北疆供水工程输水明渠薄层防渗衬砌结构水胀问题分析

北疆供水工程输水明渠薄层防渗衬砌结构水胀问题分析

自2006年以来，新疆明渠戈壁段正式开始运营。5a的运营已经进行了持续的改造和优化。通过不断的转型和优化，明渠中常见的薄渗结构的水位得到了有效控制，项目一直处于良好状态。1渠坡衬砌及纵向排水系统北疆供水工程戈壁明渠处于多风、少雨,空气干燥的严寒荒漠地区(最冷月平均气温低于-10℃),2级建筑物,全长120.6km,渠道为梯形断面,底宽6m,内边坡1∶2.5,渠深3.6~4.4m,纵坡1∶12000;渠道防渗结构自下而上为3cm膜下砂浆、0.6mm一布一膜防渗、3cm膜上砂浆、预制六角混凝土板衬砌(边坡板厚6cm、渠底7cm),渠道衬砌每19.4m设置1道横格梁,是属于典型的薄层防渗结构大型渠道。输水明渠所处地带广泛分布第三系的泥岩和泥质细砂岩,其自由膨胀率49%~51%,膨胀量5.8%~9.6%,膨胀力50.3~127kPa,属于中、强膨胀岩地层,对此根据地质条件采取以下渠基处理措施:(1)团块状或片状不连续分布的中强膨胀岩渠渠床,换填1m厚的白砂岩;(2)中、强膨胀岩分布长度超过500m渠段,衬砌结构以下从上而下换填40cm砂砾料,80cm白砂岩,并设置纵横排水系统。该120km的渠道沿线共有14段设置纵向排水(见图1),纵排合计长度为21.41km,纵排底坡为1∶12000,对应横向排水为14条,其间距0.5~2km不等;纵排结构型式为:上层为30cm的小石,下层为30cm的中石,排水体四周包覆250g/m2针刺滤水土工布。横向排水为2根外径160mm的PVC管,横排PVC排水管与纵排反滤排水体连接部位加工成花管,花管垂直布置,其深入反滤排水体0.5m,横向排水大部分利用沿线分布的自然洪沟布置并自流排水,个别难易采用自流排出的横排与马道上布置的集水井相连并通过水泵抽排积水(沿线马道抽水井共有6口)。2衬砌结构无渗透压力所谓水胀,是指渠道防渗衬砌结构背后的渠道渗漏水或地下水(雨雪渗水)由于渠基为弱透水层或排水体不畅,无法顺畅排泄而产生渗透压力,当渗透压力大于衬砌结构重压力时(渠中无水),渠道衬砌结构变形隆起破坏的现象。该工程于2006年正式投入运行,运行前几年每次输水结束渠道疏干后,输水明渠沿线挖方渠段出现局部防渗衬砌结构水胀破坏现象,检查发现,水胀破坏点均发生在渠底及个别边坡坡脚部位,并且在不同的渠段(设有纵横排水渠段、局部换填渠段和原状岩石渠床段)均有分布,其面积9~360m2不等。3渠床防渗结构及排水体系设计按照上述“水胀”现象的定义得知,渠道防渗结构产生水胀破坏应具备3个条件:(1)防渗结构背后有渗水水源;(2)渠床为弱透水底层;(3)排水体系排水不畅。由此,根据工程管理人员的检查、观测数据对比情况将该工程出现水胀问题的直接原因归纳如下:3.1材料的防渗结构及施工工艺据国外有关经验,厚10cm的混凝土防渗渠道,平均渗漏量为21mL/(m2·d),如在衬砌层下部加铺聚乙烯薄膜,可减少渗漏量95%,以此经验值估算此类防渗结构渗漏量为1.05mL/(m2·d),而该渠道采用预置六角板衬砌,防渗层的铺设、预制板衬砌均为人工完成,因此施工中百分之百保证防渗膜的完好无损是不可能的,采用这种防渗结构和施工工艺的渠道渗漏可能比上述估算渗水量还大,处于干旱荒漠的该渠道膜厚水主要来源为渠道渗水,当这种防渗结构背后水位与渠道水位差值达到一定高度时会出现水胀现象。3.2横排管道能顺排横排观测表明,128+635及133+435处横排渗流量明显减少,并该水胀相对严重渠段的2处排水体接头的开挖、检查结果几乎相似:纵向排水体及横排管道能够将渗水顺畅排出,主要问题在于纵、横排接头处包裹PVC花管管口及外侧的针刺土工布被淤泥糊成隔水体(长1.2m,垂直布置),使纵向排水体中的渗漏水无法顺畅流入横排管道排到渠外(见图2)。这导致个别渠段纵向排水体本身成为埋设在渠底的带压水道,其中存水的扬压力集中在衬砌结构强度相对较薄弱处并在渠道水位降低时造成薄层衬砌结构的局部水胀破坏,这种水胀点的特点是:基本上集中在渠底中部,纵向长度较大,膜下砂浆也与防渗膜上部结构一同隆起破坏。3.3泥质砂岩渗透系数明渠出现的部分水胀点恰恰分布在个别原状渠床和团块儿状换填段,这种水胀点规模较少,鼓胀隆起程度比较轻微,停水并渠道疏干后一定时间内可退缩复位,这种渠段发生水胀问题的主要原因为:(1)明渠沿线交错出现坚硬的泥质砂岩,其干密度一般为1.7~1.8g/cm3,纵波波速Vp=1700~2100m/s,属于弱透水地层,由于未设排水这使防渗结构背后的渗水无出路,渗水压力难易散失;(2)沿线团块状或片状不连续分布的中、强膨胀泥岩渠段,渠床均采用1m厚的白砂岩局部换填处理,但未设纵横向排水,这种白砂岩换填渠基,施工期控制其含水量在最优含水量附近时(8%~10%),碾压6~8遍,其渗透系数能达到10-6~10-8cm/s,干容重大于1.7g/cm3。这种做法虽然有效解决渠基膨胀岩引起的膨胀、冻胀破坏问题,但使相应渠基具有良好的抗渗性,导致渗水无出路,成为防渗结构水胀破坏的形成条件。3.4倒蓝渠底排水渠道沿线水胀点的分布情况来看,与该渠道末端连接的大洼槽倒虹吸进口建筑物上游渠段相对较严重。大洼槽倒虹吸为进、出口水头落差较大的出口闸门控制运行的倒虹吸,倒虹吸进口设有电动清污机,一般在每次调输水流量期间,倒虹吸出口闸门轻微调整和进口清污机的运行状况对上游一段渠道水位的影响较大,使其水位遭受反复的急剧升降变化,由此,渠底渗水扬压力很容易造成上游一定范围渠底的水胀破坏。4抗水剂衬砌结构水胀针对该工程出现的局部防渗结构水胀破坏问题,工程管理部门根据现场检查和分析结果对原有设施根据工程实际进行一系列改造及防护措施,有效避免或控制了每年停水期间的局部衬砌结构水胀破坏问题。4.1滤盐水管周围小石或中石回填对沿线的14处纵横排接头正在逐年进行如下改造(见图3):(3)滤水花管周围30cm处使用5~10mm的小石回填,其余使用20~40mm的中石进行回填。4.2安装不锈钢进行排水为解决局部渠底的水胀现象,并为今后的类此工程项目提供数据依据,从而使其排水设施更为经济、合理,工程投入运行后,部分渠段安装不锈钢柱状排水器、特制逆止式排水器,做了以下试验:4.2.1钢壳体排水器2006年渠道沿线设有纵横排水渠段、局部换填渠段和原状岩石渠床段等不同渠段选择典型的水胀集中区,在渠底共安设12个不锈钢柱状排水器进行应用试验研究,此型排水器为新疆水利水电科学研究院专利产品,柱状结构形式,材质为不锈钢,高20cm、内径5cm,主要由金属管、滤水器、逆向封堵装置、透水防护盖等部分组成。经4个月输水运行期的实践表明,该排水器不适用于本工程,由于输水明渠处于戈壁荒漠地带,沿线风沙大,输水含沙量高,此种小型排水器容易被淤沙堵塞,而且在严寒地区容易受到积水冻胀破坏。4.2.2大型逆止排水器2008年管理部门根据本工程环境实际情况,结合渠底排水体结构,特制筒状式大型逆止排水器,并在水胀较严重的141+352、141+735,2处渠底分别安装4个排水器(见图4)。截止目前的观察结果来看,该排水器排水效果显著,并且这种排水器结构简单,核心部位冬季可拆卸,从而防止本身的冻胀破坏。4.3水位下降和过流控制科学调度也是减少水胀破坏发生的有效手段之一。经几年的输水运行实践经验和观测数据对比分析,不断完善该工程调度运行规程,并采取以下具体调度措施,防止水胀破坏:(1)运行规程中明确规定,“明渠调度运行过程中,2个小时水位降幅不大于20cm,全天水位降幅不大于30cm”;(2)倒虹吸及节制退水闸各类闸门调整严格执行小开度操作;(3)停水阶段利用沿线各类闸门,持续控制渠道原有水位,使渠道水位降速更加缓慢、渠道放空尽可能拉长退水时间。这些调度措施最大程度上拉大减水时间间隔,让膜后水位有充裕的时间向渠床土体深层渗漏或反渗至渠内,防止防渗结构背后水位与渠道水位差值急剧扩大,从而对渠底形成一定的正压力,抵消衬砌结构底部扬压力、降低渗透压力,减少了水胀破坏现象。5排水、放空和系统通过一系列防护措施该工程水胀问题逐步得到控制,水胀破坏点数和相应面积逐年减少。通过本明渠工程的实践得到如下启示:(1)在严寒地区,对膨胀性、冻胀性弱透水渠基进行合理得当的换填处理、布置有效的排水体系是输水明渠薄层防渗结构的安全保障。(2)属于弱透水弱膨胀的坚硬渠基渠段由于不必担心渗流损失和膨胀问题,所以在渠底防渗层中合理设置排水孔,使渗水顺畅反渗渠内,从而防止水胀、冻胀的方法更为合理。(3)设置渠基排水系统,其有效过水断面,横排间距应精心分析计算确定,若条件允许纵横排都采用PVC花管或软式透水管等暗管排水形式更有效,明渠工程设置砂砾石反滤排水体时,纵排与横排的接头处是如同排水体的喉咙,过水面积一定要足够,并构造设计要合理。(4)输水明渠中,新型排水装置的不断改进和合理应用,不但是防止防渗结构水胀、冻胀问题的有效措施,而且是降低水量损失和工程造价的很好选择。(5)渠道工程运行管理中,科学调度为防止薄层防渗结构发生水胀、冻胀破坏的有效手段之