渠道衬砌形式的演变与发展

渠道衬砌形式的演变与发展摘要：渠道防渗可以减少渠道渗标准漏损失，提高水的利用率。渠道衬砌在渠道断面结构的衬砌材料上不同区域有许多不同，供在渠道衬砌设计中参考。关键词：渠道衬砌演变发展1.渠道衬砌设计渠道衬砌设计总体可分为2步工作，首先是渠道断面形式的选择，即优化断面水力要素，改善防冻条件，然后是衬砌材料的选择，即在渠床表面铺设防渗层以提高防渗能力而进行的材料选择。1.1渠道断面形式（1） 矩形断面。这是一种较为原始的断面形式，至今在一些小型渠道工程中仍在延用，这种断面多呈长方形或正方形，设计、施工简单，但是矩形断面的水力半径小，湿周长等不足，使渠道的水力条件较差，从而过水能力较低。矩形断面渠道的防渗体往往采用浆砌石或混凝土等刚性材料，由于衬砌后的渠底和边坡多为水平和垂直形式，抗冻效果很差，在大型渠道工程中往往不采用矩形断面。（2） 梯形断面。这种断面形式是在矩形断面不足基础上发展起来的一种形式，早期为大部分渠道工程所采用，它具有较好的水力条件，过水能力相对较高，这种断面呈倒梯形，两侧渠边坡常采用1：1〜1：1.5,最大可取到1：2.0以上，水力最优断面的宽深比为0.83〜0.61,最小值可为0.47，对于大型渠道宽深比为1〜3,防渗衬砌材料常采用黏土料，浆砌块石（砾、卵石）或混凝土、钢筋混凝土；这种断面形式在各方面较矩形断面有所改进，但是梯形断面的渠道抗冻能力依然较差，而且在大型渠道工程中占地较多。（3） U型断面。这种形式在水力条件和抗冻能力等方面都大大优于矩形或梯形断面，其形式为半圆直边式和圆弧斜边式两种，前者多用于小型工程，后者用于较大工程，从面积相等的几何图形可知，圆的周长最短，所以该形式相对湿周较矩形、梯形的水力半径大，在其它条件相同的前提下，U形断面流量大，据有关资料介绍，混凝土U形渠道比混凝土预制板衬砌梯形渠道节省投资20%〜30%，减少工程量30%〜40%，特别是因为底弧半圆拱的作用，整体结构的抗冻性较好。但是，这种断面形式在土质渠道中断面成型比较困难，渠坡也不易稳定，所以必须采用混凝土材料衬砌。另外，U形渠道的衬砌体大部分为预制砌筑，仅限于小型或部分中型渠道，对于流量较大的大型渠道则采用混凝土现浇，其质量多因密实、难均匀、温度缝影响等问题难以控制，在水、电不很便利的山区渠道工程中，给施工造成一定难度。（4） 梯弧形复式断面。这种断面形式是在梯形和U形渠道断面基础上演变成的一种新型断面形式，在大、中型渠道工程中被广泛应用，该断面底部为圆弧状，两侧渠边坡为直线段，边坡系数根据渠底弧中心角确定，一般类同于梯形断面边坡，范围在1：1〜1：1.75之间，个别取值1：2.0以上；圆弧中心角大于或等于90°。梯弧形复式断面同时具备了梯形和U形断面的优点；湿周较小，水力半径大，过水条件好，抗冻性能高，占地少，投资省。1.2建材类型渠道建材类型很多，根据工程规模、使用条件、防渗抗冻标准以及防污染、防腐蚀和节约工程投资等多方面因素进行综合比较选择，就目前使用的渠道建材类型和各自的特点评价，提供在设计中正确选用。（1）纯土料。土料分布广泛，储量大且造价低，在其它建材类型不足或投资条件限制的小规模渠道工程中，土料是常用的建材，施工中按照渠道设计开挖断面开凿渠床，然后选择适当的土料进行渠床夯填，夯填的干容重一般要求在1.5t/m3以上，然后再削整成设计断面。土料衬砌的最大缺陷是受设计不冲不淤条件下的纵坡和开挖断面的影响大，工程开挖，回填量大，而在实际运行当中经常发生渠道渗漏，冲刷或溃堤等现象，容易造成事故，特别是在强湿陷性黄土地区，因渗漏产生的湿陷会导致山体滑坡，山体前缓沉陷裂缝，诱发黄土岩溶等不良后果，所以土料衬砌只限于小型的矩形、梯形渠道，如：农渠或毛渠及小型排水沟。混合土料。混合土料包括：3:7灰土，水泥土等，这种材料仍属于土料范畴之内，是由工民建筑的基础材料引入到渠道衬砌工程中的，从50到60年代被重点采用。至今仍在一些地区受到建设者的欢迎。它与纯土料相比，具有密度大、强度高、不易湿陷变形及防渗效果好、投资省等优点，但在有些地区因地下水位较高，混合土料的使用效果并不理想，尤其是3：7灰土中所用的掺合料是石灰即Ca(OH)2，它是通过与空气中的CO2反应生成CaCO3来达到渠基固结目的，但化学反应式：Ca(OH)2+CO2=CaCO3£+H2O，可知所析出的水分若不及时蒸发或排泄，将使基础中含水量增大，导致变形或冻胀，而作为基础埋深较大时，Ca(OH)2很难与CO2反应生成CaCO3，则达不到固结的目的，使基础强度减弱，另外有些混合料中含有有害物质污染水质，所以混合料使用的局限性较大。浆砌石。在块石或砾石料丰富的地区，浆砌石被广泛应用于渠道衬砌工程中，在60年代这种建材较为推宠。浆砌石衬砌的特点是：抗冲刷能力强，抗冻性能好，相对来讲工程造价不十分高；该材料多用于纵坡较陡，流量较大的大中型渠道工程，而且可根据渠道设计断面的要求砌筑成多种断面形式，施工复杂，但是浆砌石料短缺的地区不易选用，同时浆砌石渠道的渗漏损失仅低于土渠，渠道水损失严重。另外浆砌石衬砌具有糙率较大，占地多，衬砌砂浆填缝多因间断停水受温度影响变形缝较大缺陷，但因为浆砌石的抗冲抗冻能力其它建材很难达到，所以在北方片的渠道衬砌工程中仍被看成是一种较理想的建材。混凝土或钢筋混凝土。随着混凝土生产及工艺的发展，70年代后，混凝土和钢筋混凝土已由原工民建筑或大型水利工程逐渐转向渠道衬砌工程，特别是在大型输水渠道或重要险段工程中被迅速普及和推广。混凝土或钢筋混凝土材料作为渠道衬砌具有：板状结构体积轻巧，重量小，施工可塑性强，防渗漏、抗冲刷、适应冻胀变形、使用寿命长等多项良好性能，相对土渠或浆砌石渠道过水流量大。在实际应用中，混凝土或钢筋混凝土的强度等级一般为C10〜C15，有特殊要求的可选取C20，施工手段可分为混凝土预制件和混凝土、钢筋混凝土现浇衬砌两种，前者多用于缺水少电等施工条件较差的中小型渠道，具有保持混凝土工厂生产和控制质量的特征，后者则用于大型渠道工程，现浇混凝土的整体性好，防渗抗冻等条件较混凝土预制件衬砌优越，而且施工进度快。目前在渠道衬砌工程中所采用的混凝土材料无论是予制还是现浇多制成薄型板结构，厚度在0.06〜0.4哑，最大厚度在0.8哑左右，作为钢性材料同时又是薄型结构的混凝土衬砌体，从防冻角度出发需要提高渠道的设计、施工质量，对于基础的土料级配情况和夯填手段应高度重视，特别是在湿陷性黄土地区和冻胀敏感土质，对渠基设计的要求就会更高，一般在基土粒径为0.05〜0.002哑之间的土质中，渠道多选择填方或半填半挖渠基的形式，少用深挖渠基形式，必要时将要换基处理，渠基土质最好是含砾卵石较多或排水效果好的砂壤土，避免在粘粒含量过多的基础修渠，渠道基础要求夯填后的干容重Vd>1.5t/m3，保证其稳定和密实，减轻冻害。由于受渠道衬砌的混凝土体积小的限制，材料本身不抵御强烈的冻胀而只能适应部分基础变形量，所以在设计与施工中就要充分考虑如何降低基础含水量，减少基础冻胀量等措施；以尽可能地减少渗漏和外来补充水，同时加强基础排水能力来解决大部分的冻胀变形。其次是结合渠道断面几何形状的不断改进来提高混凝土衬砌结构的适应能力；在特别重要的渠段或冻胀强烈的地区可采用钢筋混凝土材料衬砌渠道，但造价很高，不能广泛使用，以上所说的混凝土或钢筋混凝土材料在施工中可根据设计浇筑成任何一种断面形式，在大力提倡节水灌溉，减少渠道渗漏损失的形势下，混凝土或钢筋混凝土是一种比较理想，应用极为广泛的建材。膜料防渗。膜料防渗是新发展的一种衬砌方式，用于渠道防渗的膜料多为：土工织物，聚氯乙烯薄膜和沥青玻璃丝布等。膜料属于柔性材料，目前在渠道工程中被大量采用，它具有防渗标准高，能适应较大的冻胀变形、造价低廉等优点，弥补了混凝土衬砌型式中的许多缺陷，膜料在渠床开挖断面完成后，稍经整平处理后即可铺设，然后加盖保护层，保护层可用土料、混合料或砂浆等，防渗效果较好；膜料防渗的不足之处也十分突出；如施工较复杂、主要是膜料铺盖间的搭接，同时为保证保护层的稳定，渠道边坡较大，均在1：1.5以上，因而占地较多，另外，膜料对基础土质有较高的要求，如果基土含有大量有机物会导致膜料过早老化而降低防渗标准，在彬草或其他植物杂生地带、膜料很容易进行膜防渗衬砌的渠基一般要做一些处理，如换基或掺入除草剂等到措施，膜料防渗虽然有以上不足，但是作为一种新型防水材料，发展前途仍然很大。这是因为从各种衬砌材料的防渗效果的比较中可知：膜料〉现浇混凝土〉预制混凝土〉浆砌石土料，而且随着化学工业的发展，还会有新型的柔性材料代替目前的膜料，提高渠道防渗标准。2渠道衬砌形式的演变当今我国明渠灌溉面积仍在90%以上，而渠系水量损失约占引水时总损失的50%左右，因此就要求在现有的基础上不断改善渠道衬砌措施。目前渠道断面的几何形态和衬砌材料都在不断地演变和发展，其原则就是：更加优化断面水力要素、提高防渗抗冻标准，节省建材、降低工程造价等。如何优化断面水力要素。优化渠道断面水力要素是为了尽可能减少渠道断面积，提高过水能力，减少渠道渗漏，增强抗冻效果。要达到这种目的，除了在设计中尽量采用较陡的纵坡外，还要降低衬砌材料的糙率，更重要性的是继续研究、优化断面的几何形状。从渠道断面由单一的矩形、梯形逐渐演化成U形和梯形的趋向可知断面形状越接近圆形，水力条件就越好，曲率半径越大、流量增加越大，从实际调查结果看各类断面的防渗效果和抗冻标准的优先圆形〉U形梯弧形(抛物线)〉梯形〉矩形，所以今后渠道断面的设计将会围绕圆形、半圆形或抛物线形等断面进行研究。降低衬砌材料的用量和造价。渠道衬砌工程往往消耗建材量很大。在同一工程中，渠道开挖，回填土方、衬砌用材等的数量要占整个工程造价的80%〜90%以上，所以在渠道防渗技术中，要研究如何降低衬砌投资。①优化渠道断面，这是目前减少建材的一项得力的措施，在相同流量标准下，U形或梯弧形、抛物线形的断面积要远小于矩形或梯形，材料80%〜87%左右，圆形或半圆形将会更少；②研究生产新型的低糙率、防渗抗冻标准高的建材以取代目前的混凝土。虽然混凝土材料的优点突出，应用广泛，但仍然存在价格昂贵的问题，还是工程造价高的一个主要方面，今后的价格低、性能稳定的柔性膜料将会推广使用于渠道衬砌。衬砌结构的改造。虽然介绍的U形或梯弧形复式断面有许多优点，但同时也发现这类断面在边坡倾角较小，边坡系数不大时，直线段部分仍会发生冻胀裂缝，特别是梯弧形断面，渠底圆弧段抗冻效果明显，但边坡受冻害影响，破坏仍很严重，这是因为在断面形式上仍残留梯形断面的缺陷，所以在研究直线段衬砌结构改良，如采用槽形面板、变截面面板或增大面板面积和体积等措施，在防冻胀方面有一定的效果，但这些措施因施工复杂而仅限于试验阶段或大型工程的衬砌。目前，在衬砌结构是被认为易推广的是一柔两性材料衬砌，即在混凝土衬砌体下面增设膜料的方式，利用混凝土糙率低，强度大，抗冲刷，稳定性好的优点，同时发挥膜料防渗效果好，适应变形的特点，大大降低渠道渗漏水，减少渠基内的含水量，避免发生强冻胀，这种衬砌在当前还算是一种较好的防渗结构。3.渠道防渗技术的发展从以上各种断面和材料的介绍，目前渠道衬砌的断面形式和材料及其结构上都已经产生了许多类型，但各自仍存在许多薄弱环节，而且有些很难在原基础上给予改造，今后根据国家和地方发展的情况，渠道衬砌技术应抛开一些约束，向更新的方向发展。架空渠道。这种形式类似于渠道工程中的矮墩渡槽，它是以排架或支墩将渠道架空离开地面，这样就可以完全避免了基础冻胀破坏的可能，同时渠道工程占地极少，渠道周围仍可耕种，管理也很便利，其次在渠道工程规划布置上也会降低地形的影响而大大的缩短渠道长度，这种结构的一次性投资较大。管道输水。地一些渠道工程中应推广使用管道输水技术，其管道可以明铺也可埋设，该形式的防渗，防蒸发，防冻害的效果都非常好，占地也很少。尤其是对一些中小型渠道工程和地质条件差，开挖困难，冻胀敏感性土及水源缺乏，耕地较少的地区，管理输水远优先于明渠，输水管材可根据工程条件选择：钢筋混凝土、混凝土、水泥土、塑料、陶土等，如果进行合理的渠系规划和设计方案比较，管道输水的使用年限将高于明渠且一次性投资不会很高。生物防渗。