胶东调水明渠混凝土衬砌结构破坏问题 原因分析及对策
孙佑光 王兵
摘 要：明渠是大型调水工程的主要输水形式，其内坡的混凝土衬砌是影响输水损失量和堤坝工程安全的关键因素之一，本文对胶东调水输水明渠衬砌结构破坏的不同表现进行归类，对损坏原因进行了分析，从优化衬砌结构设计、施工質量控制及工程管理维护方面，提出了提高衬砌工程耐久性的对策。
关键词：混凝土衬砌；原因分析；对策
中图分类号：TV5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）8-0056-02
胶东调水输水工程是南水北调东线工程的支线，西起东平湖，东至山东威海米山水库，全长688公里。其中，明渠长度540公里，为减少明渠输水渗漏损失，保护渠道免遭水流冲刷，明渠进行全断面混凝土衬砌，明渠运行后，受温度、降雨等多种因素影响，部分渠段出现了混凝土板鼓胀、塌陷等问题，造成渠道渗水、冲刷，影响了渠道的正常输水。
1工程概况
胶东调水明渠沿线地形地貌复杂，地貌单元以剥蚀丘陵、山前冲积平原、山间冲积洪积平原为主；水文地质条件迥异，基岩风化层厚度较大，第四系沉积物以壤土、中粗砂、砾质粗砂等为主，渗透性普遍较强。根据地质条件、防渗要求不同，渠道内坡的混凝土衬砌结构主要有三种型式，一是预制混凝土板+土工膜+保温板结构型式，二是现浇混凝土板+保温板结构形式，三是渠坡5cm C10混凝土垫层找平+金属扩张网+喷5cm C30混凝土型式。
2渠道衬砌板出现的主要破坏问题及原因分析
2.1预制衬砌板塌陷破坏
问题。塌陷破坏多发生在渠道建筑物附近，如公路桥桥桩附近或穿渠倒虹顶部等。塌陷面积2～10m2不等，最大达30m2，塌陷深度5～30cm。
原因分析。一是地表径流侵入衬砌板冲刷土坡，导致坝坡和衬砌板塌陷；二是受建筑物影响，渠坡削坡回填土夯实质量不满足要求。
2.2衬砌板鼓胀
2.2.1部分深挖方段衬砌板发生鼓胀
问题。莱州后趴埠区段位于东宋泵站下游，为丘陵深挖方段，在泵站停机，渠道停止输水后，渠道渠底发生了衬砌板鼓胀破坏现象。
原因分析。泵站停水，渠水位急剧下降，渠水位与地下水位差加大，渠底和渠内坡坝脚没有设置内排水设施，导致衬砌板鼓胀或滑落。
2.2.2部分半挖半填渠段衬砌板鼓胀
问题。部分渠段在强降雨后，发生衬砌板鼓胀、滑落。如莱州沙河上游渠段、珍珠河至海郑河渠段、龙口绛水河段渠底衬砌板产生鼓胀变形破坏。
原因分析。一是降水强度、降水量大，渠坡土抗剪强度降低，衬砌结构容易滑动。二是渠外排水沟排水不畅，渠外坡大量积水，造成渠道内外水头差增大。三是渠段筑堤土料多为渗透性强的砂类土或风化岩段，坝体对衬砌结构的水渗透压力大。四是渠内坡没有设置内排水减压设施，扬压力增加，造成局部渠段衬砌板鼓胀。
2.2.3衬砌板冻融剥蚀
问题。冬季，部分渠段衬砌板在水位变幅带附近有较严重的混凝土剥蚀破坏现象。
原因分析。部分混凝土板防冻性能达不到要求，在经过多个冻融循环和应力的反复作用下，导致混凝土板破坏。
3渠道混凝土板衬砌破坏问题的解决对策
混凝土衬砌的破坏，有设计、施工的原因，也有管理运行方面的原因，解决渠道衬砌破坏问题要在优化工程设计，强化施工质量，加强工程管护三方面下功夫。
3.1优化衬砌结构设计
3.1.1重视气象、水文、工程地质勘察等前期工作
渠道衬砌形式要综合考虑渠道工程地质条件及地下水位与渠底关系，渠道挖填情况等因素。对渠道排水减压设计选用的地下水位，应广泛搜集渠道沿线地下水长系列动态观测资料，综合考虑降雨、气温等因素确定。
3.1.2丘陵基岩区高填方段渠道慎用预制混凝土板衬砌
预制混凝土板板小缝多，板间水泥勾缝易开裂脱落，丘陵基岩区高填方筑坝土料防渗性能差，一旦出现渗水，对工程安全影响较大。龙口隋家庄子和八里沙河渡槽附近，筑堤材料为花岗岩风化料，渗透性极强，采用预制混凝土板衬砌，出现较严重渗水问题。因此对丘陵基岩区高填方段建议采用现浇混凝土板+土工膜+保温板型式，现浇混凝土板面积较大，板间缝相对较少，防渗效果相对较好。
3.1.3增加丘陵基岩深挖方段渠道衬砌排水减压系统
丘陵基岩深挖方段渠道衬砌结构大部分未设置内排水减压设施，如渠床基岩为强、中风化花岗岩的龙口隋家庄子西段，该段渠底鼓板严重。工程整改时在基岩坡面和渠底采用无砂混凝土或砂砾石作为找平层和垫层，并在渠底和坡角增设了暗管排水减压系统，效果明显。
3.1.4综合考虑坝体透水性强、地下水位较低的挖方或半挖半填渠道内外排水
莱州西河崖段、大沙岭段为半挖半填渠道，坝体以砂类土为主，透水性强；正常年份地下水位均在渠底以下。但遇强降雨时，右侧排水沟排水不及，沟内洪水位大幅度抬高，导致堤内地下水位升高，造成衬砌板顶托破坏。类似地段应将渠外排水沟浆砌，并保持排水通畅，渠内坝脚设置暗管排水减压设施。
3.2严格控制施工质量
3.2.1严格控制预制板制作质量
混凝土预制板在水位变幅带出现冻融剥蚀问题比较普遍，主要与施工质量控制有关。减少冻融破坏的措施：一是严格控制原材料包括粗细骨料、水泥和水的质量；二是严格水灰比的控制；三是严格按配合比进行外加剂的掺加；四是保证混凝土的震捣质量；五是加强混凝土板的场内养护。
3.2.2严格控制明渠衬砌施工质量
渠道削坡平整密实。削坡是渠道衬砌前关键的一道工序，削坡过程中注意随时检查校正，防止超挖伤坡，严格控制坡面的平整度，保证削坡坡面土体的密实度，对穿渠建筑物如倒虹、桥梁桩基周围的回填土，严格控制压实度或相对密实，以防不均匀沉降引起衬砌板塌陷。
土工膜焊接牢靠。衬砌板下土工膜的铺设、焊接、保护是施工过程中的重点工序，土工膜铺设搭接長度不得小于15cm；施工焊缝搭接面不得有污垢、砂土、积水等杂质，焊接完成后检查有无虚焊漏焊现象；加强对土工膜的保护，作业人员应穿胶鞋或软底鞋施工，严禁踩踏，对检查出的小破损，及时焊接，保证土工膜质量合格。
渠道内坡坝脚盲管排水通畅。排水盲沟开挖，沟深、沟宽要满足设计要求。排水盲沟沟槽底部铺设5cm中粗砂垫层，盲沟之间对接整齐，两管不得错开，盲沟外包反滤土工布，铁丝绑扎牢固；用中粗砂将盲沟埋入并捣实，管顶由原状土回填夯实，平整坡面。逆止式排水器安装位置要求排水孔中心与集水暗管中心垂直，安装牢固，排水通畅。
砂浆勾缝饱满密实。砂浆勾缝是渠道衬砌的关键工序。应采用试验配合比确定的干硬性砂浆；勾缝前清理缝内砂灰等杂物，并洒水湿润；勾缝采用专用工具，确保勾缝砂浆密实、平整、光滑；勾缝后，及时用毛毡或草帘进行覆盖，并做好洒水养护。
3.3加强工程管理与维护
3.3.1保持排水设施畅通，加强工程维修养护
加强工程隐患排查和消除，及时疏通排水沟、排水建筑物、内排水设施并保证畅通，巡查沿线泄水闸闸门并保持灵活启闭等。在渠道运行或强降水期间，进行工程巡查监视，发现问题及时处理。
3.3.2加强汛期闸门调度
汛期不输水时渠道应处在关闭状态，拦蓄雨水增加渠道水位，尽量减小渠水位和堤内地下水位水头差，以削减地下水上升造成的扬压力增大，破坏衬砌结构；加强巡查、观测，当地下水位高于渠内水位15cm时，及时下落下游节制闸，以雍高渠道内水位。
3.3.3做好渠道运行控制
工程通水时，做好渠道运行控制，流量变化力求循序渐进，水位避免大起大落。尤其在泵站停水后，控制渠内水位下降速率，防止鼓板、滑板情况的发生。
4结语
长距离调水工程，明渠渠道是工程的主要载体，通过对胶东调水明渠工程多年运行以来暴露的问题分析，设计充分、施工可行、运行可靠的衬砌型式是工程安全运行的前提，要从设计、施工、管理三方入手，增加工程耐久性。一要进一步优化衬砌设计。根据不同水文地质、工程地质条件，不同运行工况，进一步对防渗漏、防冻胀、防扬压衬砌方案进行优化。二要总结分析衬砌破坏原因，加强施工环节质量控制，保证工程质量。三要加强工程管理，加强日常工程维修养护和汛期及通水期间的渠道运行控制，保证工程长期安全运行。
摘 要：明渠是大型调水工程的主要输水形式，其内坡的混凝土衬砌是影响输水损失量和堤坝工程安全的关键因素之一，本文对胶东调水输水明渠衬砌结构破坏的不同表现进行归类，对损坏原因进行了分析，从优化衬砌结构设计、施工質量控制及工程管理维护方面，提出了提高衬砌工程耐久性的对策。
关键词：混凝土衬砌；原因分析；对策
中图分类号：TV5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）8-0056-02
胶东调水输水工程是南水北调东线工程的支线，西起东平湖，东至山东威海米山水库，全长688公里。其中，明渠长度540公里，为减少明渠输水渗漏损失，保护渠道免遭水流冲刷，明渠进行全断面混凝土衬砌，明渠运行后，受温度、降雨等多种因素影响，部分渠段出现了混凝土板鼓胀、塌陷等问题，造成渠道渗水、冲刷，影响了渠道的正常输水。
1工程概况
胶东调水明渠沿线地形地貌复杂，地貌单元以剥蚀丘陵、山前冲积平原、山间冲积洪积平原为主；水文地质条件迥异，基岩风化层厚度较大，第四系沉积物以壤土、中粗砂、砾质粗砂等为主，渗透性普遍较强。根据地质条件、防渗要求不同，渠道内坡的混凝土衬砌结构主要有三种型式，一是预制混凝土板+土工膜+保温板结构型式，二是现浇混凝土板+保温板结构形式，三是渠坡5cm C10混凝土垫层找平+金属扩张网+喷5cm C30混凝土型式。
2渠道衬砌板出现的主要破坏问题及原因分析
2.1预制衬砌板塌陷破坏
问题。塌陷破坏多发生在渠道建筑物附近，如公路桥桥桩附近或穿渠倒虹顶部等。塌陷面积2～10m2不等，最大达30m2，塌陷深度5～30cm。
原因分析。一是地表径流侵入衬砌板冲刷土坡，导致坝坡和衬砌板塌陷；二是受建筑物影响，渠坡削坡回填土夯实质量不满足要求。
2.2衬砌板鼓胀
2.2.1部分深挖方段衬砌板发生鼓胀
问题。莱州后趴埠区段位于东宋泵站下游，为丘陵深挖方段，在泵站停机，渠道停止输水后，渠道渠底发生了衬砌板鼓胀破坏现象。
原因分析。泵站停水，渠水位急剧下降，渠水位与地下水位差加大，渠底和渠内坡坝脚没有设置内排水设施，导致衬砌板鼓胀或滑落。
2.2.2部分半挖半填渠段衬砌板鼓胀
问题。部分渠段在强降雨后，发生衬砌板鼓胀、滑落。如莱州沙河上游渠段、珍珠河至海郑河渠段、龙口绛水河段渠底衬砌板产生鼓胀变形破坏。
原因分析。一是降水强度、降水量大，渠坡土抗剪强度降低，衬砌结构容易滑动。二是渠外排水沟排水不畅，渠外坡大量积水，造成渠道内外水头差增大。三是渠段筑堤土料多为渗透性强的砂类土或风化岩段，坝体对衬砌结构的水渗透压力大。四是渠内坡没有设置内排水减压设施，扬压力增加，造成局部渠段衬砌板鼓胀。
2.2.3衬砌板冻融剥蚀
问题。冬季，部分渠段衬砌板在水位变幅带附近有较严重的混凝土剥蚀破坏现象。
原因分析。部分混凝土板防冻性能达不到要求，在经过多个冻融循环和应力的反复作用下，导致混凝土板破坏。
3渠道混凝土板衬砌破坏问题的解决对策
混凝土衬砌的破坏，有设计、施工的原因，也有管理运行方面的原因，解决渠道衬砌破坏问题要在优化工程设计，强化施工质量，加强工程管护三方面下功夫。
3.1优化衬砌结构设计
3.1.1重视气象、水文、工程地质勘察等前期工作
渠道衬砌形式要综合考虑渠道工程地质条件及地下水位与渠底关系，渠道挖填情况等因素。对渠道排水减压设计选用的地下水位，应广泛搜集渠道沿线地下水长系列动态观测资料，综合考虑降雨、气温等因素确定。
3.1.2丘陵基岩区高填方段渠道慎用预制混凝土板衬砌
预制混凝土板板小缝多，板间水泥勾缝易开裂脱落，丘陵基岩区高填方筑坝土料防渗性能差，一旦出现渗水，对工程安全影响较大。龙口隋家庄子和八里沙河渡槽附近，筑堤材料为花岗岩风化料，渗透性极强，采用预制混凝土板衬砌，出现较严重渗水问题。因此对丘陵基岩区高填方段建议采用现浇混凝土板+土工膜+保温板型式，现浇混凝土板面积较大，板间缝相对较少，防渗效果相对较好。
3.1.3增加丘陵基岩深挖方段渠道衬砌排水减压系统
丘陵基岩深挖方段渠道衬砌结构大部分未设置内排水减压设施，如渠床基岩为强、中风化花岗岩的龙口隋家庄子西段，该段渠底鼓板严重。工程整改时在基岩坡面和渠底采用无砂混凝土或砂砾石作为找平层和垫层，并在渠底和坡角增设了暗管排水减压系统，效果明显。
3.1.4综合考虑坝体透水性强、地下水位较低的挖方或半挖半填渠道内外排水
莱州西河崖段、大沙岭段为半挖半填渠道，坝体以砂类土为主，透水性强；正常年份地下水位均在渠底以下。但遇强降雨时，右侧排水沟排水不及，沟内洪水位大幅度抬高，导致堤内地下水位升高，造成衬砌板顶托破坏。类似地段应将渠外排水沟浆砌，并保持排水通畅，渠内坝脚设置暗管排水减压设施。
3.2严格控制施工质量
3.2.1严格控制预制板制作质量
混凝土预制板在水位变幅带出现冻融剥蚀问题比较普遍，主要与施工质量控制有关。减少冻融破坏的措施：一是严格控制原材料包括粗细骨料、水泥和水的质量；二是严格水灰比的控制；三是严格按配合比进行外加剂的掺加；四是保证混凝土的震捣质量；五是加强混凝土板的场内养护。
3.2.2严格控制明渠衬砌施工质量
渠道削坡平整密实。削坡是渠道衬砌前关键的一道工序，削坡过程中注意随时检查校正，防止超挖伤坡，严格控制坡面的平整度，保证削坡坡面土体的密实度，对穿渠建筑物如倒虹、桥梁桩基周围的回填土，严格控制压实度或相对密实，以防不均匀沉降引起衬砌板塌陷。
土工膜焊接牢靠。衬砌板下土工膜的铺设、焊接、保护是施工过程中的重点工序，土工膜铺设搭接長度不得小于15cm；施工焊缝搭接面不得有污垢、砂土、积水等杂质，焊接完成后检查有无虚焊漏焊现象；加强对土工膜的保护，作业人员应穿胶鞋或软底鞋施工，严禁踩踏，对检查出的小破损，及时焊接，保证土工膜质量合格。
渠道内坡坝脚盲管排水通畅。排水盲沟开挖，沟深、沟宽要满足设计要求。排水盲沟沟槽底部铺设5cm中粗砂垫层，盲沟之间对接整齐，两管不得错开，盲沟外包反滤土工布，铁丝绑扎牢固；用中粗砂将盲沟埋入并捣实，管顶由原状土回填夯实，平整坡面。逆止式排水器安装位置要求排水孔中心与集水暗管中心垂直，安装牢固，排水通畅。
砂浆勾缝饱满密实。砂浆勾缝是渠道衬砌的关键工序。应采用试验配合比确定的干硬性砂浆；勾缝前清理缝内砂灰等杂物，并洒水湿润；勾缝采用专用工具，确保勾缝砂浆密实、平整、光滑；勾缝后，及时用毛毡或草帘进行覆盖，并做好洒水养护。
3.3加强工程管理与维护
3.3.1保持排水设施畅通，加强工程维修养护
加强工程隐患排查和消除，及时疏通排水沟、排水建筑物、内排水设施并保证畅通，巡查沿线泄水闸闸门并保持灵活启闭等。在渠道运行或强降水期间，进行工程巡查监视，发现问题及时处理。
3.3.2加强汛期闸门调度
汛期不输水时渠道应处在关闭状态，拦蓄雨水增加渠道水位，尽量减小渠水位和堤内地下水位水头差，以削减地下水上升造成的扬压力增大，破坏衬砌结构；加强巡查、观测，当地下水位高于渠内水位15cm时，及时下落下游节制闸，以雍高渠道内水位。
3.3.3做好渠道运行控制
工程通水时，做好渠道运行控制，流量变化力求循序渐进，水位避免大起大落。尤其在泵站停水后，控制渠内水位下降速率，防止鼓板、滑板情况的发生。
4结语
长距离调水工程，明渠渠道是工程的主要载体，通过对胶东调水明渠工程多年运行以来暴露的问题分析，设计充分、施工可行、运行可靠的衬砌型式是工程安全运行的前提，要从设计、施工、管理三方入手，增加工程耐久性。一要进一步优化衬砌设计。根据不同水文地质、工程地质条件，不同运行工况，进一步对防渗漏、防冻胀、防扬压衬砌方案进行优化。二要总结分析衬砌破坏原因，加强施工环节质量控制，保证工程质量。三要加强工程管理，加强日常工程维修养护和汛期及通水期间的渠道运行控制，保证工程长期安全运行。
