式因凍脹產生的縱向破壞值得進一步研究。

（3）嚴格保溫板鋪設施工質量。在非彎道渠段可順水流方向鋪設，板與板之間的側面用雙組分聚胺脂膠粘劑，粘結牢固，膠結均勻，表面平整；彎道處保溫板上鋪鋼絲網架，保溫板之間的粘結不允許出現縫隙，這樣對連續(xù)施工防止混凝土開裂起到很大作用。

3.5渠道襯砌設計

3.5.1存在問題

（1）從渠道襯砌斷面設計型式看，現有渠道襯砌斷面型式為傳統(tǒng)寬淺式的梯形斷面；從設計標準選取看，國內現有的規(guī)范規(guī)程對渠道襯砌混凝土設計強度等級、抗凍標號、襯砌板厚度要求均偏低。

（2）從襯砌混凝土配合比設計看，渠道襯砌設計混凝土配合比均為二級配（粒徑為0.5-2.0 cm、2-4 cm），不滿足《渠道混凝土襯砌機械化施工技術規(guī)程》規(guī)定的“骨料的最大粒徑應不大于襯砌混凝土板厚度的1/3”。實際施工時，超徑的石子（粒徑大于4 mm）造成壓實抹面難度大，導致壓實抹面速度慢，延長了壓實抹面的時間，混凝土水分損失過多，進而導致裂縫產生。特別是10 cm厚混凝土原漿抹面施工，影響了機械化施工的速度和質量。顯然，混凝土配合比設計為二級配不盡合理，更無法滿足8 cm板厚的設計方案。若滿足該規(guī)程的要求，粗骨料粒徑不大于2.67 cm，會影響混凝土的抗壓強度，也不利于混凝土的抗沖耐磨性。

（3）從交叉建筑物布置看，中線工程渠道交叉建筑物（特別是交通橋、生產橋）有2 076座，部分標段下渠臺階布置在左右渠坡，間距為1 000 m左右；部分渠段渠深坡陡，設計坡度1：1.5-1：2.0，橋梁附近無檢查踏步和平臺。為現場施工和今后橋梁運行維護管養(yǎng)及安全檢查帶來諸多不便。

（4）從封頂板及襯砌坡腳設計看，現有渠道設計中，對挖方地段窄深式渠道的襯砌板底部平臺設計寬度為10-20 cm，無齒槽，混凝土襯砌坡腳無齒墻?；炷练忭敯妪X墻的作用是固定和阻止混凝土坡體變形、下滑；混凝土襯砌坡腳齒墻的作用是抵抗混凝土自重下滑的推力、增強混凝土襯砌板抗滑穩(wěn)定性、防止對底板造成側壓力。如缺少封頂板齒墻，地表水的滲入會減弱水泥砌體對凍脹破壞的抵抗能力，使工程難以達到設計效果。

3.5.2改進建議

（1）綜合考慮具有近似最佳水力斷面、水流條件好、流速，陜、防滲效果好、抗凍性能強等優(yōu)點的弧形坡腳梯形斷面，在國外已經實現了混凝土機械化襯砌。建議根據渠道襯砌機械設備及國內現有的施工水平，進一步深入研究弧底梯形渠道和弧腳梯形渠道斷面型式。

（2）針對薄壁混凝土裂縫問題，建議采用鋼絲網微膨混凝土大板襯砌，適當加大伸縮縫、間距縫?，F澆補償收縮混凝土方案混凝土可以連續(xù)澆筑，而不至于出現塑性裂縫，是一種適應機械化施工要求、具有推廣應用價值的設計方案。

（3）調整混凝土設計配合比，增加襯砌板的厚度。根據《灌溉與排水渠系建筑物設計規(guī)范》（SL482-2011）及美國墾務局提出的混凝土襯砌厚度極限標準，建議南水北調中線工程渠道襯砌板最小厚度不宜小于10 cm。對砂土段渠段，渠底襯砌板厚度提高至10 cm，渠坡不宜小于15 cm，同時相應提高防滲、抗凍等級。

（4）優(yōu)化交叉建筑物布置。在渠道襯砌設計中，對于渠道交叉建筑物（左右岸排水建筑物、生產橋、交通橋、倒虹吸、渡槽等）應統(tǒng)籌布置，優(yōu)化設計，減少不必要的建筑物，以節(jié)約投資、減少對機械化襯砌施工的干擾。適當調整渠坡下渠臺階位置，在較大的生產橋或交通橋下增設檢查踏步和平臺，以便今后的管養(yǎng)和安全檢查。

（5）封頂底板、坡面襯砌坡腳增加齒墻設計。封頂板增設齒墻斷面尺寸，一般寬20-30 cm、高度30-40 cm，與堤頂排水、路緣石等相結合設計。若采用梯形斷面，建議渠底襯砌板增加齒墻設計，斷面由計算確定。另外，渠坡襯砌是否需要增加橫梁槽，形成板梁整體的結構型式，需要視具體情況經計算后確定。