裝配式水利U型渠的結構研究

胡 新

(山西省東山供水工程建設管理局，太原 030001)

0 引 言

裝配式U形渠是傳統的U形渠結構與工業裝配工藝形式相結合的一種水利渠道形式，其施建簡單，功能適用，符合我國水利發展背景，是一種不錯的水渠建造適用技術。文章探究裝配式U形渠的結構配筋、橫斷面以及支撐形式等一系列結構和施建技術要點，以為同類工程應用提供技術參考。

1 裝配式U形渠簡介

農田灌溉工程中我們經常會使用U形渠道，按照不同的施工方法可以把它分為現接式和預制裝配式，裝配U形渠成品質量容易控制，由于把材料放在相對固定的場地進行施工，因此便于批量生產，同時由于它占地面積小，可以使場地得到充分的利用，大大提高了周轉效率。U形渠多采用鋼筋混凝土結構，其斷面特征較為統一，多為半圓形加直線的形式。渠壁頂端尺寸要比中間大，只有這樣才可以有效提高U形渠自身剛度兩側的肋板起支撐作用，在拼接過程中不需要填土護坡，因此可以省下大量的土[1]。除此之外，渡槽裝配U形渠內壁相對光滑，流速增大從而避免了渠道內部滋生雜草，降低了清理、維護工作量。裝配式U形渠如圖1所示。

圖1 裝配式U形渠水利應用圖

裝配式U形渠使用的是承插式連接方式，改變了傳統的平縫連接，這種連接方式具有連接緊密、防滲性能好等優點，除此之外，承插式連接還大大提高了渠壁的抗彎強度，裝配式U形渠使用范圍非常廣泛，除了在農田灌溉中發揮巨大作用以外，還可以用于道路排水工程以及農田渠道排水[2]。

2 裝配式U形渠身結構配筋、彎矩及軸向力參數

1)UD60型號裝配式U形渠身結構及配筋分布如圖2所示。

圖2 UD60型號裝配式U形渠身結構及配筋分布

2)UD60型號裝配式U形渠操向彎矩參數如表1所示。

表1 UD60型號裝配式U形渠操向彎矩參數一覽表

3)UD60型號裝配式U形渠身軸向力參數如表2所示。

表2 UD60型號裝配式U形渠身軸向力參數一覽表

3 裝配式U形渠橫斷面設計

渠道斷面，具體如圖如3所示。

圖3 U形渠道斷面

圖3顯示，該渠道下半部分為半圓形，上部為向外傾斜的直線段，并且半圓與直線之間存在著相切的關系。外傾角α在5°-20°之間，外傾角與渠槽深度之間存在著正比的關系，隨著渠道深度的增加外傾角會隨之增大。為了滿足灌溉的需要，較大的U形渠斷面可以稍微淺一些，寬度與深度的比為B/H=1.30-1.50，相反的如果U形渠道較小，那么渠道應該變得窄深一些，而寬深比也可以減小至1.0。

U形渠道的渠壁超高a1參數值，如表3所示。

表3 渠壁超高a1參數值表

U形渠道斷面參數值的經驗關系，如表4所示：

表4 裝配式U形渠斷面經驗關系參數表

4 渠身縱向支撐形式和跨度設計

渠身放置在鎮墩上，一方面可以起到縱梁支撐的作用，另外一方面也起到了很好的輸水作用。但是在實際施工過程中我們往往會把渠身分為很多個小節，從而避免在地基不均勻沉降或者是溫度變化過大時渠身出現裂縫[3]。溫度變化的時候混凝土結構很容易出現收縮裂縫，若裂縫沒有得到有效控制，對于渡槽裝配U形渠來說勢必造成大量水資源的浪費。因此當地基條件不利于施工或者是渠高過大的時候，必須設計的跨度也相應增大，當渠深較淺的時候使用小跨度便可滿足要求。渠身發揮著縱向梁的作用，因此在施工時需要在渠身中加入較多的鋼筋。查閱有關資料發現，對于小形渡槽結構設計來說，簡支梁的跨度取值范圍在30-70cm。

5 渠道斷面水力設計的相關參數

5.1 渠床糙率系數

渠床粗糙度通常用糙率系數n表示，n是一個常數，它可以通過計算求出也可以根據以往施工經驗確定。糙率系數與渠道設計質量有著密切的關系，若n取值不精確勢必影響設計精度，對于后期農田灌溉來說非常不利[4]。一般情況下取值越大，那么工作量就會增加，與之對應施工成本也會居高不下。若取值過小，可能導致U形渠尺寸不夠，達不到理想的輸水能力。具體選擇糙率系數的時候應該根據施工材料的質量確定，并確保日后落實管理制度，做好相應的養護工作[5]。糙率系數n取值情況如表5中所示。

表5 渠床糙率系數n值表

5.2 臨界不沖流速和臨界不淤流速

臨界不淤流速是指在穩定渠道條件下所最小的允許平均流速，臨界不淤流速也稱不淤流速，用Vcd表示。臨界不沖流速是指在穩定渠道條件下所允許的最高流速平均數，臨界不沖流速也簡稱為不沖流速，一般用Vcs表示。為了保證能夠維持渠床的穩定運行，設計流量通過渠道時，其平均流速Vd值，要求滿足如下條件，即Vd>Vcd，且

5.3 裝配U型渠道渠底比降

U形渠渠底比降是衡量設計質量的重要參數，它指的是在某一單位長度內(設坡度均為一)渠道兩端的高度差與該渠段長的比值。U形渠渠底比降的選擇與工程造價、施工占地面積等方面有直接關系，具體選擇的時候應該按照渠道沿線的地面坡度以及進水口等要求，施工經驗也是確定裝配式U形渠渠底比降必不可少的。此外，設計流量也是設計人員應該著重考慮的，但是無論是哪種設計方案，都應該堅持以不增加工作量的原則，而通過合理選擇比降能夠有效降低工程量[6]。由經驗可知，當設計流量逐漸減小的時候，U形渠渠底比降反而會增大。當支渠上下流量差別較大的時候，應該在不同的部位使用不同的比降，上游相對平緩、下游則比降陡峭。清水渠很容易出現沖刷現象，因此比降應該相應緩和。比如某灌區輸水渠道的比降為1/10000-1/28000。另一某灌區的U形渠渠底比降為1/2000-1/5000。對于抽水灌區的渠道而言，應該在滿足要求的情況下盡可能選擇平緩的比降，以防止泥沙淤堵，妨礙農田灌溉，同時選用平緩的比降也會降低灌溉成本。我國黃土高原地區農田灌溉多使用黃河水，這也意味著渠道中流動著含沙量較高的水，針對這一特殊情況，在選擇裝配式U形渠渠底比降的時候應該參考下列公式：

(1)

式中：i為裝配式U形渠渠底比降；ρ0為水流的飽和挾沙量，kg/m3)；ω為泥沙平均沉速，mm/s。初步進行設計的時候，如果施工條件允許，那我們選用的裝配式U形渠渠底比降應該盡可能大一下，選擇比降在1/500-1/1500之間。若>1/1500，將會增加工程造價，也就不符合經濟性原則。除了比降范圍有所要求外，臨界坡度也是一個重要的參數，根據渠道過水斷面尺寸先擬定一個比降，然后在正常通流的情況下對比降進行校核，若滿足要求說明取值合理。若不符合要求，重新選定比降并計算校核。

6 結 論

文章探究了裝配式U形渠身結構配筋、彎矩及軸向力參數；裝配式U形渠橫斷面設計；渠身縱向支撐形式和跨度設計；以及渠床糙率系數、臨界不淤不沖流速、裝配U型渠道渠底比降，等一系列裝配式U形渠技術要點。足見其技術易行、功能適用和施建簡單，是一種不錯的水渠建造適用技術，值得在標準化農田水利建設中，尤其適合在土壤資源稀少或丘陵地區選擇使用。

[1]鞏偉軍.明渠均勻流流速分布規律研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2016.

[2]高楊.U形渠道水力特性及測流試驗研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2011.

[3]王亞林.灌溉U型渠道挾沙水流流速分布規律的分析研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2012.

[4]楊岑.明渠均勻流糙率系數及紊動特性試驗研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2010.

[5]郝晶晶.U形渠道拋物線形量水槽數值模擬研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2008.

[6]楊仕松.農田建設中混凝土U形防滲渠技術的推廣[J].湖南：湖南水利水電，2010(04)：67-68.