（水利工程专业论文）南水北调东线渠道工程防渗衬砌结构应用研究.pdf

山东大掌z u 3 1 士学位论文 摘要 南水北调工程是世界上最大的调水工程，以长距离输水为主要特点。东线工程 在山东境内分为南北、东西两条输水干线，形成“t ”字形输水大动脉。济平干渠 工程是东西干线胶东输水干线的首段工程。渠道作为远距离调水工程的载体， 在防渗衬砌型式方面，我国多为人工施工为主的板膜结构防渗衬砌型式，人工施工 存在着混凝土强度及性能均不高的问题。随着我国经济的发展，在施工技术方面， 我国现己开始改变人工施工的局面，逐渐向机械化施工方向迈进，但在适应机械化 施工的防渗衬砌型式的研究尚处于探索阶段。 本研究根据济平干渠工程的特点，对渠道防渗漏、防冻胀、防扬压、防湿陷等 综合技术进行深入研究，并以此为基础研究适应机械化连续作业的防渗衬砌新型结 构。主要研究如下： ( 1 ) 根据济平干渠不同工程地质、水文地质、气温影响和运行条件，研究提 出适合机械化施工的防渗漏、防冻保温和排水减压的新材料、新技术措施，以达到 四防( 防渗漏、防冻胀、防扬压、防湿陷) 目的的创新的研究方案。 ( 2 ) 根据济平干渠不同工程地质、水文地质、气温影响和运行条件，以及渠 道走向和运行条件，结合输水渠断面成果及挖填方平衡情况，组合防渗漏、防扬压、 防湿陷、防冻胀的各种衬砌技术措施，同时考虑不同的施工方法，研究提出既满足 防渗、防冻胀、防扬压等综合功能，又能适应机械衬砌设备高效率施工、连续性作 业要求的新型结构型式。 ( 3 ) 对工程应用效果及防渗、防扬压、防湿陷、防冻胀、机械化衬砌结构型 式应用效果进行分析，研究综合效益。 关键词：南水北调；济平干渠；衬砌结构型式 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es o u t h t o - n o r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c ti st h el a r g e s td i v e r s i o np r o j e c ti nt h ew o r l d ， w h i c hi sm a r k e db yi t sl o n gd i s t a n c e t h ee a s tr o u t ep r o j e c ti n c l u d e st w ot r a n s f e rm u t e s t h es o u t h t o - n o r t ha n dt h ee a s t t o - w e s t ，w h i c hl i k ea t s h a p e ，i ns h a n d o n g j i p i n g m a i nc a n a lp r o j e c ti st h ef i r s tp a r to ft h ee a s t t o w e s tr o u t e w h i c hi sa l s on a m ed j i a o d o n gr o u t e c a n a l sa r et h ec a r r i e r so fl o n gd i s t a n c ew a t e rd i v e r s i o np r o j e c t s i nt h e f i e l do fa n t i s e e pa n dl i n i n g s t r u c t u r e s ，m o s tt y p e sa r em a n u a ls l a b m e m b r a n e c o n s t r u c t i o nt y p e t h e r ea r es o m ep r o b l e m sw i t ht h em a n u a lc o n s t r u c t i o n s s u c ha s1 0 w e r c o n c r e t es t r e n g t ha n dp e r f o r m a n c e i nt h ef i e l do fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , t h ew a yo f m a n u a lc o n s t r u c t i o nh a v e b e e nc h a n g e da n dt h em e c h a n i z e dc o n s t r u c t i o na r eb e e n a p p l i e dg r a d u a l l ya st h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c s b u tt h er e s e a r c ho nm e c h a n i z e d c o n s t r u c t i o nt y p eo fa n t i - s e el i n i n gi ss t i l li nt h ee x p l o r a t o r ys t a g e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f j i p i n gm a i nc a n a lp r o j e c t ，t h et e c h n i q u e so fa n t i - s e e p ， p r e v e n t i n g f i o s t h e a v i n g ，p r e v e n t i n gu p l i f tp r e s s u r ea n dp r e v e n t i n gc o l l a p s e a r e r e s e a r c h e d a n do nt h eb a s eo ft h o s es t u d i e s ，t h es t r u c t u r a lt y p eo fa n t i - s e e pl i n i n gf o r m e c h a n i z e dc o n s t r u c t i o ni sr e s e a r c h e d t h em a i nt a s k sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gg e o l o g y , h y d r o g e o l o g y , t e m p e r a t u r ea n do p e r a t i n g c o n d i t i o n so fj i p i n gm a i nc a n a l ，t h i sr e s e a r c ho f f e r sn e wm a t e r i a l sa n dt e c h n i q u e so f u t i l i z i n ga n t i - s e e p ，p r e v e n t i n gf r o s th e a v i n g ，a n dd e c o m p r e s s i n gw h i c ha r ef a v o r a b l ef o r m e c h a n i z e dc o n s t r u c t i o n f o u rg o a l st h a ta r ea n t i - s e e p ，p r e v e n t i n gf r o s th e a v i n g ，a n d p r e v e n t i n gu p l i f tp r e s s u r ea n dp r e v e n t i n gc o l l a p s ec a nb ea c h i e v e dt h r o u g ht h er e s e a r c h ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gg e o l o g y , h y d r o g e o l o g y , t e m p e r a t u r e ，c a n a ld i r e c t i o n a n do p e r a t i n gc o n d i t i o n so fj i p i n gm a i nc a n a l ，t h ec a n a ls e c t i o na n dt h eb a l a n c eb e t w e e n c u b a g eo fe x c a v a t i o na n df i l l a r ec o n s i d e r e da n dt e c h n i q u e so fl i n i n gt e c h n i q u e s ， a n t i - s e e p a g e ，p r e v e n t i n gf r o s th e a v i n g ，p r e v e n t i n gu p l i f tp r e s s u r ea n dp r e v e n t i n gc o l l a p s e a r ea s s e m b l e d a d d i t i o n a l l y , d i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nm e t h o d sa r ec o n s i d e r e d an e w l i n i n g s t r u c t u r es t y l ei so f f e r e d ，w h i c hi sn o to n l y 晰t l lt h ef u n c t i o no fa n t i - s e e p ，p r e v e n t i n g f r o s th e a v i n g ，p r e v e n t i n gu p l i f tp r e s s u r ea n dp r e v e n t i n gc o l l a p s eb u ta l s oi sf a v o r a b l ef o r m e c h a n i z e dc o n t i n u o u sc o n s t r u c t i o n ( 3 ) t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t so ft h em e c h a n i z e dl i n i n gs t r u c t u r ew i mf u n c t i o n so fa n t i s e e p p r e v e n t i n gf r o s th e a v i n g ，p r e v e n t i n gu p l i f tp r e s s u r ea n dp r e v e n t i n gc o l l a p s ea r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h ec o m p r e h e n s i v eb e n e f i t sa r ee v a l u a t e d k e yw o r d s ：s o u t h t o - n o r t hw a t e rd i v e r s i o n ；j i p i n gm a i nc a n a l ；s t r u c t u r et y p eo f a n t i s e e pl i n i n g l i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：幸盟日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： j g , - 一导师签名： 日期：丝z ：! ：翌 山东大学硕士学位论文 曼_ _ _ _ b b i i = i 一i _ i i 皇曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼! ! 曼曼蔓曼曼曼曼曼曼量曼曼皇曼鼍曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 i i 1 研究背景 南水北调工程是实现我国水资源优化配置的重大基础设施。是解决我国北方水 资源严重短缺问题的特大型基础设施项目，是新世纪划时代的宏伟工程，无论是调 水线路的长度，还是调水规模，都超过了目前世界上已建的最大调水工程。随着这 一举世瞩目的工程历史性地由规划阶段转入实施阶段，我国跨流域远距离调水工程 的各项关键技术研究也进入了高速发展的时代。 南水北调首批开工建设的济平干渠工程，是南水北调工程的重要组成部分，是 实现山东省水资源优化配置的关键工程，该工程的先期实施，对于缓解济南市区及 沿线四县区水资源供需矛盾、改善济南市区生态环境，减轻东平湖防洪压力都具有 十分重要的意义；同时，也为南水北调向胶东地区供水创造了有利条件。 济平干渠工程自东平湖渠首引水闸，经东平、平阴、长清、槐荫四县( 区) 至 睦里庄跌水下，工程全长9 0 0 5 5 k m ，是一项以输水为主，同时兼顾防洪、排涝和灌 溉等多功能于一体的长距离调水工程。输水渠基本平行于黄河布置，所穿越的地貌 单元为黄河冲积平原、山前冲积平原和剥蚀溶蚀丘陵，沿线地面起伏较大，地形 条件复杂，穿越多处高地、山口和洼地，上游部分渠段与黄河仅为一堤之隔，侧渗 水头较大；输水渠所在区域属华北暖温带大陆气候，夏热多雨，冬寒少雪，多年平 均气温1 2 6 c ，极端最高气温4 2 ，极端最低气温一1 7 。济平干渠工程存在着渠 道渗漏、扬压力破坏、冻胀破坏、湿陷性破坏等重大技术难题。 1 1 2 研究意义 为实现南水北调工程高水平设计、现代化施工的建成世界一流调水工程，本研 究将针对济平干渠渠道渗漏、扬压力破坏、冻胀破坏、湿陷性破坏等问题进行研究。 为南水北调工程推广应用机械化施工技术提供有力的技术支撑。 1 2 国内外研究现状 渠道作为远距离调水工程的基本载体，在解决水资源匮乏的对策中，渠道防渗 的重要性日益为人们所认识。而根据国情不同，各国调水工程在渠道防渗技术方面 都有自己的特点。美国、日本等发达国家对调水工程渠道防渗有统一的设计和施工 山东大掌硕士掌位论文 技术标准。美国对渠道防渗效果要求高，并认为混凝土防渗具有防渗性能好，能适 应高流速，占地少，清草、清淤及管理费用低和寿命长等优点，故多采用混凝土防 渗，要求其渗漏损失不能大于2 0 l ( m 2 d ) 。混凝土防渗多采用梯形或弧形坡脚梯 形断面，同时通过设置排水设施达到削除防渗层扬压力的目的。日本也十分重视渠 道防渗，为了减少占用土地，便于工厂化、机械化生产，提高质量，加快速度，渠 道已多采用矩形断面；在防治冻害方面，日本则主要采用“抵抗”冻胀的观点，改 素混凝土为钢筋混凝土，同时大量地采用砂砾料换填层，并加固基础、增设排水设 施。为保证施工质量，加快进度，基本上全部采用机械化施工方法。 上世纪7 0 年代以前，我国调水工程较注重渠道防渗技术为主的研究，而对防 渗层的减扬压、抗冻胀技术缺乏系统的研究，故渠道防渗后多发生扬压、冻胀破坏。 8 0 年代起，尤其是山东省引黄济青工程的建设，研究应用板膜为主的防渗衬砌工程 技术，并试验研究出与之相适应的防冻胀、防扬压措施，较好地解决了三者之间的 关系；但受当时经济条件、施工工艺水平和原材料的限制，以人工施工为主的混凝 土强度及性能均不高。随着我国经济的发展，在施工技术方面，我国现已开始改变 人工施工的局面，逐渐向机械化施工方向迈进，但与发达国家相比，尚有一定差距， 特别是在适应机械化施工的防渗衬砌型式和施工技术方面的研究尚处于探索阶段。 1 3 研究内容 以确保现浇素混凝土衬砌大块薄板防裂为前提，以多元功能排水设旌为关键， 根据不同土质、侧渗及气温等条件，研究提出既能适应机械化衬砌施工高效率、连 续性强等特点，又同时满足渠道防渗漏、防冻胀、防扬压、防湿陷等综合目标，且 经济、耐久的防渗衬砌新结构型式，以及支撑衬砌结构型式的新材料、新技术。主 要内容有： ( 1 ) 济平干渠工程概况：介绍济平干渠工程概况、自然地理概况及工程地质 与水文地质概况。 ( 2 ) 衬砌技术措施与新材料研究：根据济平干渠不同工程地质、水文地质、 气温影响和运行条件，研究提出适合机械化施工的防渗漏、防冻保温和排水减压的 新材料、新技术措施，以达到四防( 防渗漏、防冻胀、防扬压、防湿陷) 目的的创 新的研究方案。 ( 3 ) 机械化衬砌结构型式研究：根据渠道不同工程地质、水文地质、气温影 响和运行条件，以及渠道走向和运行条件，结合输水渠断面成果及挖填方平衡情况， 2 山东大学硕士掌位论文 组合防渗漏、防扬压、防湿陷、防冻胀的各种衬砌技术措施，同时考虑不同的施工 方法，研究提出既满足防渗、防冻胀、防扬压等综合功能，又能适应机械衬砌设备 高效率施工、连续性作业要求的新型结构型式。 ( 4 ) 结论：对工程应用效果及防渗、防扬压、防湿陷、防冻胀、机械化衬砌 结构型式应用效果进行分析，研究综合效益。 1 4 研究指导思想及技术路线 1 4 1 研究指导思想 为保证工程质量，满足工程规模及水质、水量的要求，对济平干渠衬砌工程研 究提出了以下指导思想： ( 1 ) 针对渠床的地层岩性，确保衬砌坚固稳定，满足规范规定的防渗效果； ( 2 ) 分析地下水动态埋深与设计水位或设计渠底的关系，研究地下水对各项 设计防护目标的影响，将排水、降水工程研究放在优先考虑的位置； ( 3 ) 依据工程所处地理位置，分析不利的气象参数、设计冻结深度，研究削 减冻胀量的有效措施； ( 4 ) 借鉴国内外渠道防渗衬砌和结构材料的最新研究成果，拓展研究思路和 方法，求实与创新并举； ( 5 ) 充分发挥机械化衬砌设备施工的优质高效性能，以及人工半机械化施工 的特点，并从经济性、耐久性和施工条件考虑，研究并提出既能满足设计标准要求， 又能充分发挥机械化衬砌设备优质高效特点的型式新颖，结构周密，安全可靠，造 价低廉的防渗衬砌型式。 山东大学硕士学位论文 1 4 2 技术路线 4 【 边界条件的分析研究 上 【 新材料的分析筛选 土 【 研究提出新衬砌结构型式 土 【 现场试验 土 【 观测 上 【 修改完善 1 l f 推广应用 图1 1 技术路线图 山东大掌硕士掌位论文 第二章济平干渠工程概况 2 1 工程概况 南水北调东线一期工程东平湖济南段输水工程( 以下简称“济平干渠工 程) 是南水北调胶东输水干线的首段工程，其输水线路位于山东省西部，北临黄 河，与海河流域的聊城市、德州市隔河相望，南靠泰山，西接东平湖，东至山东省 省会城市济南，途经泰安市的东平县、济南市的平阴县、长清区和槐荫区，至 济南市的小清河源头睦里跌水下，输水线路全长9 0 0 5 5k m 。线路布置详见附图。 济平干渠工程设计输水流量为5 0 m 3 s ，加大输水流量为6 0 m 3 s ；渠首引水闸按 远期供水规模建设，设计水位为3 9 3 0 m ，设计输水流量为9 0 m 3 s ，校核流量为 1 0 0 m 3 s 。南水北调第一期工程向济南、滨州、淄博、东营、潍坊、青岛、烟台、威 海8 市的4 7 个县、市、区送水，输水时间为1 0 月份至翌年的5 月份，9 5 保证率 时渠首设计引水天数为2 4 3 天，年引水1 0 2 6 亿m 3 。 输水渠采用梯形明渠全断面防渗衬砌型式，设计渠底比降为1 5 0 0 0 , - - , 1 2 0 0 0 0 ； 设计水深为2 5 - 3 5 m ；输水渠边坡：岩基渠床1 ：1 5 ，土质渠床段1 ：2 0 - - 1 ：2 2 5 ； 输水渠设计底宽为9 0 1 5 o m ；对于大于4 3 m 的渠段，在渠道内坡衬砌高程处设 置2 0 m 的戗台；戗台以上输水渠堤防内外边坡为l ：2 0 l ：2 5 。输水渠左、右堤 沿输水渠全线筑堤；左岸防洪堤按设防黄河艾山水文站7 5 0 0 m 3 s 洪水要求筑堤，全 长7 5 3 0 8 k m 。输水渠右堤( 刁山坡公路桥李山头公路桥、西护平防洪闸田山沉 沙池倒虹进口段左堤) 兼作交通道路，堤顶宽8 0 m ，相对应渠段堤顶宽6 0 m ，防 洪堤堤项宽3 0 m 。 济平干渠沿线共布置水闸、倒虹吸、桥梁、跨渠渡槽、排涝站等五大类建筑物 工程，共计2 1 2 座。其中水闸3 3 座，包括：渠首引水闸1 座、防洪闸2 座、节制 闸3 座、分水闸4 座、泄水闸2 座、进洪闸5 座、浪溪河灌溉引水闸1 座、丁字河 涵闸1 座、玉带河排涝闸l 座，排涝闸1 3 座；输水渠倒虹9 座( 其中浪溪河与北 大沙河两座倒虹与同一位置处的泄水闸结合布置) ，河、沟、渠穿输水渠的倒虹共 3 0 座；渡槽7 座；跨输水渠公路桥1 7 座，跨输水渠交通桥9 0 座，输水渠跨河交通 桥5 座，跨输水渠人行桥18 座；排涝泵站2 座；跌水l 座。各类交叉建筑物在满 足输水和分水的同时，还可兼顾沿线防洪、排涝、交通和东平湖泄水等要求。 山东大掌硕士掌位论文 2 2 自然地理概况 济平干渠输水线路基本平行黄河，线路以南为丘陵区，北部为黄泛平原和洼地， 沿线地形复杂、起伏较大，呈南高北低走势，所经姜沟、亭山头、刁山坡、李山头、 博士山及贵平山口等几处高地和山口，地势普遍较高，最高处为刁山坡，山顶高程 为1 2 8 m ，输水渠处地面高程为6 6 m 。沿途经过的曹山洼、栾湾洼、贵平洼和孝里洼， 为比相应黄河滩唇处低3 4 m 的自然封闭洼地，地面高程在3 5 m 左右，最低处为玉 符河如黄河口处，地面高程不足3 0 m 。 输水线路穿越不同的地貌单元，主要地貌类型有黄河冲积平原、山前冲积平原、 低山丘陵、山前剥蚀溶蚀丘陵等。 2 3 工程地质概况 依据地貌类型、地层岩性分布特征，输水线路共分成6 个工程地质段1 3 个工程 地质亚段。工程所在区域地质构造属华北陆台的一部分，地处泰山泰斜的南北两侧， 中部为由太古代泰山变质岩组成的基底，所揭示的地层为寒武系九龙群灰岩、奥陶 系石灰岩和第四系覆盖层。寒武系九龙群灰岩主要分布在东平、平阴县境内；奥陶 系石灰岩主要分布在平阴县和长清区境内，第四系地层，分布广泛，按成因类型可 分为全新统冲积堆积的壤土、沙壤土、粘土、粉细砂、砾质粗砂等，上更新统冲积 洪积堆积的壤土及坡积洪积堆积的粘土。输水线路位于鲁西隆起区的西北端，沿线 多为第四系地层所覆盖，断裂构造不甚发育。稍具规模的构造有长清断裂，走向 n w 3 3 0 0 ，为一隐伏于第四系覆盖层之下的平推式正断层。 根据地下水的埋藏条件、赋存形式，输水线路沿线地下水类型有第四系孔隙潜 水和岩溶裂隙水。孔隙潜水分布于沿线第四系沉积层中，主要受大气降水补给，临 黄河段主要接受黄河水的侧渗补给；以地下缓径流及人工取水为主要排泄途径，主 要含水层为粉细砂、砾质粗砂。地下水埋深一般为2 5 - - 7 0m ，化学类型主要为重 碳酸钙型、重碳酸镁型。岩溶裂隙水主要赋存于基岩裂隙和岩溶中，其富水性受构 造裂隙控制，埋深约为8 1 0m ，化学类型主要为重碳酸氯化钙型。 2 4 水文地质概况 工程所在区地处北暖温带，属大陆性季风气候，夏热多雨，冬寒少雪，春旱多 风，秋旱少雨，季节性干旱特别严重。多年平均气温1 2 6 0 c ，极端最高气温4 2 0 c ， 最低气温1 7 0 c ，全年无霜期2 0 0 - - - , 2 2 0d ，多年平均降水量为6 7 4 9m i l l ，降水量随时 6 山东大掌硕士掌位论文 空变化较大，主要表现为：一是降水量年内分配不均，主要集中在汛期7 - - - 9 月份， 约占全年降水量的6 0 - - 8 0 ，汛期降水又多集中在几场暴雨之内；二是降水量年际 间变化较大，最大降水量1 3 2 7 8i 姗，最小降水量4 5 5 2t o n i ，丰枯比2 9 2 ；三是降 水还具有连丰、连枯交替出现的特点。多年平均蒸发量1 0 0 0 - 1 2 0 0r u i n ，平均日照 2 5 5 2 h ，平均风速2 9m s ，最大风速2 4 5 m s 。 7 山东大学硕士掌位论文 第三章衬砌技术措施与新材料研究 3 1 防渗研究 3 1 1 防渗的必要性 济平干渠沿线穿越6 个工程地质段，1 3 个工程地质亚段。各段地下水位埋藏深 度、岩土层组合及透水性存在较大差异，渠床渗透系数在0 0 3 - 5 0 1 l m d ，很多属 较强强透水层渠段。因此，输水渠衬砌的首要任务是解决好防渗问题。 根据沿线地下水埋深( 输水渠设计水位与输水期地下水的差值) 、渠床岩性及 渗透系数等，将输水渠划分为1 2 6 段，分段计算输水渠渗漏损失流量。计算结果表 明：在自然状态下，当渠首引水5 0 m 3 s 时，末端流量为1 3 8r n 3 s ，全渠平均渗漏损 失1 3 2 m 3 m 2 d ，损失率达7 2 4 ，故必须进行防渗衬砌。 3 1 2 防渗材科分析研究 渠道防渗材料及措施多种多样，在实际工程中，土料防渗、水泥土防渗、砌石 防渗、膜料防渗、混凝土防渗及沥青混凝土防渗等均得到过广泛应用。渠道各种防 渗措施的优缺点比较详见表3 1 。 从表3 1 可以看出，土料及水泥土防渗受其自身强度低、抗冻性能差的限制，以 及糙率大带来的渠道断面大，不但土方开挖工程量大，而且工程占地多，造成土地 资源的浪费，增加移民迁占费用；砌石防渗虽具有抗冲、耐磨、抗冻能力，但由于 砌石量大，投资亦较大，同时亦存在糙率大导致的工程占地多等问题，且无法适应 机械化旌工。因此，对长距离大型渠道的防渗，采用土料防渗、水泥土防渗、砌石 防渗等措施是不适宜的。 膜料防渗始于上世纪5 0 年代的美国，我国6 0 年代开始研究膜料防渗，以后逐渐 推广。其中p e 、p v c 及其改性塑膜经过2 0 - 3 0 年的运用仍基本保持完好，显示了塑 膜防渗性能好、质轻、延伸性强、造价低且能满足工程使用寿命等优点，已在人工 施工为主的渠道板膜防渗衬砌型式中推广应用；p v c 复合土工布有一布一膜、二布 一膜等系列产品，具有竖向防渗、水平导水的性能，强度及抗老化性能较高，防渗 效果好。但由于膜料与土或混凝土熟料之间摩擦系数较小，且有一定的伸缩性，是 否适应机械化施工，适应程度如何，有待于通过试验验证。 8 t it 东大学硕士学位论文 表3 1渠道不同防渗措施的优缺点比较表 防渗拈施防渗材料 优点缺点 i 有较好的防渗效果。可减少渗漏量的6 0 1 允许流速较低，仅能用于流速较低 9 0 ，即0 0 7 o 17 m 3 ( m 2 - d ) ：的渠道： 粘性土、灰2 可就地取材；2 土料防渗层的抗冻性差，由于冻融 土料防渗 土、三合 3 技术较简单，易为群众掌握； 的反复作用，进而失去防渗作用， 土、四合土4 主体工程造价低，投资少：仅适用于无冻害地区； 5 町以充分利用现有的碾压机械设备。3 糙牢犬，过水断面大，工程占地多， 移民迁占补偿投资大。 1 料源丰富，可以就地取材：1 早期的强度低； 2 防渗效果较高。可减少渗漏量的8 0 9 0 ，2 抗冻性较差，仅适用于无冻害地区 水泥土土料、水即0 0 6 o 17 m ( m 2 d 1 ：或地下水较高的地区； 防渗泥、水3 技术较简单，易为群众掌握：3 糙率大，过水断面大，工程占地多， 4 主体工程投资较少，造价较低：移民迁占补偿投资大。 5 町以充分利用现有的碾压机械设备。 干砌卵石、 1 山丘区渠道町就地取材；1 砌石防渗4 i 容易采用机械化施1 = ， 干砌块石、2 抗冲流速人，耐磨能力强；施工质量较难控制； 砌石浆砌料石、3 抗冻和防冻害能力较强；2 砌石防渗一般厚度大、方量多，工 防渗浆砌块石、4 具有较好的防渗效果。浆砌石防渗可减少渗漏程投资较大； 浆砌石板量的8 0 左右；3 糙率大，过水断面大，工程占地多， 5 具自较强的稳定渠道的作用。 移民迁占补偿投资大。 不加强土1 防渗性能好。可减少渗漏量的9 0 9 5 ； 1 与士的摩擦系数小： 工膜( 直喷2 适应变形的能力强；2 高温下易老化。 膜料式、塑料薄3 质轻，用量少，运输量小； 防渗膜) ，加强4 施工简便，工期短； 土工膜，复 5 耐腐蚀性强： 合土- 丁膜6 造价低。 1 防渗效果好，町减少渗漏量的9 0 9 5 以上； 1 衬砌板适应变形的能力差； 水泥、骨2 耐久性好。正常情况下，可运用5 0 年以上；2 在缺乏砂、石料的地区，造价较高。 混凝土 料、水、活 3 糙率小，允许流速大。可缩小渠道断面，减少 防渗性混合材、土方t 程量和t 程占地； 外加剂4 强度高，便于养护管理，并节省管理费用； 5 适应性广泛。 1 防渗效果好，可减少渗漏量的9 0 9 5 ； 1 料源小足； 2 具有适当的柔性和粘附性，如发生裂缝，有自2 施丁工艺要求严格，且加热拌和等 沥青沥青、矿 愈能力： 需侄高温下施工： 混凝七粉、矿物骨 3 能适应较大的变形，防冻害能力强；3 存在植物穿透问题。 4 老化f i 严重，其防渗工程耐久性较好； 防渗料 5 造价较低； 6 对人畜无害； 7 容易修补。 混凝土不但防渗效果好、耐久性好、强度高，而且具有良好的可塑性，因此适 应性广泛，可根据设计要求制成各种形状和不同大小的结构或构筑物；还可以根据 工程的不同要求，通过选择原材料、调整混凝土的配合比及采取不同生产工艺，制 成具有各种性能的混凝土，尤其适用于机械化连续施工。由于混凝土表面糙率小， 输水规模相同时，可缩小渠道断面，减少土方工程量和占地面积。美国、日本等发 达国家对渠道防渗要求较高，5 0 以上的渠道采用混凝土防渗。但发达国家采用的 素混凝土厚板( 1 5 - - - - 4 0 c m ) 、钢筋混凝土板及换填垫层、加固基础等措施，工程投 资太高，既不经济也不适合我国国情。但减小现浇素混凝土板厚度，又面临如何解 9 山东大掌硕士掌位论文 决混凝土板的裂缝、防渗等问题，这也是济平干渠工程渠道衬砌设计中需重点研究 解决的关键技术难题。为此，“高性能混凝土新技术研究”课题中对高性能混凝土 进行了深入试验研究。在混凝土性能优化配比设计中，将“两掺一低”技术，首次 用于大型渠道衬砌混凝土，即掺和一级粉煤灰，掺入高效减水剂与引气剂，降低水 胶比，以提高混凝土的和易性，增强其耐久性、稳定性。 3 1 3 防渗衬砌措施研究 根据济平干渠沿线渠床岩性、渗透系数、地下水埋深以及施工方法对防渗的要 求，研究确定了4 种防渗技术措施。 ( 1 ) 现浇混凝土面板防渗 根据济平干渠工程高性能混凝土试验研究结果，在混凝土性能和配比设计中， 将“两掺一低”技术首次用于渠道衬砌。即掺和一级粉煤灰，掺入高效减水剂与引 气剂，降低水胶比，提高混凝土的和易性，以使衬砌混凝土材料能满足防渗、抗冻、 强度及抗裂性、耐久性和机械化施工的适应性等基本设计要求。 ( 2 ) 复合土工膜防 针对渗漏严重渠段，全断面铺设复合土工膜，以增强渠道防渗效果。 ( 3 ) 聚苯乙烯泡沫板防渗 渠床土壤渗透系数较小时，不需要采用专门的防渗材料防渗。结合防冻胀要求， 利用渠坡上铺设的聚胺脂粘合的单面钢丝网架聚苯乙烯泡沫板防渗。 ( 4 ) 固化土防渗 在控制建筑物上游且地下水位较高的渠段，渠底可长期处在水面以下，不会发 生冻胀破坏，且固结土强度会不断提高，为降低工程投资，设计采用固化土防渗。 除水泥土外，设计中还采用了土壤固化剂固结土这一防渗新材料。 3 1 4 填缝新材料研究与应用 在渠道采用混凝土板防渗时，除要求混凝土板有较强的抗渗性外，混凝土板块 之间的分缝还要有良好的止水性。若分缝止水效果差或被破坏，将发生渗漏造成基 土局部含水量的增大，导致在基土冻结时即发生不均匀冻胀。因此，采用混凝土大 板衬砌后，伸缩缝的填缝止水尤为重要。而对于止水材料的要求，除了具有基本的 防渗性能外，还必须具有较好的耐热性和抗冻性，以保证其在高温时不流淌或被挤 出，低温时不开裂。另外，还必须与混凝土分缝基面有良好的粘结，以保证在变形 时粘接面不被拉开。这就要求必须认真研究填缝材料的基本性能，筛选出性能可靠、 r o 山东大掌硕士学位论文 经济适用的新型填缝材料。 ( 1 ) 国内外填缝材料现状 综合国内外渠道防渗工程技术，因防渗型式、防渗材料、施工工艺等的不同， 伸缩缝止水材料的种类较多。 发达国家很重视接缝处理措施和止水材料的研究，对止水材料的投资亦较大。 美国多采用梯形明渠素混凝土厚板防渗，并基本上全部采用机械化施工的方法，渠 道伸缩缝均为半缝，止水材料有2 种方式，一是在浇筑混凝土时，在新鲜混凝土上 开一凹槽，深度不大于1 3 衬砌厚，缝内填充弹性人造橡胶；另一种是在混凝土浇筑 的过程上采用填缝机同时埋入聚氯乙烯止水带，纵缝用的止水带高度较大，厚度较 小，横缝用的止水带厚度较大，可以有较大伸缩量，且有利于机械化施工。日本多 采用钢筋混凝土防渗材料，防渗的断面结构型式多样，有明渠、暗渠暗管两大类， 填缝材料多采用止水板( 即橡胶止水带) 、沥青、沥青玛蹄脂及弹性玛蹄脂、密封 胶。 我国以往在止水材料方面投资较少。刚性材料防渗渠道多用沥青砂浆、油毡、 聚氯乙烯油膏等作伸缩缝止水材料，但有的性能差，有的造价较高，施工技术复杂， 没有较好地解决生产中的问题。近年来在新修建的渠道上，研究采用了焦油塑料胶 泥、焦油塑料胶泥条、遇水膨胀橡胶止水条等填缝材料。 ( 2 ) 不同填缝材料基本性能及应用情况 1 ) 焦油塑料胶泥 焦油塑料胶泥、焦油塑料胶泥条价格较低，是目前应用较普遍的填缝材料。其 基本物理力学性能见表3 2 。 表3 2焦油塑料胶泥基本物理力学性能表 项目指标检测结果 耐热性能( 8 0 ，5 h ，l l l m )下垂值4 2 5 低温柔性( - 2 0 ，2 h )无裂纹 无裂纹 粘接延伸率m 2 5 03 8 6 浸水粘接延伸率2 0 0 2 6 0 回弹率 8 08 8 3 挥发率 31 3 工程实践表明，焦油塑料胶泥的一个明显缺陷是现场加热施工技术复杂，主要 表现为施工时操作不便，熬制时温度难以把握，工料产生浪费现象，冷施工胶泥条 山东大掌硕士掌位论文 则存在与周边粘接不紧密的现象，并且其耐老化及耐低温性能不佳，一般在经历了 一、二个冬夏循环后就会产生渗漏情况。 2 ) 遇水膨胀橡胶止水条 橡胶主要是由高聚合度的碳、氢链构成，是疏水性物质。如果橡胶中存在亲水 性物质或基团，遇水后就会因吸水膨胀。当遇水膨胀橡胶与水接触后，水分子通过 扩散、毛细及表面吸附等物理作用进入橡胶内，与橡胶中的亲水性基团( 物质) 形 成极强的亲和力。通常遇水膨胀橡胶在封闭条件下使用，遇水后膨胀率并不能达到 其静水最大膨胀率，因此就产生了橡胶膨胀压力，就可以发挥其密封止水作用。遇 水膨胀橡胶止水条的基本物理力学性能见表3 3 。 表3 3遇水膨胀橡胶止水条的基本物理力学性能 项目实测指标 膨胀率 1 5 0 - 1 8 0 粘接延伸率 4 4 0 抗渗性m p a 1 0 抗拉强度m p a o 0 7 抗剪切强度m p a 0 1 4 耐冲性能 良好 耐高温性能8 0 时，外观有光泽，任意弯折仍柔软，有变形 - - 2 0 时，外观形状和光泽基本保持原来形状，柔性良好， 耐低温性能 没有皱纹裂口 遇水膨胀橡胶止水条遇水时发生体积膨胀，如果在无约束状态下使用，易导致 遇水膨胀橡胶在无约束方向自由膨胀，作用于缝腔两侧的接触压力降低甚至为零， 止水效果下降。因此，其施工要求高，价格亦最高，为目前我国渠道工程经济性要 求所不允许。所以，该材料不是渠道防渗工程用的理想填缝材料。 3 ) 高分子密封材料 在高分子密封材料中，双组份聚硫胶和聚氨酯密封胶目前在污水处理厂、机场 跑道等工程中得到广泛运用。对比两种材料的物理力学性能( 见表3 4 ) 可以看出， 无论是材料的粘接性，还是低温柔性等基本性能均比较相似。针对南水北调济平干 渠渠道防渗及输水水质要求高，但目前市场上高分子密封材料价格又较高、工程难 以承受的特点，在进行大量市场调查、分析研究的基础上，与河南永丽化工有限公 司共同开发研制了适宜明渠伸缩缝止水的j l - 一8 5 6 明渠专用聚硫密封胶新产品，并 对产品的粘接拉伸强度要求不小于0 4m p a 。 1 2 山东大掌硕士学位论文 表3 - 4聚氨酯密封胶与聚硫密封胶的物理力学性能对比表 一芝 聚氨酯密封胶双组份聚硫密封胶 密度g c m 3 规定值士0 1规定值士o 1 适用期1 1 32 6 表干时间1 1 2 42 4 下垂度m m 33 低温柔性3 0 无裂纹3 0 无裂纹 粘接拉伸强度m p a 0 2o 2 粘接最大伸长率肱 2 0 03 0 0 恢复率 9 0 8 0 有无毒性少毒性无毒 ( 3 ) 明渠专用聚硫密封胶 1 ) 材料基本性能 明渠专用聚硫密封胶是以液态聚硫橡胶作为主剂，加入补强剂、增韧剂、增粘 剂、触变剂和其它添加剂配制加工成基膏；以金属氧化物等配制成硫化膏，两组份 混合后固化为弹性密封材料。双组份聚硫密封胶硫化后，具有优异的耐油、耐水、 耐大气老化、耐冲击、耐紫外线照射、耐高温、低温，在- - 5 5 温度下柔曲性依然 良好，并具有透气率低、无毒、无污染、使用寿命长( 达3 0 年) 等特点。 检测明渠专用密封材料的性能，结果见表3 5 。这些性能均达到或超过了j c4 8 2 9 2b 类n 型一等品的标准。 表3 5明渠专用双组份聚硫密封胶的物理力学性能表 项目指标 检测结果测试方法 密度g c m 3 1 6 + 0 11 6g b tl3 4 7 7 2 2 0 0 2 适用期h 2 64 表干时间h 2 46g b 厂t13 4 7 7 5 2 0 0 2 渗出性指数 4 1 下垂度m m 3og b 厂n3 4 7 7 6 2 0 0 2 低温柔性3 0 无裂纹符合要求 g b t13 4 7 7 7 2 0 0 2 粘接拉伸强度m p a 0 2 0 4 1g b t 13 4 7 7 8 2 0 0 2 粘接最大伸长率 3 0 04 17g b t 13 4 7 7 8 2 0 0 2 恢复率 8 0 8 3g b tl3 4 7 7 17 2 0 0 2 加热失重 1 0 1 7 2 ) 密封胶材料毒理学试验和水质监测 为保证输水水质，对明渠专用密封胶还进行了毒理学试验和水质化验。 山东大学硕士掌位论文 依据“生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准”的要求，分别进 行了急性经口毒性试验、a m e s 试验和小鼠骨髓细胞染色体畸变试验。急性经口毒 性试验符合该标准“l d 5 0 不得小于1 0 9 k g 体重的要求；a m e s 试验和小鼠骨髓细 胞染色体畸变试验均为阴性，符合该标准“两项试验均需为阴性”的要求。 依据“国家生活饮用水卫生标准”进行了原水试验和浸泡水试验，所测项目均 符合国家生活饮用水卫生标准。 试验和检测结果表明，明渠专用聚硫密封胶材料属无毒产品。 3 ) 施工工艺 填缝施工工艺对密封材料的止水效果影响很大，应严格按以下步骤进行施工： 缝隙清理：为了防止粘结不良，必须清除施工面的灰尘、油脂、杂物等污染 物品，可用压缩空气、钢刷、蘸有有机溶剂( 如甲苯、甲乙酮) 的抹布进行清理。保 证基面的干燥。对于蜂窝麻面的作业基面必需用磨光机打磨平整。 填衬垫材料：用于调节间隙的深度，并且使密封胶仅粘接两个侧面。否则密 封胶则把侧面和底面都粘接( 即三面粘接) ，一旦接缝发生变形，因密封胶在底表 面不能自由变形，而产生应力集中，反复的变形会导致密封胶与两侧的粘接面剥离 或密封胶破坏。衬垫材料采用闭孔泡沫板。 聚硫密封胶配制：采用b 类n 型一等品灰色双组分聚硫密封胶搅拌配置，a 组分：b 组分= 1 0 ：1 份( 重量比) 。搅拌采用改制的手电钻，搅拌时间为5 m i n ，确 保两组分混合均匀、无色差。配制好的材料要在2 小时内用完。做到随拌随用，用 多少，配多少。 粘贴胶带：在缝口两侧混凝土表面粘贴胶带，以防嵌填的密封胶涂在两侧混 凝土面上，既容易影响密封胶本体承受变形，又影响外观。 注胶：为确保聚硫胶与混凝土粘接牢固，注胶前先在清理干净的基面上均匀 刷涂双组份底涂，待涂底完全固化以后方可注胶；注胶采用生产厂家提供的专用胶 枪，注胶要饱满密实，不得有断头或空洞，然后用刮刀压紧刮平，待表面固化后将 胶带拆除。 检查与保护：压力注胶后应及时进行检查，如有凸凹不平、气泡、粗糙外溢、 表面脱胶、下垂等现象应及时修补整齐。聚硫密封胶表干后的强度并未达到固化强 度值，需经过6 - 8 天才能充分固化。在表干及固化期间，要注意保护，避免雨水 等侵入缝内。 1 4 竺查垒兰竺耋兰圣耋耋 现场施t 过程见罔3 - 1 。 t ； 蠹 清缝，填衬挚材料，注胶- 注胶固化后 图3 1 聚硫密封胶施工流程图 ( 4 ) 填缝材料经济及适用性比较 对上述几种填缝材料聚用统一的填缝断面，分析1o m 长材料造价，见表3 - 6 表3 6填缝材料单位缝长造价裘 填缝材料毪嚣鬻缀；冀l 明纛：等秒 价格( 元m ) l 10 1 409 48 6 从襄3 6 每米缝长造价看，遇水膨胀橡胶止水条 聚氨酯密封胶 明渠专用 双组份聚硫密封胶 热熔性