交流辽宁省灌区渠道衬砌试验研究课件

1、辽宁省灌区渠道衬砌试验研究辽宁省水利水电科学研究院建材岩土试验研究所2014年09月 渠道是我国灌区的主要输水手段，渠道防渗衬砌是提高渠系水利用率的主要措施。由于农业灌溉用水浪费严重，特别是渠道渗漏损失的水量很大，渠道防渗抗冻技术受到越来越多的重视和积极的推广。渠道防渗效果在很大程度上取决了渠道衬砌。渠道衬砌的形式是多种多样的，从衬砌的材料来看，目前普遍采用的材料主要包括:刚性衬砌（混凝土衬砌）、膜料衬砌、土料衬砌等。在众多的衬砌形式中，又以是混凝土衬砌占主导地位。 辽宁省渠道衬砌也多是以混凝土为主，但斗渠以下级别的渠道衬砌比例就比较小，多为土渠，渗漏量极大，已衬砌渠道投入运行年限较短，易损毁

2、，且破坏后不进行维修管护，长时间影响渠道输水能力；已衬砌渠道结构形式单一，衬砌质量参差不齐。混凝土质量往往达不到要求，抗冻胀能力不足，运行1至2年便发生冻胀破坏。 辽宁省水利水电科学研究院于2010年向水利部申报了“辽宁省中部地区水稻节水技术集成与示范”项目。项目获得水利部公益性行业科研专项资助，其中有一个子课题内容即“新型渠道防渗技术研究”。 选择试验灌区辽东地区的丹东市东港灌区 辽西地区的盘锦市大洼灌区 辽中地区辽阳市辽阳灌区 辽北地区的沈阳市浑北灌区辽北地区的开原市开原灌区灌区试验段渠道衬砌结构布置数量试验段渠道试验段位置结构形式数量试验段长度（m）东港铁甲灌区十一支渠7130铁甲灌区九

3、支渠525铁甲灌区十一支东五斗渠10200铁甲灌区九支西二斗渠525盘锦盘山县沙岭镇5100辽阳辽阳灌区养鱼池村6110沈阳沈北新区石佛寺灌区6100开原清河干渠南侧5100东港灌区十一支渠东港灌区十一支渠东港灌区九支渠东港灌区十一支东五斗渠东港灌区十一支东五斗渠东港灌区九支西二斗渠盘锦灌区辽阳灌区沈阳灌区开原灌区东港灌区九支渠苯板保温结构 苯板保温结构东港灌区十一支东五斗渠苯板保温结构 苯板保温结构东港灌区九支西二斗渠盘锦斗渠苯板保温结构 苯板保温结构东港灌区十一支渠土工格室结构土工格室结构辽阳斗渠沈阳斗渠土工格室结构土工格室结构 试验用土工格室物理力学性能序号项目技术要求检测结果1网格尺寸

4、格室片厚mm1.11.1焊接距离mm985-10159872抗拉强度 MPa20.0223焊接强度 N/cm1001204外观格室片应平整、无气泡、无沟痕格室片平整、无气泡、无沟痕土工格室结构土工格室结构土工格室张拉设备土工格室结构土工格室结构 由于土工格室为柔性材料，在混凝土浇筑过程中，如工艺处理不当，往往引起格室网格的变形，既影响了格室图案的外观效果，也对格室混凝土结构有一定影响；旧式的角钢焊接而成的张拉装置框架整体刚度不够，容易变形，影响施工质量；由角钢焊接成的框架的重复使用率不高，清洁起来比较困难；一套张拉装置只能对应相应规格的格室网格，需要制作多种规格的多套装置才能满足施工要求，加大

5、了施工成本；由于张拉装置为固定尺寸的角钢焊接而成，无法针对不同作业面来进行自由拓展和收缩；只能做上下方向的撑拉，左右方向无法撑拉。 土工格室张拉设备可调式伸张架 土工格室结构土工格室结构 组合式土工格室张拉装置，包括有三向连接装置、组合方钢连接段、固定杆式滑块和可调杆式滑块，所述的组合方钢连接段与四个三向连接装置组装成四边形框架，四边形框架的下边框与左边框上设置有固定杆式滑块，固定杆式滑块的上部焊接有张拉杆；四边形框架的右边框与上边框上设置有可调杆式滑块，可调杆式滑块的上方并列设置有固定螺丝杆座和移动螺块，螺丝杆的一端穿过移动螺块后与固定螺丝杆座相连，螺丝杆的另一端与调节手柄相连，移动螺块上焊

6、接有张拉杆。 具有安装便捷，尺寸可调，可多次重复利用，刚度好不易变形，保证施工质量等优点。固定杆式滑块 可调杆式滑块 三向连接装置 三向连接装置中的内插口与外插口对插 土工格室结构土工格室结构土工格室张拉设备可调式伸张架 土工格室结构土工格室结构土工格室张拉设备可调式伸张架 三向连接装置1、组合方钢连接段2、固定杆式滑块3、可调杆式滑块4、调节手柄5、连接卡扣6、弹簧7、张拉杆8、内插口9、外插口10、连接卡扣套管11、移动螺块12、固定螺丝杆座13、螺丝杆14、圆形卡口15、四边形框架16、上边框161、下边框162、左边框163、右边框164、卡扣17 固定杆式滑块 可调杆式滑块 三向连接

7、装置 三向连接装置中的内插口与外插口对插 东港灌区十一支东五斗渠预制板护坡结构预制板护坡结构开原斗渠预制板护坡结构预制板护坡结构沈阳斗渠自制预制板预制板护坡结构预制板护坡结构预制板护坡结构预制板护坡结构沈阳斗渠自制预制板渠底40cm砂石垫层+23cm边坡稻草帘+10cm现浇钢筋混凝土其它渠道衬砌结构东港十一支渠40cm复合土工膜包渠底土（两布一膜）+20cm边坡砂石垫层+10cm现浇钢筋混凝土坡脚浆砌石齿墙+边坡40cm砂石垫层+10cm现浇钢筋混凝土护坡 40cm砂石垫层+8cm现浇钢纤维混凝土 20cm砂石垫层+8cm现浇钢筋混凝土砂石垫层（渠底60cm，阴坡5070cm，阳坡3050cm

8、）+8cm现浇钢筋混凝土 其它渠道衬砌结构东港十一支东五斗渠辽阳斗渠现浇7cm钢纤维混凝土 钢纤维混凝土 聚丙烯纤维混凝土 其它渠道衬砌结构辽阳斗渠沈阳斗渠渠底40cm复合土工膜包土（两布一膜）+8cm现浇钢筋混凝土开原斗渠10cm现浇弧形坡脚素混凝土 开原斗渠膨润土防水毯（5kg/m2）+丙乳砂浆 其它渠道衬砌结构沈阳、开原斗渠U型槽配合比试验 将试验用地温观测管如图所示埋入渠基土中，埋入深度为40cm和80cm。冻深观测管与地温观测管埋设方法相同，管内装有注满水的乳胶管，测量时使用卷尺记录乳胶管内水的冻结长度。 渠道观测 冻胀量采用相对测量法，取距坡脚1/3处做为坡面冻胀观测点并用钢钉固定

9、，渠底观测点取渠底的中心点。冻胀量观测用基准点埋设在试验渠段的渠堤上，露出的钢筋埋设深度要大于土壤冻层，钢筋底部与一块5050cm钢板焊接固定。为保证钢筋不受渠堤土的冻胀变形影响，将其套入填满甘油的PVC管中。渠道观测1234沈阳斗渠打地下水位观测井取土测量含水率渠道观测观测地温观测冻深渠道观测冻胀量观测渠道观测各灌区渠道渠基土物理性质试验成果 为更好的了解试验段渠基土的情况，冻胀开始前取渠底1m深处渠基土进行了物理性质试验。试验结果表明，灌区试验段土壤均属冻胀性粘土，具体见表。 灌区孔隙比饱和度液限塑限颗 粒 组 成分类名称粗 粒 土细 粒 土砂 粒粉粒粘粒粗中细粒 径 大 小（mm）2-0

10、.50.5-0.250.25-0.0750.075-0.0050.005%东港九支渠0.94179.741.020.0002.171.526.4低液限粘土东港十一支渠0.98581.654.324.1000.859.240.0有机质高液限粘土盘锦1.18576.467.326.9000.554.844.7有机质高液限粘土辽阳0.89389.038.921.5001.876.321.9低液限粘土沈阳0.74584.542.920.7002.478.619.0低液限粘土开原0.73710029.715.8003.483.113.5低液限粘土苯板在渠道衬砌中的应用研究序号项目技术要求检测结果1表观密

11、度 kg/m320.020.12压缩强度 KPa1001053导热系数 W/(m.K)0.0410.0404尺寸稳定性 %325吸水率（体积分数）%43.4 试验用苯板物理力学性能苯板保温衬砌结构形式试验段结构序号南坡（西坡）渠底北坡（东坡）东港九支渠结构一444结构二666结构三888东港九支西二斗渠结构一463结构二685结构三8107东港十一支东五斗渠结构一664结构二886结构三10108盘锦斗渠结构一664结构二886结构三10108苯板在渠道衬砌中的应用研究九支渠40cm深渠基土壤地温（1）东坡；（2）渠底；（3）西坡（1）（2）九支渠80cm深渠基土壤地温（1）东坡；（2）渠底；

12、（3）西坡（1）（2）（3）（1）（2）（1）（2）（1）（2）（3）（1）（2）渠基土温度变化东港 （1）（2）（1）（2）（1）（3）（2）（1）（2）（3）（2）（1）（1）（2）（3）（3）（2）（1）（3）（1）（2）（3）（1）（2）九支西二斗渠40cm深渠基土壤地温（1）南坡；（2）渠底；（3）北坡九支西二斗渠80cm深渠基土壤地温（1）南坡；（2）渠底；（3）北坡渠基土温度变化东港 （3）（1）（2）（3）（1）（2）十一支东五斗渠40cm深渠基土壤地温（1）南坡；（2）渠底；（3）北坡十一支东五斗渠80cm深渠基土壤地温（1）南坡；（2）渠底；（3）北坡渠基土温度变化东港 渠

13、基土冻深变化东港 （3）（1）（2）九支渠各结构渠基土壤冻结深度 （1）东坡；（2）渠底；（3）西坡（3）（1）（2）九支西二斗渠各结构渠基土壤冻结深度 （1）南坡；（2）渠底；（3）北坡渠基土冻深变化东港 渠基土冻胀量变化东港 九支渠苯板保温结构各观测点渠基土冻胀量 九支西二斗渠苯板保温结构各观测点渠基土冻胀量 渠基土冻胀量变化东港 十一支东五斗渠苯板保温结构各观测点渠基土冻胀量 渠基土冻胀量变化东港 （a）（b）不同苯板厚度下渠基土平均地温值（a）40cm深渠基土地温值；（b）80cm深渠基土地温值不同苯板厚度下渠基土最大冻深值不同苯板厚度下渠基土最大冻胀量 根据3组曲线斜率的变化情况，同

14、时结合各苯板保温结构的观测数据，最终将适宜东港灌区的苯板保温板厚度确定为6cm。如考虑节省造价，可将渠道北坡（即阳坡）部位的苯板厚度适当减少1cm 2cm。 渠基土冻胀量变化东港 渠基土温度变化盘锦 各结构40cm深渠基土壤地温 （1）南坡；（2）渠底；（3）北坡（1）（2）（3）（3）（2）（1）各结构80cm深渠基土壤地温 （1）南坡；（2）渠底；（3）北坡渠基冻深变化盘锦 （1）（2） 各结构渠基土壤冻结深度（1）南坡；（2）北坡渠基冻胀量变化盘锦 盘锦斗渠苯板保温结构各观测点渠基土冻胀量 2010-2014年苯板结构观测数据 试验段观测位置2010-20112011-20122012-

15、20132013-201440cm深80cm深40cm深80cm深40cm深80cm深40cm深80cm深东港九支结构一东坡2.663.091.931.852.472.402.102.35渠底1.591.942.182.050.292.561.012.74西坡3.093.502.882.852.292.792.522.87结构二东坡3.384.192.623.353.362.872.762.91渠底3.133.003.012.431.542.141.453.35西坡3.344.473.393.733.143.083.013.05结构三东坡3.784.723.133.873.493.312.84

16、3.41渠底3.634.283.883.753.024.064.273.38西坡4.195.224.264.494.144.133.453.80东港九支西二斗渠结构一南坡2.033.382.441.853.201.962.011.46渠底1.060.810.480.910.090.160.041.01北坡0.721.531.001.110.110.740.230.37结构二南坡2.223.692.902.193.662.502.331.99渠底1.781.222.012.260.510.361.681.21北坡1.531.592.472.151.751.720.840.88结构三南坡2.914

17、.283.252.624.093.032.912.48渠底2.782.912.182.331.691.612.121.93北坡1.751.912.722.22.011.841.050.95东港十一支东五斗渠结构一南坡2.181.831.951.802.072.00渠底1.791.410.812.001.231.81北坡1.921.511.991.641.211.28结构二南坡2.782.702.962.682.722.98渠底2.892.202.813.971.642.99北坡3.022.233.262.721.842.34结构三南坡2.902.753.132.882.813.13渠底2.89

18、2.372.964.052.963.00北坡3.422.743.322.962.472.862010-2014年苯板结构观测数据 九支结构一东坡40cm深地温 九支结构三东坡40cm深地温九支西二斗结构二南坡80cm深地温 九支西二斗对比段南坡80cm深地温 十一支东五斗结构一北坡80cm深地温 采用苯板保温结构后，40cm深渠基土温度可提高0.04-4.27，80cm深渠基土温度可提高0.16-5.22。苯板的保温效果除了与厚度有关，还与苯板应用的位置有关，东西边坡苯板厚度每增加1cm可提高渠基土温度0.64。南边坡苯板厚度每增加1cm可提高渠基土温度0.93，北边坡苯板厚度每增加1cm可提

19、高渠基土温度1.22。 （1）阴坡（2）阳坡苯板厚度与渠基土平均地温提高值之间的关系曲线 2010-2014年苯板结构观测数据 试验数据证明，苯板可明显提高渠基土的地温，这是由于苯板很好的隔热作用，可有效减缓渠基土与外界的热交换速度，使渠基土在冻结过程中温度速率降低缓慢，减少渠基土冬季处于负温的时间，苯板越厚，保温效果越明显。苯板厚度与地温提高值之间的关系见拟合曲线。图中大部分曲线斜率基本相同，说明渠基土地温随着苯板厚度的增加其增长速率4年无明显改变，说明了苯板材料的保温性能具有持续性。2010-2014年苯板结构观测数据 试验段观测位置2010-20112011-20122012-20132

20、013-2014最大冻深最大冻胀最大冻深最大冻胀最大冻深最大冻胀最大冻深最大冻胀东港九支结构一东坡325.237.57.631.53.2253.0渠底35.54.0445.6482.0494.3西坡294.3288.5272.8234.9结构二东坡272.3231.8231.3191.9渠底32.20.731.52.4450.4481.2西坡27.52.722.52.623.50.3223.5结构三东坡222.021.50.6211.3181渠底25.53.2150.3340.6320.5西坡15.53.922.50.5230.5221.4对比东坡847.47114.5677.84910.3渠

21、底70.56.8688.4802.7875.7西坡936.8867.8814.5608.3东港九支西二斗渠结构一南坡31.53.5424391.8343.5渠底51.53.550.53.2520.9486.9北坡283.328.51.2281.2211.7结构二南坡29.53310.529.50.830.51.6渠底32221.5148.50.1465.7北坡20.71.815.50.4200.8170.2结构三南坡261.725.50.425.50.1240.6渠底28.51.4240.645.50385.4北坡19.51.512.50.1190.1100.1对比南坡99.56.410889

22、5.57.7738.3渠底57.510.4577.1614.46211.5北坡517.248.57382.6299.2东港十一支东五斗渠结构一南坡442.6343.4318.4渠底29.52622.4646.1北坡19.51.3140.6165.4结构二南坡34.50.7262.324.56.3渠底29.50.444.52.3351.5北坡12.50.39.50.331结构三南坡32.50.620.51.216.50.8渠底280.4382.6161.4北坡80.370.200.5对比南坡95.54.3786.8647.2渠底624.197.51.9684.1北坡523.9442.6524.1

23、2010-2014年苯板结构观测数据 以九支西二斗渠为例，冻胀量与冻深之间的关系曲线见图，图中为6cm厚苯板保温结构，对比结构渠基土冻胀率为6.8%，而苯板结构冻胀率小于对比结构，说明苯板材料可以减小渠基土冻胀率，且观测数据表明，苯板厚度越大，冻胀率越小。 冻胀量与冻深之间关系曲线2010-2014年苯板结构观测数据 九支结构一南坡冻胀量 九支西二斗结构二南坡冻胀量 十一支东五斗结构三南坡冻胀量 对比段最大冻胀量达14.5cm，采用苯板保温结构后，东西边坡4cm、6cm、8cm厚苯板削减冻胀分别为32.1%，72.8%，80.5%。南坡6cm、8cm、10cm厚苯板削减冻胀分别为40.2%，6

24、6.6%，87.8%。北坡3cm-8cm厚苯板削减冻胀分别为68.1%-90.8%。渠底4cm、6cm、8cm、10cm厚苯板削减冻胀分别为45.7%，51.6%，68.8%，81.3%。6cm厚苯板材料基本可以将冻胀量控制在3cm以下。从曲线可以明显看出当苯板厚度大于4cm时，渠基土的冻胀量有了明显的减小，且4年的观测数据说明，削减冻胀能力并未随着苯板的使用年限增加而减小，说明苯板材料抗冻胀能力具有耐久性。 结构一断面温度场分布结构一断面总等效应变等值线结构一断面总冻胀变形等值线 结构二断面温度场分布 结构二断面总等效应力等值线 结构二断面总冻胀变形等值线 九支渠序号试验段位置结构形式1东港

25、十一支渠结构一 素土夯实+40cm砂石垫层+土工格室混凝土护坡（50cm50cm6cm）+10cm现浇钢筋混凝土底板6250250结构二 素土夯实+ 40cm砂石垫层+土工格室混凝土护坡（50cm50 cm10cm）+10cm现浇钢筋混凝土底板6250250对比结构 素土夯实+ 40cm砂石垫层+10cm现浇钢筋混凝土62502502辽阳斗渠结构一 素土夯实+复合土工膜（两布一膜）+土工格室混凝土护坡（35cm35cm6cm）+7cm现浇钢筋混凝土底板5150150结构二 素土夯实+复合土工膜（两布一膜）+土工格室混凝土护坡（35cm35cm8cm）+7cm现浇钢筋混凝土底板5150150对比

26、结构 素土夯实+7cm现浇钢筋混凝土51501503沈阳斗渠结构一 素土夯实+复合土工膜（两布一膜）+土工格室混凝土护坡（35cm35cm6cm）+8cm现浇钢筋混凝土底板5150150结构二 素土夯实+复合土工膜（两布一膜）+土工格室混凝土护坡（35cm35cm8cm）+8cm现浇钢筋混凝土底板5150150对比结构 素土夯实+8cm现浇钢筋混凝土5150150土工格室在渠道衬砌中的应用研究试验段分布渠基冻胀量变化东港 试验段观测位置平均地温（）最大冻深（cm）最大冻胀量（cm）40cm深80cm深十一支渠结构三东坡8.5渠底9.4西坡7结构四东坡-0.681.382.55.9渠底6.4西坡

27、-0.251.4571.56.2结构五东坡-1.120.9592.59.2渠底2.789.3西坡-0.351.4873.55.4九支渠结构四东坡-0.691.657610.4渠底-1.351.096615.9西坡-0.231.777411.4十一支东五斗渠结构五南坡-1.71-0.02102.56.6渠底0.122.4576.1北坡0.791.99455结构六南坡-1.960.1095.54.7渠底0.062.1956.54.8北坡0.561.75523.9结构七南坡-1.670.15964.3渠底-0.282.20554.5北坡0.851.92453.9结构八南坡-1.550.02965.2

28、渠底-0.031.9757.55.6北坡0.751.6346.55.3九支西二斗渠结构四南坡-1.490.15110.58.9渠底0.011.1959.58.8北坡0.752.34546.5其它衬砌结构观测数据 试验段观测位置平均地温（）最大冻深（cm）最大冻胀量（cm）40cm深80cm深辽阳结构三南坡-1.181.0810113.2渠底0.523.406313.4北坡0.812.395811.2结构四南坡-1.260.9210313.2渠底-0.093.466514.0北坡0.712.665412.0沈阳结构四南坡-4.040.0512818.4渠底-2.112.0357.118.5北坡-

29、0.202.757317.7开原结构二南坡-4.57-1.28151.54.7渠底-3.051.43967北坡-0.072.46745.6结构三南坡12.7渠底12.9北坡12.1其它衬砌结构观测数据 施工控制要点苯板 （1）修整渠坡基土。将渠坡基土整平、压实，清除土中大块石、植物根系等杂物，压实度不应小于0.93。由于苯板强度较低，渠坡不平整会导致苯板架空产生断裂，从而影响苯板的保温效果，因此为了使苯板和坡面结合紧密，施工中必须严格控制渠坡基土的平整度，坡面平整度应不大于1cm。修整渠坡基土后应在10日内立即进行下一工序，如超过10日，应对渠坡基土压实度和平整度重新检测，满足要求后可进行下一

30、工序施工。 （2）铺设苯板。苯板物理力学指标应满足要求。为了防止施工过程中苯板的错位移动，可用宽胶带粘接苯板表面，使苯板间具有连续性，铺设过程中要严禁施工人员在苯板上践踏。 （3）填筑混凝土。混凝土设计强度等级不低于C20，抗冻性等级不低于F200，抗渗性不低于W6。混凝土浇筑应先坡后底，按一定的方向连续进行，再采用人工平板振动器振捣，振动器振动顺序应从下往上单方向振动，最后对混凝土表面进行人工压光处理。 （4）坡面混凝土养护。混凝土浇筑完毕后，应及时洒水养护，保持混凝土表面湿润。如果日平均气温在5以下或最低气温在0以下，需采用混凝土表面覆盖草帘子或塑料布等保温措施。施工控制要点土工格室 （1）修整渠坡基土。将渠坡基土整平、压实，清除土中大块石、植物根系等杂物，压实度应不小于0.93。坡面平整度应不大于0.5cm。修整渠坡基土后应在10日内立即进行下一工序，如超过10日，应对渠坡基土压实度和平整度重新检测，满足要求后可进行下一工序施工。 （2）土工格室接缝处理。土工格室物理力学指标满足要求。土工格室在铺设时，各片间要用细铁丝紧密缝合，确保渠坡的整体连续、稳定性。 （3）张拉土工格室。人工展开土工格室，将四周格室固定在张拉器上，用张拉器的调节装置将土工格室的张拉程度调节适中，使土工格室内各个格室全部张拉开，