北疆地区输水明渠防渗技术的应用

北疆地区输水明渠防渗技术的应用

随着我国高滤明渠技术的发展，目前的渠道防渗设计采用了薄结构，所选材料更加方便，防洪效果显著提高。然而，如果通道底部的处理和管理不当，则运营过程中容易出现水和冻胀，无法承受膨胀和湿塌陷池底部的小变形。北疆供水工程戈壁明渠采用典型的薄层结构,处于严寒地区膨胀岩地带的该工程于2006年起正式投入运行,运行5年以来,由于渠基处理设施合理、管理措施得当,不但有效避免边坡失稳、流土、管涌等严重问题的出现,而且薄层防渗渠道常见的冻胀、岩胀、水胀等问题也得到了有效控制,工程一致保持良好状态。一、项目总结1.明渠及渠系建筑物北疆供水工程等级为Ⅱ等,工程规模为大(二)型工程,其中,戈壁段明渠全长120.634km,明渠及渠系建筑物级别为2级。渠道断面形式为梯形断面,底宽6m,开口宽度24～28m,内边坡1:2.5,渠底纵坡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、预制六角砼板衬砌(边坡板厚6cm、渠底7cm),渠道衬砌每19.4m设置一道横格梁。2.冻土让土造林工程所在地属严寒地区(最冷月平均气温低于-10°),空气干燥、多风少雨,多年平均气温4.3°,极端最高气温40.6°,极端最低气温-41.7°,最大冻土深度190cm,多年平均降水量111mm。输水明渠沿线主要为第三系的泥岩和泥质细砂岩及夹段状或片状中细砂岩,泥岩为紫红色,干密度rd=(1.68～1.8)g/cm3,泥岩的自由膨胀率(49-51)%,膨胀量(5.8～9.6)%,膨胀力(50.3～127)kPa,属中-强膨胀岩。二、为保护薄渗透结构1.渠基膨胀岩多态性二因素岩胀即土体中含有蒙脱石、伊利石等强亲水性矿物成分,吸水后出现结构膨胀、变形的现象;冻胀即在北方寒冷地区,受外界和其他因素的影响,土体中的水分超过一定数量时,冻结土层体积增大,使土体整体或局部膨胀,出现结构变形的现象。该输水明渠大部分为挖方渠道,渠床主要在砂岩和泥岩地层中,砂岩具有遇水软化、膨胀,抗冲蚀及抗风蚀能力差的特点,其遇水产生膨胀的主要原因是岩体矿物成份中含有(10-20)%左右的蒙脱石,岩土中<0.005～0.002mm的细颗粒含量所占比例平均值大于25%。由于所处地区干燥少雨的自然条件,渠基中膨胀性泥岩的天然含水量一般在(4-12)%左右,渠基开挖后,基岩体内含水量进一步蒸发,因此,当渠道建成未通水时,其渠基的起始含水量很低,这就使膨胀岩具有很高的膨胀潜势。蒙脱石的含量与岩土的胀缩性有极大的关系,含量越高,岩体的线胀缩率越大,吸水膨胀、失水收缩的特性越明显,常常造成建筑物开裂、边坡滑移、防渗衬砌结构岩胀破坏等危害。由此,沿线渠床根据地质条件采取以下渠基处理措施:a、全断面出露中、强膨胀泥岩并连续分布长度超过500m,则全断面换填处理,换填厚度为1.2m,其中衬砌结构以下换填40cm砂砾料,砂砾料下换填80cm白砂岩,并设置纵横排水系统,防渗塑膜厚度由0.6mm加厚至0.7mm。分布长度少于500m的不设排水。b、团块状或片状不连续分布的中、强膨胀岩渠段,只局部换填1m厚的白砂岩,换填范围一般向外侧做适当的扩大,不设纵横向排水。c、膨胀岩是一种冻涨性土,按《水工建筑物抗冰冻设计规范》(DL/T5082-1998),对冻胀土的渠床置换比,一般渠床置换厚度不小于最大冻深的50～80%(渠道阴坡和阳坡不同)。该输水明渠段最大冻土深度为1.9m。按上述规定计算的换填厚度不低于(1～1.2)m,因此工程对具有冻涨性膨胀岩的上述换填措施同时解决了输水明渠冻胀问题。换填压实后的白砂岩干容重大于1.8T/m3,砂砾料干容重大于(1.9～2.0)T/m3。换填料覆盖(1～1.2)m的盖重大幅减少岩胀、冻胀变形对渠道衬砌体的破坏程度。2.排水系统及过滤排水体所谓水胀,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和渠道水压力之和时,渠道衬砌结构变形隆起破坏的现象。为了避免水胀问题对该输水明渠薄层防渗结构的危害,工程坚持“以防为主,防排结合”的原则,主要在全断面连续换填渠段底部均设置纵横排水,该120km的渠道沿线共有14段设置纵向排水,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,横向排水管平均纵坡为1/500。渠底纵向排水体设置在白砂岩换填层中,其结构型式为:上层30cm的小石,下层30cm的中石,排水体四周包覆250g/m2针刺滤水土工布。横向排水为两根外径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,横排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)。3.不锈钢抗洪排水器为进一步提高该薄层防渗结构的抗水胀、冻胀破坏性能,解决局部渠底的水胀现象,并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,做了以下应用试验。a、不锈钢柱状排水器:2006年渠道沿线不同渠段选择典型断面,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,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,不适用于本工程。b、特制逆止式排水器: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,并在水胀相对较多出现的141+352、141+735两处渠底分别安装4个排水器,排水器底部与渠底纵向排水体连接,从而可将防渗结构底部积水直接排到渠内,同时逆止渠水漏失,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.渠道水位下降缓慢经几年的输水运行实践经验,不断完善运行规程,调度中采取以下具体措施:a、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”。b、沿线各类闸门调整严格执行小开度操作。c、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降水时间间隔,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,减少水胀破坏现象。三、排水系统的安全保障通过本明渠工程实践得到如下启示:a、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。b