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新衬砌技术在小开河引黄灌溉工程中的应用

2005-05-20 00:00    【  【打印】【我要纠错】

  平原地区渠道衬砌是实施灌区节水灌溉工程的一项重要内容,其工程量大,投资比例重,机械化程度低,且对渠坡和渠底的防护功能有较高要求,尤其是在石料缺乏区更成为制约平原灌区建设质量的关键问题。小开河引黄灌区的输沙干渠衬砌工程在建设中全部采用混凝土预制板与土工合成材料相结合的新衬砌技术,取得了良好的效果。

  一、基本概况

  滨州市小开河引黄灌区地处山东省北部,黄河三角洲腹地。小开河引黄灌区设计流量60m3/s,设计灌溉面积7.33万hm2.区内土地资源丰富,沿海工业正在崛起。工程建成后,沿线5县(区)23个乡镇500多个村庄的8.23万hm2土地得到灌溉,开发草场1.93万hm2,解决30万人的饮水问题,可为沿海、沿线的综合开发提供可靠的淡水资源。

  该工程自1993年开始动工兴建,1998年完成一期工程开始通水灌溉; 1999~2000年完成下游输水渠及配套工程,达到干渠全线贯通,灌区已具雏形。2001年又完成了小开河引黄灌区续建配套输沙渠二期衬砌工程。至此,共建成输沙渠土渠及渠道初砌51.3km,沉沙池4.2km,输水渠33.8km,累计投资2.3亿元。截至2001年底,小开河灌区的输沙干渠已全部衬砌,共计全断面衬砌20.7km,半段面衬砌30.6km,累计完成混凝土预制板5.2万m3,复合土工膜铺设64.5万m2,塑料薄膜铺设110万 m2.

  二、 新衬砌技术的应用

  小开河引黄灌区输沙渠道断面为梯形,边坡均采用1∶1.75.衬砌渠道断面表面采用厚6cm的预制混凝土板作为防护层,护坡防护层下铺设复合土工膜,护底50cm细土下铺设一层塑料薄膜,渠底两侧坡脚设高60cm砌石混凝土封顶齿墙,渠底塑膜在齿墙底部翻向渠坡,在渠坡处与复合土工膜搭接使渠道形成整体封闭式防渗体。为避免不均匀沉陷造成裂缝,横向每隔12.4m设置伸缩缝一道,纵向在两渠坡自底部向上第4行板或渠底两侧设伸缩缝,伸缩缝用PT塑料胶泥填充。

  1.改进混凝土预制板的生产工艺

  ① 改脱胚式加工为翻转模板或震动平台加工

  以前渠道衬砌用的混凝土预制板,多为脱胚式加工,水灰比大,振捣不充分,内部结构不密实。小开河干渠衬砌用的混凝土板,吸取以往灌区衬砌的经验,全部用翻转模板或震动平台架空振捣加工生产。钢板底模按梅花型排列,每间隔3cm有一个直径3mm的排气孔,并在底模上铺一层中长纤维布。拌和混凝土时将水灰比控制在0.47~0.48之间,仓口坍落度在0.5cm以下。为改善混凝土和易性、均质性,在混凝土拌和时采用二次投料法,即先将水、外加剂加入拌和机;再投入水泥、砂子搅拌2分钟,成为水泥砂浆;最后加入石子再拌和2分钟,共计拌和4分钟,在加工过程中加强振捣,每模振捣时间不得少于4分钟,且速度适宜,使混凝土内部多余的水和气泡排出,使成品内部密实。成型的混凝土板及时进行人工压光,使表面平整光滑。

  ② 使用外加剂

  为确保混凝土预制板质量,达到防渗抗冻的目的,并节约水泥降低工程造价,在混凝土板预制加工时掺用了木质磺酸钙(木钙)减水剂和PC-2型松香热聚物引气剂。木钙的作用是减小水灰比,增加混凝土密实度,提高其强度及防渗性能,实验证明,木钙与PC-2相容性良好,在混凝土中掺入后,减水率达17%左右,节约水泥1.1%左右,且拌和物和易性良好。

  经多次试验,木钙掺用量为水泥用量的0.25%,PC-2的掺用量为水泥用量的 0.005%,效果比较理想。木钙的使用方法是:按日用木钙粉剂=日用水泥量×0.25%和木钙:A水=1∶0.2∶30的比例将固体PC-2溶化在 70℃~90℃、浓度50%~70%的NaON溶液中配成3.2引气剂溶液,待凉后再加入拌和使用。注意配制引气剂溶液时要使用较纯净的饮用水,如水中杂质较多,则溶液可能出现沉淀,影响其效果。

  预制生产过程中,每个预制厂都设专职质检员,进行全面质量管理,小开河管理局工程科会同山东省科源监理中心的技术人员不定期抽查,并且成立了工地试验室,按要求对原材料、拌和物、预制混凝土板进行检验,保证了产品质量。山东省水科所抽样切块试验,其抗压强度为21MPa,渗透系数2.23×10-8cm/s,抗冻性能可以满足150次冻融循环强度损失低于25%的设计要求。

  2.分渠段应用土工合成材料防渗

  由于渠道是均质土壤,渗透系数为10-5cm/s,渗透量较大,为减少渗透,降低水头损失,提高渠道水利用系数,小开河引黄灌区输沙渠采用土工合成材料进行全断面防渗,结合防渗及经济要求,边坡采用复合土工膜,渠底采用塑料薄膜防渗。

  ① 复合土工膜的应用

  以往本区内其他灌区的渠坡衬砌是用塑料薄膜防渗,在上面铺砌2cm厚的素土垫层或麦秸泥作为介质,保护薄膜不被破坏,但在实际施工中不易操作,且渠道放水时极易冲坏,渠道维修率很高。小开河灌区衬砌吸取其他灌区的经验,护坡采用了复合土工膜防渗,去掉防渗膜与混凝土板之间的介质,具有施工简单,质量可靠,提高工效,节省投资等优点,真正起到了护膜防渗的效果。

  复合土工膜属非孔隙介质,渗透系数一般为10-11~10- 13cm/s,具有良好的防渗性能和良好的抗拉、抗撕裂、抗顶破、抗穿刺等力学性能,且具有一定的变形量,对坝坡的凹凸具有一定的适应能力,应变力较强,与土体接触面上的孔隙压力及浮托力易于消散,能满足护坡结构的力学设计要求,并且复合土工膜具有很好的耐化学性、抗老化性能,满足了护坡耐久性。根据有关资料介绍,将复合土工膜埋在土中或水下可安全使用60年。

  经过理论计算,考虑实际应用的安全系数,小开河引黄灌区采用的复合土工膜,规格为一布一膜,其中上面一层为150g/m2土工布,其表面摩擦力大,防滑效果好,便于安砌混凝土预制板;下面一层为0.22mm塑膜,是主要防渗材料。

  为确保混凝土预制板直接铺设在复合土工膜上构成防渗体的施工质量,其具体施工工序及基本要求如下:(1)清理坡面:复合土工膜的支持层土坡一定严格按要求切削平整顺直,以标准坡度面(1∶1.75)为基准面,清除一切杂物,使坡面平整密实。要求垂直坡面的凹凸高差不得大于±2cm,连续面积不大于 5m2,总量不超过5%.(2)土工膜的搭接:改简单的搭接及粘合剂粘接为机器焊接。为减少坡面纵向焊接,在平整场地先将一幅4m宽和一幅2m宽的复合土工膜焊接成整体。焊接时的搭接宽度不得小于10cm,由厂家负责焊接施工,并采用双焊缝焊接法。(3)上坡铺设:将焊接好的土工膜顺水流方向滚动式沿坡铺设。(4)混凝土预制板安砌:在复合土工膜以上安砌混凝土预制板时,工作人员严禁穿带钉的鞋,不准在膜上卸放混凝土板及用带尖的钢钎作为撬动工具,以保护土工膜。铺设时要严格选材,轻装轻放,仔细安砌,自上而下,左右均衡,使砌块间结构缝均匀。

  ② 塑料薄膜的应用

  为降低工程造价,在小开河输沙渠衬砌工程中,渠底采用塑料薄膜防渗,塑料薄膜与复合土工膜在齿墙以上边坡处搭接。在塑料薄膜的选材上,经过对省内各主要厂家进行考虑筛选,择优选用了强度高、延伸率大、耐久性好的0.22mm聚乙烯塑膜。

  在塑膜的铺设工艺上,借鉴已有的成功经验,采取上游接头段压下游接头段,即按顺水流方向搭接,搭接长度不小于30cm,与复合土工膜的搭接不得小于 40cm.以避免冲刷破坏,在此基础上进行折叠搭接的改进,保证塑膜搭接严密,防止静水压力造成沿接缝的渗漏。塑膜铺设时须在渠底平整、干燥无水的前提下进行。施工中严格执行操作规程,采用滚动铺设方式,严禁展开拉伸铺设,且滚动要自然均匀,不得用力拉,尽量减少皱纹,非搭接处不得有折叠现象。固定塑膜一律用土压和光滑重块压固,严禁用木桩树枝等钉固,以保证铺膜质量。

  ③ 复合土工膜与土工布结合使用

  在小开河干渠衬砌中,由于东支流渡槽(38+664)至沾无公睡桥(47+878)的半断面衬砌段属地下渠,挖深大,地下水位高。护坡底部水位变动区以梅花型布置三排带无砂混凝土过滤孔的衬砌板,其下铺设带有反滤作用的400g/m2土工布,因土工布没有带有防渗作用的塑料膜,具有良好的透水性和过滤性,土壤中的水分经过土工布的孔径排出,同时阻止土壤颗粒的流失,以免造成空穴,是较好的滤体材料,这样可以通过土工布及无砂混凝土的反滤作用,减少渠坡的水压力,对增强边坡的稳定性具有很好的效果。

  三、应用新衬砌技术的优势

  1.技术优势

  (1)混凝土预制板与复合土工膜、塑料薄膜三者结合的衬砌防渗技术与以往的单独混凝土或砌石衬砌相比,变形适应性强,在地下不易老化,寿命长,隔水效果好,施工操作简便,速度快。(2)复合土工膜与塑料薄膜是比较理想的防渗材料,只需混凝土预制板面层加以保护,易于施工,便于维修管理。(3)复合土工膜护坡起防渗作用时,将水压力几乎全部传给了支撑它的那部分渠坡,土工膜本身的变形和应力不大,远未达到其极限伸长率和抗拉强度,其受力是非常安全的。(4)采用新衬砌技术,渠道的水利用系数大大提高,减少了水头损失,经输水运行测试,总干渠水的利用系数可提高至0.95,防渗效果显著。这对于淡水资源缺乏的黄河下游地区具有非常重要的意义。

  2.经济优势

  (1)采用混凝土预制板与复合土工膜、塑料薄膜三者结合的护坡结构,可延长工程使用寿命,大大节省维修工程量和费用。运行3年来,没有出现土工膜、塑膜被撕裂和混凝土板损坏现象。(2)用混凝土板代替块石,简化施工,缩短工期,减少运输量和劳动消耗,节省投资,特别是对于缺少石料的黄河三角洲地区具有特殊意义。(3)在渠底采用塑膜代替复合土工膜防渗,既便于施工,又节约投资,该工程可节省投资500万元以上。(4)混凝土板预制施工与渠道衬砌施工可分阶段进行,这样可以有效地避开农业用水高峰期,将衬砌施工放在用水淡季,既有效地保证了灌区群众用水,发挥了灌区效益,又确保了工期。

  滨州市小开河引黄灌区建成运行3年来的实践证明,通过正确的设计及精心的施工组织,采用混凝土预制板与复合土工膜、塑料薄膜三者结合的衬砌防渗技术是非常可行的,也是合理的。尤其是在石料缺乏地区,更有效地节约了投资,保证了工期。

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