基于渠道衬砌设计中的相关问题探索与研究.doc

1、1基于渠道衬砌设计中的相关问题探索与研究摘要：本文主要对膨胀土渠道衬砌的稳定性与变形机理进行概述，然后详细的分析了含水量控制、缓冲层设置、护坡处理效果、设计方法。可与同行共同探讨。 关键词： 膨胀土渠道； 衬砌结构； 设计； 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 前言 采用单纯的隔水材料 (如土工膜 )作膨胀土渠道防渗处理时, 并不能完全控制混凝土衬砌下土体含水量的变化。土体结合水在毛细作用下, 在隔水材料底面附近聚集, 引发土体含水量升高和胀缩变形, 并可能导致混凝土衬砌开裂和土体强度降低。采用一定厚度的缓冲保护层处理后, 可以有效地控制膨胀土含水量的变化, 均匀下部土体对混凝土

2、衬砌的作用力和变形。由于缓冲层的隔水作用和膨胀土的非饱和特性, 在设置缓冲层后, 可以不再考虑其它防渗和排水措施, 从而大大降低工程投资。 一、膨胀土渠道的安全问题分析 膨胀土渠道的安全问题源于土体的胀缩变形, 胀缩变形的起因在于土体含水量发生变化。因此, 膨胀土渠坡的处理措施均与限制土体含水量变化有关。以一级马道为界, 渠道上下不同部位的安全标准不同。一级马道以上渠坡的设计标准主要是保证边坡不产生滑动和防止雨水冲刷; 一级马道以下, 渠道一般采用混凝土薄板衬砌, 渠坡及渠底设计标准主2要是保证边坡不产生滑动和控制变形在允许范围内。为满足绿色环保的要求, 非过水断面部分一般不作混凝土衬砌。按此

3、思路, 目前膨胀土渠道的工程处理措施可归纳为以下几种:( 1) 用于一级马道以下部分的混凝土衬砌加防渗封闭措施, 防渗材料包括催化沥青、土工膜等;( 2) 用于一级马道以下部分的混凝土衬砌加缓冲保护层措施, 即在混凝土薄板下置换一定厚度的非膨胀土或改性土;( 3) 用于一级马道以上部分的护坡加地面排水措施, 设计常用的护坡措施包括干砌石护坡、砌石联拱、混凝土六方块护坡、土工格栅等;( 4) 用于马道及坡顶的隔水防渗措施。二、防渗封闭措施分析 基于膨胀土因含水量变化而产生膨胀力、膨胀变形和强度衰减, 防渗封闭的思路就是通过防水材料隔绝膨胀土与外界的水分交换。工程实际中主要有三种做法: 一是在浇筑

4、混凝土衬砌以前保持膨胀土较高的含水量, 防止其施工期失水开裂、运行期吸水膨胀; 二是在开挖后迅速喷护一层催化沥青 (或砂浆 ), 再进行衬砌; 三是在混凝土衬砌下方铺设土工膜。膨胀土中地下水的赋存形式及运移方式对渠道衬砌设计思路有着十分重要的影响。膨胀土中的地下水有两种赋存形式: 一是存在于裂隙中的重力水, 野外观察揭示真正存在重力水运动现象的裂隙不足裂隙总数的十分之一, 其总体透水性微弱, 连通性差, 而且主要分布在浅部, 以上层滞水的形式存在; 二是结合水, 它在吸力及毛细作用下发生运移, 对膨胀土强度产生普遍意义的主要是结合水。由于渠道地基膨胀土中的地下水几乎是不可能排出的, 因此衬砌结

5、构设计时应防止地下水在混凝3土薄板下聚集。这种聚集现象虽然在非膨胀土中也会发生, 但它所引起的非膨胀土体强度的降低却要比膨胀土小得多, 这一特点将大大限制单纯封闭措施在渠坡上的广泛应用。室内外试验及地下水动态观测均揭示土体渗透性微弱, 除了浅部在裂隙中存在重力水、局部形成上层滞水外, 土体总体呈非饱和状态, 并使它具有三个重要水文地质性质: 隔水性、地下排水效果差、地下水扬压力微弱, 因此, 在混凝土衬砌断面采取排水处理的意义不大。然而, 在坡顶、马道等部位采用土工膜等防止雨水入渗仍有积极作用, 在过水断面以上靠近原始地面附近采取地下排水措施有一定效果。对于工程规模不大或重要性相对较小的次级渠

6、道, 可以采取保湿措施有条件地在渠底使用“混凝土薄板+ 土工膜 ”的结构型式。以往的膨胀土地区渠道建设经验显示, 渠坡顶部的混凝土衬砌最容易发生与基土脱开的现象, 使地表水轻易进入脱开的缝隙中, 而使土体膨胀变形、混凝土衬砌断裂, 因此, 在坡顶采取结构措施确保防渗效果是必须的。只要混凝土薄板与基土不脱开, 就可以不考虑大气影响带以下板下地下水扬压力的作用。 三、缓冲保护层措施分析 目前工程应用较为成功的缓冲保护层主要有两种: 一是天然的非膨胀土, 包括粉质粘土、壤土、符合防渗要求的砾质土等; 二是经过改性处理的石灰土、水泥土等。渠道衬砌形式主要有两种: 一是 “土衬砌”, 即在渠道超挖置换缓

7、冲保护层后, 不作混凝土薄板衬砌;二是“混凝土薄板+ 缓冲保护层” 。缓冲层的作用体现在三个方面: 一是减少大气环境与内部膨胀土之间的水分交换。原型观测揭示, 膨胀土含水量发生显著变4化的深度在 2 m 左右, 且变化幅度从地表向下呈现指数衰减的特点, 在设置一定厚度的缓冲层后, 地基膨胀土因含水量变化而产生的膨胀力和膨胀变形总量将会得到大幅度削减; 二是吸收部分膨胀土产生的膨胀力和变形, 并在一定程度上使之均匀化; 三是控制内部膨胀土因含水量变化而发生周期性的膨胀开裂, 使土体保持较高的强度。 四、缓冲方案的衬砌结构分析 采用缓冲保护层是处理膨胀土边坡较为理想的一种方法。目前工程设计中需要研

8、究之处主要在于缓冲层之外还要不要采取隔水和排水措施。由于缓冲层自身具有微弱的透水性, 采用土工膜防止渠水入渗的意义不大。无论是在膨胀土还是缓冲层, 地下水均主要以结合水的形式存在, 不具可排性, 设置地下排水措施不可能排出土体中的地下水, 相反地下排水系统可能成为储存入渗渠水的空间, 并引发周边土体含水量发生变化, 产生得不偿失的结果。在膨胀土渠道设计方案中, 排水层一般均布置在土工膜下、缓冲层上，其真正能排出的水也只能是透过混凝土衬砌板和土工膜进入坡内的渠水, 对排泄膨胀土地下水没有任何作用。从已建工程的经验看, 采用缓冲层处理后, 渠道运行良好。因此, 采用缓冲保护方案时, 不需要再设置土

9、工膜防渗和地下排水系统, 从而大大简化衬砌结构, 加快渠道衬砌施工速度。然而, 对于半挖半填或浅挖方渠道, 渠坡土体可能已经处于大气影响带范围内。在此情况下, 可通过渠肩的防渗封闭处理, 减少雨水的入渗补给, 逐步降低土体含水量, 提高土体强度。 五、护坡加地面排水措施分析 5在一级马道以上, 由于没有变形控制要求, 边坡防护一般采用护坡加坡面排水的措施。从理论及实践经验看, 一级马道以上渠坡的土体受大气环境影响频繁而剧烈, 胀缩变形强烈, 土体强度随时间衰减明显, 采用轻型护坡 (如干砌石、混凝土六方块 ) 效果不佳, 一般在 1 2 年内就会出现严重的变形和滑坡, 或因护坡下土体被掏空而出

10、现坍塌。砌石联拱具有一定的深层支护作用, 且具有较好的地面排水和防冲刷作用, 近几年在膨胀土边坡工程中得到大量应用。从施工条件、大气影响深度、经济性等角度考虑, 联拱主骨架嵌入深度宜取 0. 6 m 左右, 次骨架宜取 0. 4 0. 5 m, 拱圈表面设排水槽, 拱内裸土植草防护。 六、结语 膨胀土渠道涉水部分由于减糙、稳定、变形等要求, 结构往往比较复杂, 衬砌结构不但设计难度大, 而且对工期、投资影响也很大。渠道运行安全要求高, 使渠道膨胀土问题成为中线工程最主要的工程地质问题, 膨胀土渠道设计与施工成为工程最关注的难点之一。本文以上谈了谈自己的一些观点和看法，可供参考。 参考文献: 1 刘特洪. 工程建设中的膨胀土问题 M . 北京: 中国建筑工业出版社, 1997. 2 蔡耀军, 赵?, 阳云华. 输水工程膨胀土渠坡稳定性及力学参数研究 J. 资源环境与工程, 2006