太河水庫輸水渠道防滲加固設(shè)計分析

劉宗國，劉 剛，劉長柱

(淄博市太河水庫管理中心，山東 淄博 255178)

1 工程概述

淄博市城鄉(xiāng)同源同網(wǎng)飲水安全供水工程建設(shè)(即“引太入張”)，“引太入張”供水工程包括輸水工程和配水工程2個部分，該工程自太河水庫總干渠首至灃水凈水廠全長31km。主要包括26.3km供水渠道、1.7km供水箱涵和3km供水管道3個部分，輸水工程是由建設(shè)于20世紀(jì)70年代的太河水庫總干渠工程改造而成，由于原渠道、渡槽等均為開敞式，無法保證飲水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，因此，為確保水質(zhì)安全，對總干渠進(jìn)行覆蓋、防滲，改造為封閉式輸水渠道，總干渠道覆蓋包括梁板覆蓋、彩鋼板覆蓋、砌拱覆蓋；渠道防滲包括渠墻噴C30混凝土和渠底澆筑C20混凝土。輸水工程自2009年8月開工建設(shè)，2011年6月工程竣工，設(shè)計供水規(guī)模10萬m3/d，供水保證率95%，工程總投資9666萬元，“引太入張”輸水工程于2011年7月全線通水運(yùn)行。

2 輸水渠道滲漏問題及分析

2.1 明渠

(1)裂縫及沉陷變形多。渠道混凝土底板裂縫較多，分布于全渠道上，大約上百條，橫向裂縫占大部分，一般橫貫底板，縫寬0.5～6.5mm不等，都有滲漏水現(xiàn)象；縱向縫較少，檢測中發(fā)現(xiàn)的一條較嚴(yán)重的底板縱縫長度約1000m，位置在坡子溝2號涵洞出口至閆下東渡槽進(jìn)口處(樁號為21+027.99～22+054.16)，該縫寬度為2.0～5.1mm，位置基本在渠道中心，有時偏左。現(xiàn)場檢測渠道混凝土底板碳化深度為10.3～25.1mm。渠道底板上預(yù)留的沉陷縫較多，一般每10～20m渠段就有一條，絕大部分都沒有做止水處理，個別發(fā)展的縫隙過寬，漏水嚴(yán)重。總干渠段墻體裂縫大約數(shù)十條至上百條，以豎向(梯形)裂縫為主，水平裂縫較少，縫寬8.0～36mm。裂縫的主要原因是渠下地基不均勻沉陷，有的部位渠墻已經(jīng)拉開，形成斷裂縫。檢測中發(fā)現(xiàn)墻體沉陷、裂縫較嚴(yán)重的渠道有：黑旺渠段(樁號11+690～12+200)；南術(shù)西渠段(樁號19+420附近，墻體沉陷、裂縫4處，長約25m)；閆下東渠段(樁號為21+027.99～22+054.16，側(cè)墻有4條豎向斷裂縫)。

(2)砂漿強(qiáng)度、碳化及剝蝕?，F(xiàn)場檢測，砂漿的碳化深度為8.1～27.2mm，勾縫砂漿強(qiáng)度推定值為3.01～24.8MPa，大多數(shù)滿足設(shè)計要求，局部不滿足；砌筑砂漿強(qiáng)度推定值為0.37～6.65MPa，大多數(shù)不滿足設(shè)計要求，主要原因是當(dāng)初的砌筑砂漿多數(shù)都是混合砂漿(石灰、黏土混合砂漿)，水泥砂漿主要用在渠墻表層和勾縫上(由檢測的斷面也可看出)。底板有明顯的沖磨剝蝕現(xiàn)象，局部成片剝蝕脫落，石子外露，有的形成沖坑、洞穴，深度約50mm。兩側(cè)渠墻砌石砂漿上部剝蝕較輕微，水位變化區(qū)凍融、剝蝕較嚴(yán)重，有的渠段砂漿連片脫落，局部砂漿被淘空，塊石間形成較大縫隙并且漏水嚴(yán)重。

(3)滲漏、溶蝕。渠道為漿砌石結(jié)構(gòu)，因滲漏而引發(fā)的凍融、溶蝕現(xiàn)象較普遍，局部比較嚴(yán)重。砌筑砂漿幾乎不防滲，一些砂漿剝蝕脫落部位漏水更加嚴(yán)重。

(4)泥沙淤積。渠道內(nèi)部有泥沙淤積，塊石、碎石堆積現(xiàn)象，局部較嚴(yán)重，泥沙污物淤積多發(fā)生在寬為7.0m的渠段，塊石、碎石堆積多發(fā)生在寬為4.0m的渠段。

(5)陡坡危巖。渠道局部挖方較大，有的地方巖石高聳林立，犬牙交錯且有較大的裂隙等，形成危巖，威脅渠道的安全。

(6)污染及其他。渠道內(nèi)經(jīng)?？吹讲簧俚霓r(nóng)藥容器、化肥包裝袋、秸稈、生活垃圾等廢棄物，臨近生活區(qū)的渠段有生活污水或工業(yè)廢水排(滲)入渠內(nèi)，嚴(yán)重威脅正常的供水安全。

2.2 渡槽

8座鋼筋混凝土渡槽多數(shù)槽身保護(hù)層厚度不均，內(nèi)外均有鋼筋出露；槽身上部欄桿老化缺失嚴(yán)重，檢修橋、橫梁等老化剝蝕、脫落嚴(yán)重，局部多處鋼筋暴露且嚴(yán)重銹蝕，順筋裂縫較普遍；水位變化區(qū)內(nèi)局部有混凝土沖磨剝落、脹裂縫和溶蝕現(xiàn)象；墩臺及砌石砂漿均有不同程度的凍融、溶蝕現(xiàn)象。

16座砌石渡槽大多數(shù)槽身及伸縮縫滲漏嚴(yán)重，拱圈有較嚴(yán)重的滲漏溶蝕現(xiàn)象，拱頂有斷裂縫，勾縫砂漿局部剝蝕、脫落，墩臺及支墩勾縫砂漿均有不同程度的凍融、溶蝕現(xiàn)象，孔底淤堵，影響汛期行洪等問題。

2.3 石洞

7座石洞大部分底板局部有沖磨剝蝕，石子外露；洞內(nèi)混凝土預(yù)制塊襯砌拱頂滲漏溶蝕普遍較嚴(yán)重；洞內(nèi)頂部一部分未支護(hù)，圍巖裸露，巖體節(jié)理裂隙非常發(fā)育，有的局部破碎；洞內(nèi)有碎石、泥沙連片堆積；兩側(cè)墻體砌石砂漿剝蝕，水位變化區(qū)局部剝蝕較嚴(yán)重；6#石洞底板有涌泉現(xiàn)象。

2.4 土洞

大部分土洞底板表面有沖磨剝蝕現(xiàn)象；洞內(nèi)混凝土預(yù)制塊襯砌拱頂滲漏溶蝕較普遍，局部滲漏溶蝕嚴(yán)重；兩側(cè)墻體砌石砂漿有剝蝕，水位變化區(qū)局部剝蝕嚴(yán)重，墻體局部滲水較嚴(yán)重。

3 干渠防滲加固設(shè)計

3.1 防滲方案比選

總干渠現(xiàn)狀為漿砌石結(jié)構(gòu)，小流量長期不間斷供水時會產(chǎn)生較大的滲漏損失，還會對渠道產(chǎn)生凍害，影響使用。本次設(shè)計對總干渠明渠進(jìn)行全線防滲處理。

本次設(shè)計對剩余2.08km未護(hù)砌段(樁號23+300～25+284和26+087～26+188)渠底進(jìn)行防滲處理。另外已處理段局部破損嚴(yán)重，設(shè)計對破壞段渠底拆除重建，總長2.37km。渠底設(shè)計防滲處理總長4.45km。借鑒已建工程經(jīng)驗，采用處理措施為現(xiàn)澆砼防滲，厚15cm。對渠墻全線采用噴射砼防滲，根據(jù)規(guī)范，厚度取6cm。砼標(biāo)號均選用C30，抗凍標(biāo)號F150。結(jié)合原渠墻分縫間距，渠底和渠墻防滲每10m設(shè)一道伸縮縫，縫寬為2cm，縫內(nèi)填閉孔型聚乙烯泡沫塑料板，表層采用HBPU深勾縫。由于渠墻噴射砼厚度較薄，為了提高砼的抗裂性能，減少噴射砼的回彈量，在砼中摻入外加劑防水，選擇聚丙烯腈和凱盾KIM水泥基2種材料進(jìn)行比選。

方案一：聚丙烯腈纖維方案，每立方砼中摻入量為1.5kg。每立方砼造價750元。主要優(yōu)點：較好的抗裂、阻裂性能；較好的抗沖擊性能；較好的耐磨、耐腐蝕性能；較好的抗?jié)B、耐腐蝕性能；較好的抗疲勞和抗碎裂性能；可顯著降低回彈量。主要缺點：抗?jié)B性能較KIM水泥基稍差。

方案二：凱盾KIM水泥基，每立方摻入量7kg。每立方砼造價970元。主要優(yōu)點：KIM有獨(dú)特的自行愈合細(xì)微裂縫的能力，能在混凝土壽命期任何時間內(nèi)生長晶體；KIM能減少收縮開裂和養(yǎng)護(hù)階段的開裂，提高混凝土的質(zhì)量和壽命；KIM高質(zhì)量的引氣性能可以降低水價熱脹冷縮造成的影響，提高混凝土的耐久性。主要缺點：造價高。

經(jīng)綜合比較，2種材料都能顯著提高砼的抗裂、抗?jié)B性能，但凱盾KIM水泥基具有自愈合功能，安全度更高，價格雖然較高，但對渡槽、土洞、管道進(jìn)水池等滲漏要求嚴(yán)格部位更為安全可靠，對一般渠段，聚丙烯腈纖維能夠滿足抗?jié)B要求。噴射混凝土采用濕噴方案，參考配合比為水泥：砂：石=1∶2∶2。因此本次設(shè)計分2種情況摻入外加劑：對一般渠段選用聚丙烯腈外加劑，每立方摻入量1.5kg；對渡槽、土洞、進(jìn)水池?fù)饺雱P盾KIM水泥基，每立方摻入量7kg。施工時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實驗確定有關(guān)參數(shù)。

3.2 防滲高度

根據(jù)水庫歷年供水運(yùn)行記錄，總干渠最大供水量為10m3/s。因此渠道設(shè)計防滲高度按10m3/s流量的水面線推求結(jié)果并結(jié)合施工綜合確定。

水面線推算按能量公式進(jìn)行：

(1)

采用分段試算法由下游至上游逐段推算水位。渠墻糙率取0.02；渠底糙率取0.017。根據(jù)水面線計算結(jié)果，對于一般渠段預(yù)留超高0.3m，對于渡槽前較小范圍壅水不考慮超高。考慮施工方便因素，確定防滲高度一般為2m，局部渠段為2.3m。經(jīng)復(fù)核，設(shè)計防滲高度的最大過流量可達(dá)11.6m3/s。

3.3 覆蓋設(shè)計

總干渠明渠現(xiàn)狀長度17.33km，其中寬度為4m的渠道長2.71km，寬度為7m的渠道長12.33km。已覆蓋總長為2293m，本次新覆蓋長度15.04m。

3.3.1方案比選

由于總干渠主要處于山丘區(qū)，彎道較多，沿途又經(jīng)過許多村莊廠礦，地形復(fù)雜，結(jié)合寬度為7.0與4.0m渠道的實際地形，吸收已建工程經(jīng)驗，選擇SP預(yù)應(yīng)力空心板、普通預(yù)應(yīng)力空心板配梁、實心板配梁、砌拱等4種覆蓋方案進(jìn)行深入比選。同時鑒于寬度為7m的渠道較長，且為覆蓋量的主體，因此比選時以寬度為7.0m的渠道為主。方案比選詳見表1。

表1 覆蓋方案比選表

本工程絕大部分位于山丘區(qū)，運(yùn)輸困難。采用梁板結(jié)構(gòu)的覆蓋形式不僅可以避免覆蓋后車輛通行的隱患，而且可以防止沿線村民在蓋板上大面積堆積雜物，有利于運(yùn)行管理。經(jīng)綜合考慮推薦方案二，即寬度為7m的渠道采用普通預(yù)應(yīng)力砼空心板配梁覆蓋形式，寬4m渠道只選用預(yù)應(yīng)力空心板，便于與寬度為7m的渠道統(tǒng)一施工。同時考慮局部山谷渠段運(yùn)輸困難，推薦采用砌拱覆蓋。

3.3.2覆蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

渠道覆蓋采用厚度為120mm的預(yù)應(yīng)力空心板，板寬0.5m、長4.5m。兩側(cè)渠頂采用1∶2水泥砂漿找平。為增加蓋板整體性，同時為增加保溫效果，板頂加厚度為40mm的C25細(xì)石砼。對于寬度為7m的渠道每隔4.8m設(shè)置倒T型梁支承空心板。對于寬度為4m的渠道，為防止車輛上渠，每隔20m設(shè)一道隔梁。對于村莊段，為防止車輛上板，采用梁板覆蓋的同時，沿渠墻兩側(cè)縱向設(shè)置高度為0.4m的磚砌隔墻。寬度為7m的渠道覆蓋典型斷面如圖1所示，寬度為4m的渠道典型斷面如圖2所示。

圖1 寬度為7m的渠道覆蓋典型斷面(單位：mm)

圖2 寬度為4m的渠道覆蓋典型斷面(單位：mm)

對于山谷段渠道，為防止兩側(cè)土體滑坡，山谷段直接采用拱形覆蓋。拱圈采用砼塊砌筑，高跨比1∶3。鑒于原渠墻上部砌筑質(zhì)量一般，為防止拱圈太高，設(shè)計將原有渠墻拆除1m后砌拱。寬度為4m的渠道砌拱位于勝利土洞和英雄土洞之間(樁號11+028.89～11+060.26)，全長31.37m，寬度為7m的渠道砌拱位于南術(shù)西土洞進(jìn)口(樁號18+900～18+990)，全長90m。砌拱段渠道覆蓋典型斷面如圖3所示。

圖3 寬度為7m的渠道砌拱典型斷面(單位：mm)

為保證渠道檢修需求，沿線設(shè)置檢修孔60個，間距500m，在建筑物前后加密。

4 結(jié)語

太河水庫輸水渠道防滲加固完成后，運(yùn)行10a來的情況數(shù)據(jù)顯示，每年渠道輸水滲水損失約占渠道輸水年總損失量的8%～10%，符合設(shè)計要求。實踐證明，輸水渠道防滲加固方案經(jīng)濟(jì)可行。同時，運(yùn)行管理單位應(yīng)建立三班巡視檢查制度。各管理所(站)每天都要對管理范圍內(nèi)的工程進(jìn)行巡視檢查，農(nóng)灌期間要增加巡視次數(shù)，在關(guān)鍵地段應(yīng)設(shè)專人看守。為了確保供水系統(tǒng)的合理調(diào)度，保證水質(zhì)、水量、水壓達(dá)到設(shè)計要求，提高供水的可靠性和管理水平，供水工程應(yīng)建立自動化控制系統(tǒng)，分級設(shè)置、分級控制和中央控制相結(jié)合。在太河水庫管理局設(shè)立總控制室，在各管道進(jìn)口管理站分別設(shè)立分控室。在渠道及管道沿線布置監(jiān)測站點等構(gòu)筑物或關(guān)鍵地點設(shè)置自動遙測設(shè)備，實現(xiàn)單項構(gòu)筑物的自動控制，自動檢測各點的運(yùn)行情況，定時打印所有檢測參數(shù)，并具備超限報警、數(shù)據(jù)分析等功能，實現(xiàn)整個供水系統(tǒng)的全自動運(yùn)行調(diào)度。