鉸接式潛隙排水模袋研究

孫亞東，周繼元

（吉林省水利科學(xué)研究院，吉林長春130022）

鉸接式潛隙排水模袋研究

孫亞東，周繼元

（吉林省水利科學(xué)研究院，吉林長春130022）

鉸接式潛隙排水模袋的研究，主要是為了解決吉林省季節(jié)性凍土區(qū)外滲水邊坡渠道護(hù)砌結(jié)構(gòu)的凍脹問題。文中經(jīng)過大量的理論研究與室內(nèi)試驗，利用結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究思路提出了適應(yīng)滲水、凍脹邊坡防護(hù)新結(jié)構(gòu)——鉸接式潛隙排水模袋防護(hù)結(jié)構(gòu)。并經(jīng)過試驗工程驗證了其是一種適用于季節(jié)凍土區(qū)外滲水邊坡防護(hù)的新型結(jié)構(gòu)，具有推廣價值。

外滲水渠道；護(hù)砌；鉸接；排水；潛隙；模袋混凝土

1 概 況

吉林省地處季節(jié)性凍土區(qū)，一直以來渠道防護(hù)結(jié)構(gòu)研究均圍繞著提高結(jié)構(gòu)的抗凍脹性能，基本上以“截”為主，抵抗或阻止延緩凍結(jié)來解決渠道凍脹問題，而對于外滲水的情況考慮不足。事實上，在季節(jié)凍土區(qū)的濕滲性渠道凍脹量較大，但積累性凍結(jié)不強。而地下水位較高的外滲水渠道，其積累性凍結(jié)則大幅地提高了渠道的凍脹量，從而加大了凍脹力對渠道的破壞，進(jìn)而也加速了渠道防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)程。因此簡單地考慮凍脹而不重視濕滲與外滲水對渠道防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，則會造成工程安全度的不足，最終導(dǎo)致工程遭到破壞。

2 吉林省渠道運行現(xiàn)狀

目前，吉林省較為常用的渠道凍脹防護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)有：預(yù)制鉸鏈?zhǔn)交炷翂K、預(yù)制及現(xiàn)澆素混凝土板塊、土工格室結(jié)構(gòu)、預(yù)制及現(xiàn)澆PP纖維混凝土板塊、濾透型結(jié)構(gòu)以及機制模袋混凝土結(jié)構(gòu)等。上述防護(hù)結(jié)構(gòu)相對于干性、潮濕渠道防護(hù)較為成功，尤其適用于吉林省中小型無滲水的低邊坡輸水渠道。但對于那些冬季存水、有外滲水情況的渠道邊坡，即使是中小型挖方渠道，也經(jīng)常性地出現(xiàn)渠道防護(hù)結(jié)構(gòu)脫坡、滑落、鼓脹、搭架、斷裂破壞的情況，這類工程常常呈現(xiàn)出“一年新、二年舊、三年脫、四年破”的狀態(tài)，成為修不完的渠道防護(hù)工程。

3 外滲水邊坡護(hù)砌結(jié)構(gòu)破壞原因分析

經(jīng)過對吉林省多處灌區(qū)外滲水邊坡情況調(diào)查研究分析后發(fā)現(xiàn)，其渠系護(hù)砌結(jié)構(gòu)破壞的主要成因：

1）由于結(jié)構(gòu)排水不暢，滲水難以順利排出，積壓水造成邊坡水頭壓力上升，隨著壓力增大，造成護(hù)砌結(jié)構(gòu)起鼓破壞、積水排出、壓力釋放。

2）外滲水不斷對邊坡進(jìn)行侵蝕，致使邊坡凹凸不平，護(hù)砌結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)破壞，最終導(dǎo)致護(hù)砌結(jié)構(gòu)斷裂或脫坡。

3）冬季滲水逐漸結(jié)冰，隨著凍脹量增加，輕則使護(hù)砌結(jié)構(gòu)凍脹起鼓，產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重時護(hù)砌板塊折斷，部分或整體下滑，形成脫坡。

4 鉸接式潛隙排水模袋

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，認(rèn)為以“截”為主，即增加結(jié)構(gòu)剛度、強度與重量抵抗?jié)B透壓力的護(hù)砌結(jié)構(gòu)造價過高，且浪費材料，與現(xiàn)在提倡的環(huán)保理念相違背。因此，提出了以“順”為主的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，使護(hù)砌結(jié)構(gòu)自身具有排水減壓并適應(yīng)變形的功能，將滲透水順出，結(jié)構(gòu)自身能夠耦合凍脹變形過程，利用結(jié)構(gòu)創(chuàng)新思研究思路提出了適應(yīng)滲水、凍脹邊坡防護(hù)新結(jié)構(gòu)——鉸接式潛隙排水模袋防護(hù)結(jié)構(gòu)。下文主要從模袋機理、施工工藝、耐久性3個方面開展研究。

4.1 潛隙排水模袋機理

模袋的作用實質(zhì)上是工程臨時性的平面凹凸?fàn)钅＞撸芯恐饕且鉀Q在模袋縫制過程中鉸接與排水問題。經(jīng)過反復(fù)研究模袋結(jié)構(gòu)的形成過程，最終選擇在模袋的縫制過程中改進(jìn)縫制方法，實現(xiàn)模袋排水與鉸接的有效結(jié)合。因此，在模袋縫制程序中增加了排水的結(jié)構(gòu)縫制技術(shù)，確保模袋排水通道相互聯(lián)通，土體滲水由邊坡向排水通道方向滲入，通道內(nèi)集結(jié)的滲水沿排水通道排出，由于機制模袋材料的縫制封閉作用，滲水不會向排水通道外側(cè)滲出。模袋排水通道可及時將坡面滲水排出，減少了岸坡外滲水處局部滲壓與積累凍結(jié)、積累凍脹量過大對邊坡護(hù)砌影響嚴(yán)重的問題。削弱了坡面局部的積累與凍結(jié)，促使模袋下坡體凍結(jié)相對均勻。因此，保證了模袋結(jié)構(gòu)不會因為坡體產(chǎn)生積累凍結(jié)而發(fā)生大范圍的結(jié)構(gòu)斷裂。

4.1.1 排水系統(tǒng)

潛隙排水模袋的排水系統(tǒng)組成：矩形分布線性排水網(wǎng)絡(luò)是由平坡順向兩個方向的排水通道組成，即沿岸坡的橫、縱兩個方向均縫制形成潛隙排水通道。平坡向潛隙排水通道的作用是攔截坡外滲水，然后滲水沿平坡向通道流動，在與順坡向潛隙排水通道交匯處匯入順坡向潛隙排水通道中，最后滲水在與渠道水接觸處排入渠道。

潛隙排水模袋的縫制過程采用疊縫法預(yù)留出排水通道，雖然增加了部分縫制程序，但實現(xiàn)了模袋自身的排水通道，潛隙排水模袋混凝土結(jié)構(gòu)如圖1所示，模袋潛隙排水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 潛隙排水模袋混凝土結(jié)構(gòu)

4.1.2 鉸接系統(tǒng)

圖2 模袋潛隙排水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在不影響施工進(jìn)度與難度情況下實現(xiàn)潛隙排水模袋鉸接結(jié)構(gòu)的核心與關(guān)鍵問題是：利用模袋施工通道形成鉸接系統(tǒng)，當(dāng)然鉸接結(jié)構(gòu)形成后也不能影響到排水系統(tǒng)。鉸接結(jié)構(gòu)設(shè)置在橫向排水通道與施工通道交接點，連接材料可以是預(yù)埋的各種塑性線材，按照模袋鉸的作用也可以不埋設(shè)，若埋設(shè)則成為一種連接性可承受相對轉(zhuǎn)角的塑性鉸鏈。

4.2 模袋施工技術(shù)

機械化施工程度高是模袋施工的一大特點，通過泵灌充填材料完成模袋施工。材料由泵灌填充到模袋內(nèi)，連通結(jié)構(gòu)使模袋充盈，完成模袋護(hù)坡施工。鉸接體系是為增加模袋變形能力而設(shè)置的，但因為施工難度大難以在大范圍內(nèi)推廣使用。另外，鉸接體系的連接有助于加強模袋的整體性，膜袋中尼龍繩連接只是控制施工期模袋塊體間相對位置，若模袋整體保持穩(wěn)定，這個鉸鏈體系對模袋運行也無實際意義。隨時間推移，模袋連接尼龍繩會逐漸老化、失效。

常規(guī)鉸接式模袋的最大問題就是模袋結(jié)構(gòu)在中間截斷，通過鉸接模袋鉸接結(jié)構(gòu)的功能分析，得出要想使模袋結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的邊坡防護(hù)功能，模袋制作要“一通到底”，絕對不能在中間截斷，該技術(shù)使施工速度不受模袋鉸接體系的影響，既不增加模袋施工難度，影響施工質(zhì)量，也不降低施工速度。

4.3 潛隙排水模袋耐久性

模袋結(jié)構(gòu)特點決定模袋塊體自身穩(wěn)定效果較好，其陷入部分大幅提高了結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定效果。因此，只要填充材料保證自身的耐久性，模袋結(jié)構(gòu)也就具有了相應(yīng)的耐久性。灌注材料性能研究如下。

4.3.1 高耐久模袋混凝土充填材料試驗

模袋混凝土要求具有較好的和易性，較高的流動性，在灌注的過程中不泌水，具有較高的強度與高抗凍融性能。為了項目取得最好的效果，進(jìn)行了一系列試驗，要求灌注混凝土具有較好的流動性與抗凍性能。試驗結(jié)果見表1。

表1 模袋充填材料抗凍融試驗

從表1可以看出，模袋填充混凝土可以達(dá)到F300以上抗凍指標(biāo)。在實際工程中，由于模袋體材料對混凝土表面的排水作用，混凝土表面的水灰比實際上要比試驗室的小一些，因此充填混凝土的抗凍指標(biāo)效果會更好一些。

4.3.2 高性能低成本模袋混凝土充填材料試驗

已有研究表明，摻加高品質(zhì)粉煤灰的混凝土比空白混凝土性能更好。粉煤灰用作混凝土的摻合料不僅可以節(jié)約水泥，更能夠改善混凝土的施工性能。在混凝土中摻入粉煤灰可以明顯改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰和塑化、減水、引氣等外加劑后，混凝土氣體滲透系數(shù)明顯降低，流動性明顯提高，適當(dāng)?shù)耐饧觿┡c添加材料可改善混凝土的和易性、降低溫升，提高混凝土的后期強度，提高混凝土的抗?jié)B性、抗凍性等。并能大幅降低混凝土模袋工程的造價。試驗結(jié)果見表2。

表2 模袋充填材料抗凍融試驗

從表2中可以看出，粉煤灰添加量達(dá)到膠凝材料用量30%時，混凝土抗凍指標(biāo)達(dá)到了F200。

5 應(yīng) 用

為了檢驗研究的理論成果及室內(nèi)試驗效果，在哈達(dá)山灌區(qū)輸水干渠結(jié)構(gòu)試驗段開展了結(jié)構(gòu)與材料試驗，試驗區(qū)試驗面積約500 m2。試驗區(qū)基本情況如下：試驗區(qū)位于哈達(dá)山輸水干渠中段，垂直坡面水面長約40 m，最大水深3.5 m，渠段長50 m，渠道挖深13 m，渠道底寬26 m。地下水埋深約4 m，地下水位高出渠底最大深度達(dá)6.5 m，平均3.5 m。渠床為黃土狀粉細(xì)砂壤土，為強凍脹土。坡面護(hù)砌長15 m，觀測點設(shè)定為間隔1.5 m。觀測當(dāng)年最大凍深：陰坡200 cm，陽坡158 cm。觀測區(qū)域內(nèi)最大凍脹量為35.6 cm。觀測現(xiàn)場最大凍脹量為28.4 cm。

為了驗證潛隙排水模袋的抗凍脹效果，在試驗段旁設(shè)置了常規(guī)機制模袋試驗段。同時施工，同樣材料。試驗觀測期從2008年11月至2009年5月。

通過長達(dá)半年的觀測，發(fā)現(xiàn)鉸常規(guī)機制模袋的最大凍脹量比潛隙排水模袋最大凍脹量大約10 cm，并且在陰坡常規(guī)機制模袋區(qū)域內(nèi)有地下水溢出點，而潛隙排水模袋區(qū)未發(fā)現(xiàn)有地下水溢出。在2009年7月常規(guī)機制模袋區(qū)發(fā)現(xiàn)了較長的45°斷裂，后期又出現(xiàn)了沿不同方向的較長裂縫，而潛隙排水模袋直至2011年3月現(xiàn)場踏查仍保持結(jié)構(gòu)完整狀態(tài)。

6 結(jié) 語

潛隙排水模袋的研究歷時3年，經(jīng)過大量的理論研究與室內(nèi)試驗，最終又經(jīng)過多處試驗工程的檢驗，驗證了其線性潛隙排水網(wǎng)絡(luò)可有效地將邊坡外滲水疏導(dǎo)排出，減少了岸坡外滲水處局部滲壓與累積凍結(jié)，尤其解決了冬季產(chǎn)生的累積凍脹量過大、對邊坡護(hù)砌影響嚴(yán)重的難題。有效削弱了坡面局部積累凍結(jié)，促使模袋下坡體凍結(jié)相對均勻，保證了模袋結(jié)構(gòu)不會因為坡體產(chǎn)生積累凍結(jié)而發(fā)生大范圍的結(jié)構(gòu)斷裂。證明了它是一種新型的偏柔性具有自身排水功能的，是適用于季節(jié)凍土區(qū)外滲水邊坡防護(hù)的新型結(jié)構(gòu)，具有推廣價值。

S276

A

1002－0624（2016）12－0041－03

吉林省2009年科技支撐計劃（現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域）項目（項目編號：20090256）

2016-02-20