大型渠道襯砌混凝土施工設計

章永吉

【摘要】針對大型渠道邊坡的特點，研究了大型渠道邊坡優(yōu)化的關鍵問題，提出了大型渠道邊坡的綜合優(yōu)化方法： 首先，充分的地質勘察和巖土工程試驗有利于準確確定抗剪強度參數(shù)，防止設計過于保守。其次，選擇合適的大型渠道邊坡穩(wěn)定性分析方法，考慮渠道分期開挖和大板混凝土襯砌對渠道邊坡穩(wěn)定性的影響，準確評價渠道邊坡的抗滑穩(wěn)定性。再次，通過控制渠道邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)影響，實現(xiàn)渠道整體邊坡優(yōu)化。最后，以渠道最小允許坡度和實際經濟截面為基礎，提出了一種考慮邊坡穩(wěn)定性和最小費用的渠道坡度優(yōu)化方法。提出了渠道邊坡允許極限狀態(tài)和允許極限坡度的概念。

【關鍵詞】渠道襯砌;混凝土裂縫;原因;預防措施

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

18.

1、襯砌混凝土施工中的缺陷及預防措施

長期以來，由于渠道坡度的規(guī)模較小，很少有人研究包括渠道坡度優(yōu)化在內的渠道坡度問題。隨著引江濟淮工程等大型跨流域調水工程的建設，輸水線路長度超過700公里，渠坡優(yōu)化可以節(jié)約大量土地。因此，渠道坡度優(yōu)化問題受到了人們的關注。同時，渠道坡度復雜，渠道坡度高。結合渠道邊坡的特點，研究相應的邊坡穩(wěn)定性評價方法已迫在眉睫。在渠道斷面優(yōu)化方面，Paviz [1]提出用拉格朗日乘數(shù)法確定渠道最佳水力斷面，得出最佳坡度為3/3，但該坡度遠不能滿足土質渠道邊坡穩(wěn)定性的要求。針對小梯形渠道，陳平[2]提出了以渠道費用為目標函數(shù)的最優(yōu)坡度的確定方法。但是依靠襯砌厚度來滿足邊墻穩(wěn)定性的條件很難滿足大型渠道優(yōu)化設計的要求。此外，王俊發(fā)[3]、潘其來[4]建立了渠道最小費用優(yōu)化模型，張立兵[5]將遺傳算法應用于渠道斷面優(yōu)化。但是在優(yōu)化結果中都選擇了固定的坡度，沒有考慮坡度的影響。因此，有必要研究坡度對渠道斷面優(yōu)化的影響。以南水北調東線工程輸水渠道為例，從渠道坡度優(yōu)化和坡度影響下渠道斷面優(yōu)化兩個方面對大型渠道坡度優(yōu)化進行了探討。

2、大型渠道邊坡的優(yōu)化方法

根據(jù)大型渠道邊坡的變形特點，應從地質勘察與巖土工程試驗、邊坡穩(wěn)定性分析方法和抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)三個方面來探討渠道邊坡的優(yōu)化問題。

2.1大型渠道邊坡的特點

大型渠道邊坡具有以下特點： 其一，渠道邊坡規(guī)模大。其二，地質條件發(fā)生了很大變化。其三，渠道斷面的結構特征是多方面的。其四，渠坡高度一般小于10 m，但也有40 m 以上的坡度。其五，運河坡面成對分布。運河兩岸邊坡一般具有相同的特征，但有時也具有不同的特征。

2.2地質勘探與巖土工程試驗

在大型渠道地質勘察中，常見的問題是勘察工作量少，取樣量少。（1）抗剪強度參數(shù)離散性大，抗剪強度參數(shù)建議值過于保守，邊坡穩(wěn)定性評價結論過于保守。（2）勘探間距過大，經常漏掉軟弱夾層，導致相應的邊坡穩(wěn)定性評價不合理。因此，必須保證足夠的勘探工作量和足夠的土樣數(shù)量。為了避免保守的結果，反映了渠道坡度的優(yōu)化。

2.3大型渠道邊坡穩(wěn)定性分析的合理方法

大型渠道邊坡應根據(jù)坡度尺度、斷面結構特征和地質條件進行分段。在邊坡穩(wěn)定性評價中，應選擇一種自適應的邊坡穩(wěn)定性分析方法，并在必要時進行可靠度分析。適當考慮分期開挖和大板混凝土襯砌等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。對于地質條件差異較大的渠道兩側邊坡，應分別進行穩(wěn)定性評價。

2.4分期開挖對渠道開挖邊坡的影響

選用強度折減有限元分析模擬渠坡開挖過程，分析分期開挖對渠坡穩(wěn)定性的影響。通過對南水北調東線南干渠開挖段邊坡穩(wěn)定性分析，得出開挖邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.4，四次開挖邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.6。結果表明，開挖方式不僅影響渠坡的穩(wěn)定性，而且可以通過調整開挖順序來控制渠坡的穩(wěn)定性。

2.5大板混凝土襯砌的影響

南水北調工程渠道采用大板混凝土襯砌，有利于渠坡穩(wěn)定。采用極限平衡法和有限元強度折減法，分析了大板混凝土襯砌對渠道邊坡穩(wěn)定性的影響，得出以下結論。（1）對于全面大板混凝土襯砌渠道邊坡，大板混凝土襯砌具有壓邊效應、限制邊坡變形等功能，這些功能有利于渠道邊坡的穩(wěn)定。混凝土襯砌越厚，混凝土強度越高，壓力邊坡效應越強，對邊坡變形的制約也越大。以南水北調東線工程南干渠為例，對于 C30級和12cm 厚的大型板式混凝土襯砌，這些功能可以使抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)提高6.3%。

（2）大板混凝土襯砌僅位于濕潤斷面的較高的渠坡，大板混凝土襯砌對邊坡穩(wěn)定性的影響與水流斷面相對于整個渠段的比例有關。一般來說，它對渠道邊坡的抗滑穩(wěn)定性貢獻較小。對于 C30級和12cm 厚的大板混凝土襯砌，這些功能只能提高抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的1.7% 。

3、坡度影響下梯形渠道斷面優(yōu)化方法

3.1基本方法

考慮到坡度的影響，梯形渠道斷面優(yōu)化的基本方法是： （1）以渠道邊坡的臨界平衡狀態(tài)為基礎，確定渠道的最小允許坡度。（2）根據(jù)《灌溉排水工程設計規(guī)范》（GB50288-99） ，確定了梯形渠道的實用經濟斷面。（3）在梯形渠道實用經濟斷面的基礎上，考慮最小允許坡度，確定總造價最小的梯形渠道最佳斷面。

3.2允許極限狀態(tài)和允許極限邊坡

設計規(guī)范中規(guī)定的允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)考慮了一定的安全冗余性，使得滿足允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的邊坡不僅滿足邊坡穩(wěn)定性要求，而且滿足規(guī)范的規(guī)定。根據(jù)邊坡極限狀態(tài)的概念，在最危險的渠道邊坡條件下，當邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)等于允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時，邊坡處于允許極限狀態(tài)，相應的邊坡坡度稱為允許極限坡度。

3.3渠道最小允許坡度

如何確定最小允許坡度？首先，確定渠道邊坡的允許極限坡度。其次，邊坡坡度由滲流系數(shù)和抗凍脹材料系數(shù)確定。最后，根據(jù)上述兩個步驟確定渠道最小允許坡度。

3.4施工注意事項分析

首先，襯砌的適宜環(huán)境溫度在30℃以下，高于30℃時宜選擇在傍晚或夜間氣溫較低時進行施工或采用混凝土降溫措施。其次，襯砌機械化施工中嚴格按照工藝性試驗確定的振搗時間、工作速度等參數(shù)執(zhí)行，做到混凝土不過振、漏振或欠振，達到混凝土深層振搗和表面提漿的效果，利于混凝土抹面和整平。再次，襯砌施工中若發(fā)現(xiàn)襯砌后的板面上出現(xiàn)露石、蜂窩、麻面或橫向拉溝等現(xiàn)象，須停機檢查、修理或更換振搗設備，并對已澆筑的混凝土進行處理。初凝前的混凝土進行補振，初凝后的混凝土進行清除，并采取填補混凝土，重新振搗。最后，在混凝土初凝后開始進行灑水養(yǎng)護工作，混凝土終凝后采用毛氈布進行覆蓋并指派專人進行灑水養(yǎng)護，養(yǎng)護的時間或頻率為砼表面保持濕潤、無時干時濕現(xiàn)象，養(yǎng)護時間為28d。

3.5施工效果分析

結果表明，與實際經濟斷面相比，該優(yōu)化方案可節(jié)約總造價8.5% 。也就是說，雖然實際經濟斷面是最佳水力斷面和效用斷面的最佳結果，但采用固定的渠坡坡度未能保證其為最佳斷面。只有考慮受坡度影響的方法，才能得到最優(yōu)的渠道斷面。

結語：

針對引江濟淮大型渠道邊坡的特點，提出了渠道邊坡優(yōu)化的新方法： （1）充分的地質勘察和巖土工程試驗可以避免推薦過于保守的抗剪強度參數(shù)。（2）選擇合適的大型渠道邊坡穩(wěn)定性分析方法，考慮渠段開挖和大板混凝土襯砌對渠道邊坡穩(wěn)定性的影響，準確評價渠道邊坡的抗滑穩(wěn)定性。（3）通過控制渠道邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，實現(xiàn)渠道整體邊坡優(yōu)化。（4）以渠道最小允許坡度和實際經濟截面為基礎，提出了一種考慮邊坡穩(wěn)定性和費用最小的渠道坡度優(yōu)化方法。提出了渠道邊坡允許極限狀態(tài)和允許極限坡度的概念。

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