5.7　渠道防渗衬砌设计

5.7.1　防渗衬砌结构型式

根据南干渠渠道所处地理位置，结合南干渠渠道断面设计成果，同时考虑渠床地质条件、地下水位埋深、防冻胀、防扬压技术措施、施工方法、渠道走向等因素，将输水渠划分为4种防渗衬砌结构型式。并依据采用的新技术、新材料，以及对渠道各项技术指标进行观测、试验的要求，将南干渠分为6个典型衬砌渠段。分述如下。

5.7.1.1　衬砌型式一

全断面现浇高性能混凝土面板(或掺加渗透结晶型防水掺合剂的高性能混凝土面板)防渗，板下换填砂砾石垫层排水、防冻胀，渠底暗管井排防扬压，并进一步削减剩余冻胀量，如图5-62所示。

该衬砌型式，自南干渠设计桩号0+100.5～0+700.5，长0.6km，分为两个衬砌段。其中0+100.5～0+400.5渠段采用现浇高性能混凝土面板防渗，0+400.5～0+700.5渠段采用掺加抗渗新材料的高性能混凝土面板防渗。

5.7.1.2　衬砌型式二

全断面现浇高性能混凝土面板防渗，板下换填砂砾石垫层排水、防冻胀，渠坡逆止式自流内排防扬压。

该衬砌型式自南干渠设计桩号0+700.5～1+800.5，长1.1km，分为两个衬砌段。其中0+700.5～1+437.5渠段现浇混凝土板厚采用10cm，1+437.5～1+800.5渠段现浇混凝土板厚采用12cm。

5.7.1.3　衬砌型式三

全断面现浇高性能混凝土面板防渗，板下换填砂砾石垫层排水、防冻胀，渠底防淤堵逆止式自流内排防扬压。

该衬砌型式自南干渠设计桩号1+800.5～2+200.5，长0.4km。

5.7.1.4　衬砌型式四

全断面现浇高性能混凝土面板防渗，渠坡板下土工布排水、防冻胀QDB保温板，渠底防淤堵逆止式自流内排防扬压。该衬砌型式自南干渠设计桩号2+200.5～2+505，长0.3045km。

5.7.2　衬砌高度的确定

根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288—1999)对渠道衬砌超高值的规定，同时考虑冬季冰冻期输水形成冰盖控制水位的要求。对冰期冰盖下输水水位，经复合，在渠道设计输水流量相同的情况下，输水渠水深需加大20%～40%。综合分析确定输水渠的衬砌高度一般为设计水位加1.3m;对局部控制性建筑物上游水深不满足冬季冰盖下输水水深要求的渠段，衬砌高度为设计水位加1.5m。

5.7.3　衬砌断面型式的选择

选择渠道衬砌断面型式，应考虑改善衬砌体的受力条件，减少不均匀变位等因素。从防冻胀的角度讲，选择防冻胀衬砌结构应从减少基土冻胀量、改善衬砌体的约束条件和提高衬砌抵抗或适应基土冻胀变位能力等方面考虑。而改善衬砌体的约束条件则需要从衬砌断面型式方面入手。通过对U形、抛物线形、弧底梯形、梯形断面弧形坡脚等断面型式分析认为，对大型机械化衬砌渠道，应将坡脚做成圆弧形式，以改变冻胀位移的方向，使渠底对渠坡、渠坡对渠底衬砌受力均匀，并进一步满足冻胀削减量小于允许法向位移值1cm的技术目标。

5.7.4　机械化现浇混凝土衬砌结构设计

5.7.4.1　防渗衬砌层断面构造

渠坡、渠底混凝土衬砌厚度通过综合考虑水力梯度、应力应变(含冰盖抗剪)、接缝封闭和浇筑工艺等各种因素，以及根据机械化衬砌设备的可靠摊铺及振捣要求来确定，一般采用8.0～12.0cm;封顶板与坡面整体浇筑;全部采用C30混凝土，抗渗标号为W8，抗冻标号为F200。混凝土板浇筑前，首先在砂垫层上喷涂阳离子乳化沥青，以免失水，保证混凝土板浇筑质量，并相应克服冻结力对衬砌板的不利影响。机械化现浇混凝土衬砌结构图如图5-63所示。

5.7.4.2　排水垫层构造

砂砾料为非冻胀材料，本身无冻胀，而且能排除渗水和防止渠基水分向表层冻结区迁移。因此，混凝土板下的砂砾料排水垫层同时作为防冻层，相对密度0.7，铺设在削坡后的原状土(或压实度0.94的填筑土)上。根据计算确定渠坡、渠底需置换的垫层厚度，工程沿线一般为15～25cm。排水垫层与渠底排水系统的排水盲沟以砂井连通，保证渠坡渠基影响范围内的重力水、侧渗水顺利下排，进一步削减渠坡冻胀量。

5.7.4.3　衬砌分缝及填缝

为防止混凝土因收缩变形、温度变形而引起衬砌混凝土板破坏，现浇混凝土板设置纵、横向伸缩缝。切割后的板块大小，应综合考虑衬砌体适应和抵抗各种变形因素的能力，以及分缝止水的难易程度，一般混凝土板块为3m×3m，切缝深度达混凝土板厚的75%，缝宽1cm。

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，还要求混凝土板块之间的分缝有良好的止水性。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。对止水材料的要求，除具有基本的防渗性能外，还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黏结，以保证在变形时粘接面不被拉开。

因防渗型式、防渗材料、施工工艺的不同，伸缩缝止水材料的种类亦较多。美国多采用梯形明渠素混凝土厚板防渗，基本上全部采用机械化施工的方法，渠道伸缩缝均为半缝，止水材料有两种方式，一种是在浇筑混凝土时，在新鲜混凝土上开一凹槽，深度不大于衬砌板厚的1/3，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。目前，应用较普遍的填缝材料是焦油塑料胶泥、焦油塑料胶泥条，且价格较低，缺陷是现场加热施工技术复杂，主要表现在施工时操作不便，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等方面，一般在经历了1～2个冬夏循环后就会产生渗漏情况。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，是我国目前渠道工程经济性要求所不允许的。所以，该材料不是渠道防渗工程用的理想填缝材料。

目前，在高分子密封材料中，双组分聚硫胶和聚氨酯密封胶在污水处理厂、机场跑道等工程中得到广泛运用，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。

针对南水北调渠道防渗及输水水质要求高，而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0.4MPa。

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、增黏剂、触变剂和其他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。双组分聚硫密封胶硫化后，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-55℃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30年)等特点。检测明渠专用密封材料的性能，双组分聚硫密封胶的物理力学性能表如表5-14所示，均达到或超过了JC 482—92 B类N型一等品的标准。

经试验研究，取闭孔泡沫板填塞在切缝深部，缝口2cm内充填高分子黏合材料双组分聚硫密封胶，在各种自然和外力条件下，确保切缝的防渗功能。聚硫密封胶填缝大样图如图5-64所示。