北疆地區(qū)輸水明渠防滲技術(shù)的應(yīng)用

北疆地區(qū)輸水明渠防滲技術(shù)的應(yīng)用

隨著我國(guó)高濾明渠技術(shù)的發(fā)展，目前的渠道防滲設(shè)計(jì)采用了薄結(jié)構(gòu)，所選材料更加方便，防洪效果顯著提高。然而，如果通道底部的處理和管理不當(dāng)，則運(yùn)營(yíng)過(guò)程中容易出現(xiàn)水和凍脹，無(wú)法承受膨脹和濕塌陷池底部的小變形。北疆供水工程戈壁明渠采用典型的薄層結(jié)構(gòu),處于嚴(yán)寒地區(qū)膨脹巖地帶的該工程于2006年起正式投入運(yùn)行,運(yùn)行5年以來(lái),由于渠基處理設(shè)施合理、管理措施得當(dāng),不但有效避免邊坡失穩(wěn)、流土、管涌等嚴(yán)重問(wèn)題的出現(xiàn),而且薄層防滲渠道常見(jiàn)的凍脹、巖脹、水脹等問(wèn)題也得到了有效控制,工程一致保持良好狀態(tài)。一、項(xiàng)目總結(jié)1.明渠及渠系建筑物北疆供水工程等級(jí)為Ⅱ等,工程規(guī)模為大(二)型工程,其中,戈壁段明渠全長(zhǎng)120.634km,明渠及渠系建筑物級(jí)別為2級(jí)。渠道斷面形式為梯形斷面,底寬6m,開(kāi)口寬度24～28m,內(nèi)邊坡1:2.5,渠底縱坡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)制六角砼板襯砌(邊坡板厚6cm、渠底7cm),渠道襯砌每19.4m設(shè)置一道橫格梁。2.凍土讓土造林工程所在地屬?lài)?yán)寒地區(qū)(最冷月平均氣溫低于-10°),空氣干燥、多風(fēng)少雨,多年平均氣溫4.3°,極端最高氣溫40.6°,極端最低氣溫-41.7°,最大凍土深度190cm,多年平均降水量111mm。輸水明渠沿線(xiàn)主要為第三系的泥巖和泥質(zhì)細(xì)砂巖及夾段狀或片狀中細(xì)砂巖,泥巖為紫紅色,干密度rd=(1.68～1.8)g/cm3,泥巖的自由膨脹率(49-51)%,膨脹量(5.8～9.6)%,膨脹力(50.3～127)kPa,屬中-強(qiáng)膨脹巖。二、為保護(hù)薄滲透結(jié)構(gòu)1.渠基膨脹巖多態(tài)性二因素巖脹即土體中含有蒙脫石、伊利石等強(qiáng)親水性礦物成分,吸水后出現(xiàn)結(jié)構(gòu)膨脹、變形的現(xiàn)象;凍脹即在北方寒冷地區(qū),受外界和其他因素的影響,土體中的水分超過(guò)一定數(shù)量時(shí),凍結(jié)土層體積增大,使土體整體或局部膨脹,出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形的現(xiàn)象。該輸水明渠大部分為挖方渠道,渠床主要在砂巖和泥巖地層中,砂巖具有遇水軟化、膨脹,抗沖蝕及抗風(fēng)蝕能力差的特點(diǎn),其遇水產(chǎn)生膨脹的主要原因是巖體礦物成份中含有(10-20)%左右的蒙脫石,巖土中<0.005～0.002mm的細(xì)顆粒含量所占比例平均值大于25%。由于所處地區(qū)干燥少雨的自然條件,渠基中膨脹性泥巖的天然含水量一般在(4-12)%左右,渠基開(kāi)挖后,基巖體內(nèi)含水量進(jìn)一步蒸發(fā),因此,當(dāng)渠道建成未通水時(shí),其渠基的起始含水量很低,這就使膨脹巖具有很高的膨脹潛勢(shì)。蒙脫石的含量與巖土的脹縮性有極大的關(guān)系,含量越高,巖體的線(xiàn)脹縮率越大,吸水膨脹、失水收縮的特性越明顯,常常造成建筑物開(kāi)裂、邊坡滑移、防滲襯砌結(jié)構(gòu)巖脹破壞等危害。由此,沿線(xiàn)渠床根據(jù)地質(zhì)條件采取以下渠基處理措施:a、全斷面出露中、強(qiáng)膨脹泥巖并連續(xù)分布長(zhǎng)度超過(guò)500m,則全斷面換填處理,換填厚度為1.2m,其中襯砌結(jié)構(gòu)以下?lián)Q填40cm砂礫料,砂礫料下?lián)Q填80cm白砂巖,并設(shè)置縱橫排水系統(tǒng),防滲塑膜厚度由0.6mm加厚至0.7mm。分布長(zhǎng)度少于500m的不設(shè)排水。b、團(tuán)塊狀或片狀不連續(xù)分布的中、強(qiáng)膨脹巖渠段,只局部換填1m厚的白砂巖,換填范圍一般向外側(cè)做適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大,不設(shè)縱橫向排水。c、膨脹巖是一種凍漲性土,按《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5082-1998),對(duì)凍脹土的渠床置換比,一般渠床置換厚度不小于最大凍深的50～80%(渠道陰坡和陽(yáng)坡不同)。該輸水明渠段最大凍土深度為1.9m。按上述規(guī)定計(jì)算的換填厚度不低于(1～1.2)m,因此工程對(duì)具有凍漲性膨脹巖的上述換填措施同時(shí)解決了輸水明渠凍脹問(wèn)題。換填壓實(shí)后的白砂巖干容重大于1.8T/m3,砂礫料干容重大于(1.9～2.0)T/m3。換填料覆蓋(1～1.2)m的蓋重大幅減少巖脹、凍脹變形對(duì)渠道襯砌體的破壞程度。2.排水系統(tǒng)及過(guò)濾排水體所謂水脹,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)重壓力和渠道水壓力之和時(shí),渠道襯砌結(jié)構(gòu)變形隆起破壞的現(xiàn)象。為了避免水脹問(wèn)題對(duì)該輸水明渠薄層防滲結(jié)構(gòu)的危害,工程堅(jiān)持“以防為主,防排結(jié)合”的原則,主要在全斷面連續(xù)換填渠段底部均設(shè)置縱橫排水,該120km的渠道沿線(xiàn)共有14段設(shè)置縱向排水,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,橫向排水管平均縱坡為1/500。渠底縱向排水體設(shè)置在白砂巖換填層中,其結(jié)構(gòu)型式為:上層30cm的小石,下層30cm的中石,排水體四周包覆250g/m2針刺濾水土工布。橫向排水為兩根外徑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,橫排利用沿線(xiàn)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(xiàn)馬道抽水井共有6口)。3.不銹鋼抗洪排水器為進(jìn)一步提高該薄層防滲結(jié)構(gòu)的抗水脹、凍脹破壞性能,解決局部渠底的水脹現(xiàn)象,并使其排水設(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,做了以下應(yīng)用試驗(yàn)。a、不銹鋼柱狀排水器:2006年渠道沿線(xiàn)不同渠段選擇典型斷面,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(zhuān)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,由于輸水明渠處于戈壁荒漠地帶,沿線(xiàn)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,不適用于本工程。b、特制逆止式排水器: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,并在水脹相對(duì)較多出現(xiàn)的141+352、141+735兩處渠底分別安裝4個(gè)排水器,排水器底部與渠底縱向排水體連接,從而可將防滲結(jié)構(gòu)底部積水直接排到渠內(nèi),同時(shí)逆止渠水漏失,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.渠道水位下降緩慢經(jīng)幾年的輸水運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),不斷完善運(yùn)行規(guī)程,調(diào)度中采取以下具體措施:a、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”。b、沿線(xiàn)各類(lèi)閘門(mén)調(diào)整嚴(yán)格執(zhí)行小開(kāi)度操作。c、停水階段利用沿線(xiàn)各類(lèi)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降水時(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,減少水脹破壞現(xiàn)象。三、排水系統(tǒng)的安全保障通過(guò)本明渠工程實(shí)踐得到如下啟示:a、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。b