浅谈渠道防渗设计指导原则及问题

前言

目前, 渠道设计一般是依据水利部水利水电行业标准《渠道防渗工程技术规范》 (SL18-91) 执行的。但是, 该规范涉及到特殊土地区的渠道设计内容较少, 只是提出了渠道选线时尽量避开强湿陷性地基和膨胀土地基;还提出了“对于弱湿陷性地基和新建的过沟填方渠道, 可采用浸水预沉法处理”, “对于强湿陷性地基, 可采用深翻回填渠基、设置灰土夯实层、打孔浸水重锤夯压或强夯等方法处理”, “对于膨胀土, 可以用换填法处理”等工程措施。由于渠道工程建设发展迅速, 工程规模越来越大, 不可避免地要在特殊土地区修建, 因此特殊土地区渠道防渗工程建设的技术问题越来越受到人们的重视。按照不同类型特殊土的特点和对渠道的危害机理提出渠道设计的原则和指导思想, 将会有利于工程建设的发展和工程质量的提高, 而且还能避免工程设计事故的发生。

1 湿陷性黄土地区渠道防渗设计的指导原则

大量的试验表明[1], 湿陷性黄土地基在浸水后不久和停止浸水后不久会发生两次较大的突然性的沉降变形:第一次变形是由于土体结构的破坏、湿陷而引起的;第二次变形则是由于瞬间的固结变形引起的。这两次变形均会对上部建筑物结构产生危害。另外, 土体的湿陷在经过一次充分的浸水后, 其湿陷性将基本消除, 再次浸水后黄土的形变表现就将与普通黏性土基本一致。大量的工程实践表明, 黄土的湿陷性可以通过预先的挤密、强夯、重塑回填等方法消除或基本消除, 而且这些工程措施已经过了长期的应用, 施工技术已经成熟, 成本也不是太高。因此, 在黄土渠道设计时只要充分认识到地基对渠道的危害性, 采取一些预先处理的措施, 就可以防止湿陷性对渠道的危害。湿陷性黄土渠道防渗设计的原则应遵循:“充分认识, 预先处理, 积极抵抗, 综合防治”。

(1) “充分认识”。 (1) 要充分认识到湿陷性对渠道结构的破坏作用; (2) 要重视前期的地质勘测和试验工作, 对湿陷土层的性质、范围和湿陷强度要做到心中有数。但是, 当前的渠道设计由于渠线较长、渠道设计等级较低等客观原因, 在“充分认识”这方面往往做得不够。

(2) “预先处理”。尽量充分利用湿陷性可以处理消除的特点, 将湿陷性消除或减弱在渠道建设以前。

(3) “积极抵抗, 综合防治”。对于预先处理后剩余的湿陷危害, 可以采用结构抵抗措施进行防治。同时, 广大的湿陷性黄土地区一般处在寒冷地区, 因此防治黄土湿陷性还应该和防治冻胀的措施结合起来, 做到“综合防治”。

在湿陷性黄土渠道设计中, “预先处理”的思路是符合湿陷性黄土地基特点的, 也是长期黄土地区工程实践的总结。预先处理的方法一般有:预浸水法、翻夯渠基法、灰土夯实层法和对深厚湿陷性黄土层的打孔浸水结合强夯处理法、挤密法等。这些方法均被证明是极为有效的方法, 如:在黄土渠道工程中广泛采用的预浸水法在陕西省冯家山、东雷抽黄灌区渠道中得到了广泛应用, 并已取得了很好的效果。预浸水法是处理黄土湿陷的最古老的方法, 适用于较弱湿陷性和自重湿陷性的处理。对于湿陷性较强的黄土, 应该选用翻夯、打孔浸水结合强夯和挤密的方法。

2 膨胀土地区渠道防渗设计的指导原则

膨胀土的胀缩性主要受土中含水量的影响, 含水量的单次变化不能改变或削弱其胀缩性。因此, 对于膨胀土渠道的渠基不能像湿陷性黄土地基那样进行“预先处理”。另外, 传统渠道衬砌设计“保证渠基土体自身稳定, 采用衬砌结构进行防护”的设计思路也不再适用, 因为膨胀土渠基不仅自身不能稳定, 而且对渠道衬砌结构还有极强的破坏力。参照渠道防冻胀的最新研究成果, 膨胀土渠基防渗设计应遵循“适应、削减和局部抵抗, 分级分类, 综合防治”的设计原则, 其核心在于尽量保持渠基土体的含水量不变。

2.1“适应”

膨胀土对渠道的破坏作用非常大, 大量膨胀土地区建筑物的建设实践表明, 采用单纯的结构抵抗措施来抵抗膨胀土的作用, 费用是巨大的。对于渠道工程而言, 衬砌结构属于轻型建筑, 其自重较小, 结构较为单薄, 采用单纯的结构措施更是困难。渠道衬砌的主要目的在于: (1) 防渗。即防止渠道中的水渗漏到地下造成水资源的浪费, 形成地下水位的抬升, 恶化渠道周围的环境。 (2) 减糙。也就是降低渠道输水的糙率, 提高水流的流速, 增强渠道的输水能力, 缩短渠道的输水时间, 从而减小渠道断面和农地占用量, 节约工程投资。 (3) 防冲和保护基土。即防止渠道基土被水流冲毁, 保证渠道的安全。 (4) 其他。如防止渠道杂草生长, 美化渠道等作用。

只要满足这4个作用就达到了衬砌结构的目的。衬砌结构不像其他结构一样有较为严格的位移和应力控制要求, 适度的位移不会影响其作用的发挥。因此提出“适应”的观点, 也就是采用结构措施、工程措施对渠道基础土体的膨胀性进行适应, 而不是完全的抵抗。“适应”应从以下两方面进行: (1) 采取适宜渠道变形并有利于自身复原的渠道断面形式; (2) 采用适应渠道胀缩变形的衬砌结构形式。

膨胀土地区一般位于小型丘陵地区, 天然坡度在1:4~1:5之间, 这给人们一个启示, 既能够适应变形又有利于恢复的渠道断面形式坡度一定较缓。大量的渠道工程实践表明, 能够适应变形的渠道断面特征是:边坡平缓, 坡脚弧形, 或整个渠底是弧形, 渠道宽浅, 称之为“适变断面”。大量渠道冻胀研究也证明了以上断面形式有利于适应渠道基础的变形。研究表明, 许多原来设计为梯形的土渠, 本地方未有冻胀变形情况, 应从另一方面着手, 就自然演变为“适变断面”。对于膨胀土而言, 由于其浸水后强度剧烈衰减, 因此这种“适变断面”的坡度将更缓;渠道断面底部最好为弧形或平底弧形坡脚, 这样就会具有较强的适应变形的能力。对于衬砌结构也要采用可以适应变形的结构形式。通过以往大量工程的总结和参考, 提出膨胀土地区渠道防渗的“柔性衬砌结构形式”, 即以复合土工膜为主要防渗层, 以其他护面材料为保护层和防冲层的柔性复合结构。这种结构以目前广泛使用的“一布一膜”和“两布一膜”土工布 (不是塑料薄膜) 为主要防渗层, 利用土工布延展性好、防渗性能好并具有较好的界面抗滑性能的特点, 作为防渗的主要材料, 解决渠道防渗的问题;上层防护层可以选用刚性链接板或预制板等柔性连接材料, 以承担渠道的降糙、防冲等作用, 并将渠道衬砌体的作用分担开来, 这样既可以实现刚性衬砌结构的功能, 又可以减轻膨胀的危害。

另外, 还可以采用干砌石等形式进行柔性防护层建设。在设计时应该将土保护层设计得薄一点, 以有利于膨胀后变形复原。使用带有加筋材料的复合土工布进行防渗也是一个较好的方法, 它使衬砌结构的整体性更强。值得注意的是, 采用一般的农用塑料薄膜进行防渗时, 在施工中薄膜极易被刺破, 而且薄膜在运行时较易被杂草穿破而失去防渗功能, 因此建议不要使用。

2.2“削减”

渠基发生膨胀或收缩并对渠道结构造成危害的条件有: (1) 具有膨胀性的基土存在; (2) 土体的含水量发生变化 (含水量减少则收缩、增大则膨胀) ; (3) 与结构较紧密地接触。

从第一个条件看, 采用换填的方法将作用深度内的膨胀土用非膨胀的土类换填就可以达到“削减”膨胀危害的目的, 但是这样做工程量一般较大。对于较为重要的工程, 或换填材料和人工成本较低的地区, 采用这种方法可以有效地解决问题。从第二个条件看, 要使渠道基础下一定范围的土体的含水量保持相对稳定, 采用的方法不外乎“上部防渗, 下部排水”, 也就是通常所说的“隔”、“排”措施。“隔”就是防止渠道、大气或其他地方的水渗入土体中, 主要措施有渠顶与渠底设置土工膜防渗等;“排”是在渠道防渗层以外一定深度处设置排水设施, 尽快排除渠道水或大气水, 使渠基土体水分保持平衡。某灌区采用“隔”、“排”等措施修建了小型U形渠道, 经多年运行, 效果良好。该渠道在渠道底部设置塑料防渗层, 用于防止渠水下渗, 设置砂砾石积水盲沟来排除渠底渗水, 在适当的地方设置纵向排水出口, 将积水排出渠外, 并在渠道顶部设置拱盖, 增强了渠道的整体性。

2.3“局部抵抗”

对于小型渠道, 可以采用较为刚性的结构形式来抵抗膨胀力的作用, 这些结构要求整体性能较强, 在膨胀力的作用下结构整体上抬, 不致使结构整体破坏。这样的结构形式有:小型U形渠道、弧形渠底梯形渠道、加横撑的U形渠道、加盖板的U形渠道等。

对于较为重要的工程和设计标准较高的渠道工程, 如大规模输水渠道、城市供水工程等, 需要严格控制渠道的渗漏和变形, 这时应该采用刚性结构形式进行渠道衬砌。衬砌工程的设计应该进行严格计算, 以确保结构的稳定。刚性结构的形式主要是钢筋混凝土矩形和U型槽渠道。就这种类型渠道提出以下新型结构形式, 即侧向填充柔性材料的钢筋混凝土矩形渠道, 这种刚性渠道衬砌形式的主要特点是:采用钢筋混凝土矩形整体结构来形成一个抵抗膨胀力的整体, 同时在膨胀力作用较为危险的渠道两侧用松散的材料 (可以是松沙或粉煤灰等) 进行回填, 这些材料一方面可以起到支撑渠道侧边墙的作用, 另一方面可以在土体膨胀时适当变形, 使结构对土体膨胀的束缚大大减少, 从而减小了一部分侧向的膨胀力。渠道顶部设置横向盖板, 可以较为有效地防止雨水的入渗。

2.4“分级分类, 综合防治”

对于小型和大型渠道, 由于渠道断面不同, 因此应该分别处置。小型渠道应该以局部抵抗等措施为主, 而大型渠道则应该以适应、削减等综合措施为主。总之, 应该利用各种措施进行综合考虑, 才能解决膨胀土上渠道衬砌工程的设计问题。

3 渠道防渗工程的设计标准问题

我国目前渠道设计标准普遍偏低, 许多工程按设定的标准设计, 工程的实际寿命只有4~5年, 但是由于投资的问题或建设单位、设计单位的原因, 仍然按低标准进行设计, 致使工程质量不高。另外, 我省渠道防渗工程的施工质量也亟待提高。渠道设计标准与国家的经济实力密切相关。在发达国家, 渠道设计标准普遍偏高, 如日本在渠道设计中绝大部分采用钢筋混凝土矩形渠槽, 有的渠道还在矩形渠槽上加设盖板或横撑, 这种刚性结构在寒冷地区还采用基础换填的方式来直接改善渠道基土性质。这样, 渠道的使用寿命普遍很长, 渠道破坏的事故也较少发生。过去, 由于我国经济力量的限制, 不能有太多的资金进行工程建设, 因此对于渠道防渗工程一直要求较低, 致使渠道防渗工程使用寿命较短。

我省经济实力的增强和大规模基础建设的迅猛发展, 为提高渠道设计标准和施工要求标准提供了物质条件。提高渠道设计标准将会大大提高工程的质量。随着目前大规模输水工程 (如各种跨流域调水工程等) 的开工建设以及城市供水工程的建设, 对渠道工程的质量要求越来越高, 研究不同渠道工程的设计标准已迫在眉睫。

4 结论

(1) 随着我国水利建设的发展, 特殊土地区渠道防渗工程建设中的技术问题亟待研究。

(2) 对于湿陷性黄土地区渠道防渗设计的指导思想应该遵循:“充分认识, 预先处理, 积极抵抗, 综合防治。”

(3) 对于膨胀土地区渠道防渗设计的指导思想应该遵循:“适应、削减和局部抵抗, 分级分类, 综合防治。”

(4) 我国目前渠道防渗工程的设计标准偏低, 研究不同渠道工程的设计标准迫在眉睫。

摘要：通过分析特殊土与渠道衬砌结构的相互作用机理, 提出对于湿陷性黄土地区, 渠道防渗设计应遵循“充分认识, 预先处理, 积极抵抗, 综合防治”的指导原则;对于膨胀土地区, 渠道防渗设计应该遵循“适应、削减和局部抵抗, 分级分类, 综合防治”的指导原则。同时, 指出我国现行渠道防渗设计标准普遍偏低, 与工程建设的需要以及国家经济发展水平极不相称, 严重影响了渠道防渗工程的寿命, 因而提高渠道设计标准迫在眉睫。

关键词：渠道防渗,湿陷性黄土,膨胀土,防渗设计,设计标准