北疆供水工程輸水明渠薄層防滲襯砌結(jié)構(gòu)水脹問(wèn)題分析

北疆供水工程輸水明渠薄層防滲襯砌結(jié)構(gòu)水脹問(wèn)題分析

自2006年以來(lái)，新疆明渠戈壁段正式開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。5a的運(yùn)營(yíng)已經(jīng)進(jìn)行了持續(xù)的改造和優(yōu)化。通過(guò)不斷的轉(zhuǎn)型和優(yōu)化，明渠中常見(jiàn)的薄滲結(jié)構(gòu)的水位得到了有效控制，項(xiàng)目一直處于良好狀態(tài)。1渠坡襯砌及縱向排水系統(tǒng)北疆供水工程戈壁明渠處于多風(fēng)、少雨,空氣干燥的嚴(yán)寒荒漠地區(qū)(最冷月平均氣溫低于-10℃),2級(jí)建筑物,全長(zhǎng)120.6km,渠道為梯形斷面,底寬6m,內(nèi)邊坡1∶2.5,渠深3.6~4.4m,縱坡1∶12000;渠道防滲結(jié)構(gòu)自下而上為3cm膜下砂漿、0.6mm一布一膜防滲、3cm膜上砂漿、預(yù)制六角混凝土板襯砌(邊坡板厚6cm、渠底7cm),渠道襯砌每19.4m設(shè)置1道橫格梁,是屬于典型的薄層防滲結(jié)構(gòu)大型渠道。輸水明渠所處地帶廣泛分布第三系的泥巖和泥質(zhì)細(xì)砂巖,其自由膨脹率49%~51%,膨脹量5.8%~9.6%,膨脹力50.3~127kPa,屬于中、強(qiáng)膨脹巖地層,對(duì)此根據(jù)地質(zhì)條件采取以下渠基處理措施:(1)團(tuán)塊狀或片狀不連續(xù)分布的中強(qiáng)膨脹巖渠渠床,換填1m厚的白砂巖;(2)中、強(qiáng)膨脹巖分布長(zhǎng)度超過(guò)500m渠段,襯砌結(jié)構(gòu)以下從上而下?lián)Q填40cm砂礫料,80cm白砂巖,并設(shè)置縱橫排水系統(tǒng)。該120km的渠道沿線共有14段設(shè)置縱向排水(見(jiàn)圖1),縱排合計(jì)長(zhǎng)度為21.41km,縱排底坡為1∶12000,對(duì)應(yīng)橫向排水為14條,其間距0.5~2km不等;縱排結(jié)構(gòu)型式為:上層為30cm的小石,下層為30cm的中石,排水體四周包覆250g/m2針刺濾水土工布。橫向排水為2根外徑160mm的PVC管,橫排PVC排水管與縱排反濾排水體連接部位加工成花管,花管垂直布置,其深入反濾排水體0.5m,橫向排水大部分利用沿線分布的自然洪溝布置并自流排水,個(gè)別難易采用自流排出的橫排與馬道上布置的集水井相連并通過(guò)水泵抽排積水(沿線馬道抽水井共有6口)。2襯砌結(jié)構(gòu)無(wú)滲透壓力所謂水脹,是指渠道防滲襯砌結(jié)構(gòu)背后的渠道滲漏水或地下水(雨雪滲水)由于渠基為弱透水層或排水體不暢,無(wú)法順暢排泄而產(chǎn)生滲透壓力,當(dāng)滲透壓力大于襯砌結(jié)構(gòu)重壓力時(shí)(渠中無(wú)水),渠道襯砌結(jié)構(gòu)變形隆起破壞的現(xiàn)象。該工程于2006年正式投入運(yùn)行,運(yùn)行前幾年每次輸水結(jié)束渠道疏干后,輸水明渠沿線挖方渠段出現(xiàn)局部防滲襯砌結(jié)構(gòu)水脹破壞現(xiàn)象,檢查發(fā)現(xiàn),水脹破壞點(diǎn)均發(fā)生在渠底及個(gè)別邊坡坡腳部位,并且在不同的渠段(設(shè)有縱橫排水渠段、局部換填渠段和原狀巖石渠床段)均有分布,其面積9~360m2不等。3渠床防滲結(jié)構(gòu)及排水體系設(shè)計(jì)按照上述“水脹”現(xiàn)象的定義得知,渠道防滲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水脹破壞應(yīng)具備3個(gè)條件:(1)防滲結(jié)構(gòu)背后有滲水水源;(2)渠床為弱透水底層;(3)排水體系排水不暢。由此,根據(jù)工程管理人員的檢查、觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比情況將該工程出現(xiàn)水脹問(wèn)題的直接原因歸納如下:3.1材料的防滲結(jié)構(gòu)及施工工藝據(jù)國(guó)外有關(guān)經(jīng)驗(yàn),厚10cm的混凝土防滲渠道,平均滲漏量為21mL/(m2·d),如在襯砌層下部加鋪聚乙烯薄膜,可減少滲漏量95%,以此經(jīng)驗(yàn)值估算此類防滲結(jié)構(gòu)滲漏量為1.05mL/(m2·d),而該渠道采用預(yù)置六角板襯砌,防滲層的鋪設(shè)、預(yù)制板襯砌均為人工完成,因此施工中百分之百保證防滲膜的完好無(wú)損是不可能的,采用這種防滲結(jié)構(gòu)和施工工藝的渠道滲漏可能比上述估算滲水量還大,處于干旱荒漠的該渠道膜厚水主要來(lái)源為渠道滲水,當(dāng)這種防滲結(jié)構(gòu)背后水位與渠道水位差值達(dá)到一定高度時(shí)會(huì)出現(xiàn)水脹現(xiàn)象。3.2橫排管道能順排橫排觀測(cè)表明,128+635及133+435處橫排滲流量明顯減少,并該水脹相對(duì)嚴(yán)重渠段的2處排水體接頭的開(kāi)挖、檢查結(jié)果幾乎相似:縱向排水體及橫排管道能夠?qū)B水順暢排出,主要問(wèn)題在于縱、橫排接頭處包裹PVC花管管口及外側(cè)的針刺土工布被淤泥糊成隔水體(長(zhǎng)1.2m,垂直布置),使縱向排水體中的滲漏水無(wú)法順暢流入橫排管道排到渠外(見(jiàn)圖2)。這導(dǎo)致個(gè)別渠段縱向排水體本身成為埋設(shè)在渠底的帶壓水道,其中存水的揚(yáng)壓力集中在襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較薄弱處并在渠道水位降低時(shí)造成薄層襯砌結(jié)構(gòu)的局部水脹破壞,這種水脹點(diǎn)的特點(diǎn)是:基本上集中在渠底中部,縱向長(zhǎng)度較大,膜下砂漿也與防滲膜上部結(jié)構(gòu)一同隆起破壞。3.3泥質(zhì)砂巖滲透系數(shù)明渠出現(xiàn)的部分水脹點(diǎn)恰恰分布在個(gè)別原狀渠床和團(tuán)塊兒狀換填段,這種水脹點(diǎn)規(guī)模較少,鼓脹隆起程度比較輕微,停水并渠道疏干后一定時(shí)間內(nèi)可退縮復(fù)位,這種渠段發(fā)生水脹問(wèn)題的主要原因?yàn)?(1)明渠沿線交錯(cuò)出現(xiàn)堅(jiān)硬的泥質(zhì)砂巖,其干密度一般為1.7~1.8g/cm3,縱波波速Vp=1700~2100m/s,屬于弱透水地層,由于未設(shè)排水這使防滲結(jié)構(gòu)背后的滲水無(wú)出路,滲水壓力難易散失;(2)沿線團(tuán)塊狀或片狀不連續(xù)分布的中、強(qiáng)膨脹泥巖渠段,渠床均采用1m厚的白砂巖局部換填處理,但未設(shè)縱橫向排水,這種白砂巖換填渠基,施工期控制其含水量在最優(yōu)含水量附近時(shí)(8%~10%),碾壓6~8遍,其滲透系數(shù)能達(dá)到10-6~10-8cm/s,干容重大于1.7g/cm3。這種做法雖然有效解決渠基膨脹巖引起的膨脹、凍脹破壞問(wèn)題,但使相應(yīng)渠基具有良好的抗?jié)B性,導(dǎo)致滲水無(wú)出路,成為防滲結(jié)構(gòu)水脹破壞的形成條件。3.4倒藍(lán)渠底排水渠道沿線水脹點(diǎn)的分布情況來(lái)看,與該渠道末端連接的大洼槽倒虹吸進(jìn)口建筑物上游渠段相對(duì)較嚴(yán)重。大洼槽倒虹吸為進(jìn)、出口水頭落差較大的出口閘門(mén)控制運(yùn)行的倒虹吸,倒虹吸進(jìn)口設(shè)有電動(dòng)清污機(jī),一般在每次調(diào)輸水流量期間,倒虹吸出口閘門(mén)輕微調(diào)整和進(jìn)口清污機(jī)的運(yùn)行狀況對(duì)上游一段渠道水位的影響較大,使其水位遭受反復(fù)的急劇升降變化,由此,渠底滲水揚(yáng)壓力很容易造成上游一定范圍渠底的水脹破壞。4抗水劑襯砌結(jié)構(gòu)水脹針對(duì)該工程出現(xiàn)的局部防滲結(jié)構(gòu)水脹破壞問(wèn)題,工程管理部門(mén)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查和分析結(jié)果對(duì)原有設(shè)施根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行一系列改造及防護(hù)措施,有效避免或控制了每年停水期間的局部襯砌結(jié)構(gòu)水脹破壞問(wèn)題。4.1濾鹽水管周圍小石或中石回填對(duì)沿線的14處縱橫排接頭正在逐年進(jìn)行如下改造(見(jiàn)圖3):(3)濾水花管周圍30cm處使用5~10mm的小石回填,其余使用20~40mm的中石進(jìn)行回填。4.2安裝不銹鋼進(jìn)行排水為解決局部渠底的水脹現(xiàn)象,并為今后的類此工程項(xiàng)目提供數(shù)據(jù)依據(jù),從而使其排水設(shè)施更為經(jīng)濟(jì)、合理,工程投入運(yùn)行后,部分渠段安裝不銹鋼柱狀排水器、特制逆止式排水器,做了以下試驗(yàn):4.2.1鋼殼體排水器2006年渠道沿線設(shè)有縱橫排水渠段、局部換填渠段和原狀巖石渠床段等不同渠段選擇典型的水脹集中區(qū),在渠底共安設(shè)12個(gè)不銹鋼柱狀排水器進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)研究,此型排水器為新疆水利水電科學(xué)研究院專利產(chǎn)品,柱狀結(jié)構(gòu)形式,材質(zhì)為不銹鋼,高20cm、內(nèi)徑5cm,主要由金屬管、濾水器、逆向封堵裝置、透水防護(hù)蓋等部分組成。經(jīng)4個(gè)月輸水運(yùn)行期的實(shí)踐表明,該排水器不適用于本工程,由于輸水明渠處于戈壁荒漠地帶,沿線風(fēng)沙大,輸水含沙量高,此種小型排水器容易被淤沙堵塞,而且在嚴(yán)寒地區(qū)容易受到積水凍脹破壞。4.2.2大型逆止排水器2008年管理部門(mén)根據(jù)本工程環(huán)境實(shí)際情況,結(jié)合渠底排水體結(jié)構(gòu),特制筒狀式大型逆止排水器,并在水脹較嚴(yán)重的141+352、141+735,2處渠底分別安裝4個(gè)排水器(見(jiàn)圖4)。截止目前的觀察結(jié)果來(lái)看,該排水器排水效果顯著,并且這種排水器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,核心部位冬季可拆卸,從而防止本身的凍脹破壞。4.3水位下降和過(guò)流控制科學(xué)調(diào)度也是減少水脹破壞發(fā)生的有效手段之一。經(jīng)幾年的輸水運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,不斷完善該工程調(diào)度運(yùn)行規(guī)程,并采取以下具體調(diào)度措施,防止水脹破壞:(1)運(yùn)行規(guī)程中明確規(guī)定,“明渠調(diào)度運(yùn)行過(guò)程中,2個(gè)小時(shí)水位降幅不大于20cm,全天水位降幅不大于30cm”;(2)倒虹吸及節(jié)制退水閘各類閘門(mén)調(diào)整嚴(yán)格執(zhí)行小開(kāi)度操作;(3)停水階段利用沿線各類閘門(mén),持續(xù)控制渠道原有水位,使渠道水位降速更加緩慢、渠道放空盡可能拉長(zhǎng)退水時(shí)間。這些調(diào)度措施最大程度上拉大減水時(shí)間間隔,讓膜后水位有充裕的時(shí)間向渠床土體深層滲漏或反滲至渠內(nèi),防止防滲結(jié)構(gòu)背后水位與渠道水位差值急劇擴(kuò)大,從而對(duì)渠底形成一定的正壓力,抵消襯砌結(jié)構(gòu)底部揚(yáng)壓力、降低滲透壓力,減少了水脹破壞現(xiàn)象。5排水、放空和系統(tǒng)通過(guò)一系列防護(hù)措施該工程水脹問(wèn)題逐步得到控制,水脹破壞點(diǎn)數(shù)和相應(yīng)面積逐年減少。通過(guò)本明渠工程的實(shí)踐得到如下啟示:(1)在嚴(yán)寒地區(qū),對(duì)膨脹性、凍脹性弱透水渠基進(jìn)行合理得當(dāng)?shù)膿Q填處理、布置有效的排水體系是輸水明渠薄層防滲結(jié)構(gòu)的安全保障。(2)屬于弱透水弱膨脹的堅(jiān)硬渠基渠段由于不必?fù)?dān)心滲流損失和膨脹問(wèn)題,所以在渠底防滲層中合理設(shè)置排水孔,使?jié)B水順暢反滲渠內(nèi),從而防止水脹、凍脹的方法更為合理。(3)設(shè)置渠基排水系統(tǒng),其有效過(guò)水?dāng)嗝?橫排間距應(yīng)精心分析計(jì)算確定,若條件允許縱橫排都采用PVC花管或軟式透水管等暗管排水形式更有效,明渠工程設(shè)置砂礫石反濾排水體時(shí),縱排與橫排的接頭處是如同排水體的喉嚨,過(guò)水面積一定要足夠,并構(gòu)造設(shè)計(jì)要合理。(4)輸水明渠中,新型排水裝置的不斷改進(jìn)和合理應(yīng)用,不但是防止防滲結(jié)構(gòu)水脹、凍脹問(wèn)題的有效措施,而且是降低水量損失和工程造價(jià)的很好選擇。(5)渠道工程運(yùn)行管理中,科學(xué)調(diào)度為防止薄層防滲結(jié)構(gòu)發(fā)生水脹、凍脹破壞的有效手段之