新疆某灌區(qū)渠道防滲改建工程設計分析

趙 剛

（阜康市城鄉(xiāng)供排水管理站，新疆 阜康 831500）

1 工程概況

新疆某灌區(qū)總面積9.09萬hm2，灌區(qū)灌溉面積2.16萬hm2。該灌區(qū)渠道始建于20世紀80～90年代，由團場自籌資金修建。建設初期由于資金限制，渠道建設標準較低，大部分為土渠，且襯砌段渠道未做抗凍脹措施，現(xiàn)狀渠道已破損不堪，建筑物年久失修已喪失正常運行的能力。本次防滲改建支渠6條，總長18.97km，配套建筑物40座，其中閘33座，涵7座，如表1。

表1 建設內(nèi)容統(tǒng)計

渠道設計流量1.08～0.32m3/s。設計基本地震加速度值0.10g，對應場地的抗震設防烈度為7°，渠道沿線為中軟場地土，土層經(jīng)驗等效剪切波速Vs在140～250m/s之間，場地為Ⅲ類場地，該場地為一般場地［1］。

2 渠道沿線地質概況

渠道沿線勘探深度范圍內(nèi)，由低液限粉土、級配不良礫、級配良好礫構成。

2.1 低液限粉土

主要分布于渠道沿線表層，南薄北厚，層厚0.1～5.0m，干強度低，韌性低。局部存在小礫石夾層。根據(jù)土工試驗，該層滲透系數(shù)3.0×10-4cm/s，內(nèi)聚力c=11kPa，內(nèi)摩擦角φ=28°。

2.2 級配不良（良好礫）

該層在渠線均有分布，位于低液限粉土層以下，未揭穿，最大可見厚度5.9m。由級配不良（良好）礫、砂礫石構成，粒徑大于2mm的顆粒含量超過總質量的50%，以礫石為骨架，呈交錯排列少部分接觸，粒徑大小不均，孔隙由砂礫石填充，磨圓度差，c=0kPa，φ=40°～60°，現(xiàn)場試驗滲透系數(shù)5×100～5×101cm/s，地基土物理力學性質及工程特性指標，如表2。

表2 地基土物理力學性質及特性指標

各土層均濕陷系數(shù)均小于0.015，不具有濕陷性，場地為非濕陷性場地。渠道沿線標準凍深1.5m，渠線范圍內(nèi)粒徑小于0.075mm的顆粒含量大于總土重的10%，判斷渠基土均為凍脹性土，采用符合抗凍脹要求的砂石料換填處理渠基［2］。

3 渠道橫斷面設計

3.1 渠道參數(shù)選定

渠道預制混凝土板襯砌糙率取0.017，沿線土質多為粉土、黏土、粉質黏土，當渠道設計水深在小于1m時，填方渠道的內(nèi)邊坡需≥1.25［3］。結合渠道土質及項目區(qū)的實際運行經(jīng)驗，確定渠道內(nèi)外邊坡系數(shù)均取1.5。按照設計流量，本次渠堤寬度取1.0m。4、5級渠道岸頂超高計算如式（1）：

式中 h加為加大流量水深（m）；Fb為超高（m）。

同時渠道襯砌超高值可采用0.3～0.8m，5級渠道可適當減小，但不應小于0.1m。

考慮渠道的長遠規(guī)劃，確定渠道安全超高0.21～0.44m之間，渠深0.62～1.24m。

3.2 渠道防凍脹設計

項目區(qū)最冷月元月份平均氣溫-19.4℃＜-10℃，屬嚴寒地區(qū)；渠道沿線地基土粒小于0.075mm的含量在10%以上屬凍脹性土質；地下水位在地面以下2.0～3.0m，本次設計取開挖面至凍結前地下水位的距離。渠道所在地區(qū)滿足發(fā)生凍脹的條件，渠道在修建時要采取防凍措施［4］。

按照GB/T50600—2010《渠道防滲工程技術規(guī)范》、GB/T50662—2011《水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范》及SL23—2006《渠系工程抗凍脹設計規(guī)范》，計算設計凍深和凍脹量。設計凍深按式（2）進行計算：

式中 Zd為設計凍深（m）；Ψd為日照及遮陰程度影響系數(shù)，渠道陰面、底面、陽面分別取值；Ψw為地下水影響系數(shù)；Zm為歷年最大凍深（m），根據(jù)當?shù)囟嗄隁庀筚Y料查得1.5m。

式中 a為南溫區(qū)系數(shù)；Ψi為典型斷面某部位i的日照及遮陰程度修正系數(shù)。

式中 βe為土壤系數(shù)，工程沿線為黏土、粉土，取0.79；陰面（陽面）底面均取1.10；Zw0為鄰近氣象臺的地下水位深度（m），取3m；Zwi為計算點的渠底至地下水位的深度（m）。

渠道設計凍深如表3。

表3 渠道設計凍深計算

4 渠道設計

4.1 渠道斷面

渠道斷面選擇梯型斷面預制混凝土板襯砌方式，尺寸根據(jù)渠道通過設計流量時明渠均勻流公式計算而得。 如式（5）［5］：

式中 Q為渠道設計流量 （m3/s）；A為渠道過水斷面面積（m2），A=（B+M×H）×H，B為渠道底寬（m），M為邊坡，H為渠道水深（m）；C為謝才系數(shù)，C=1/n×R1/6，n為渠床糙率；R為水力半徑；I為水力比降，即渠道縱坡。

通過水力計算，各渠道水力要素如表4。

表4 渠道水力要素

4.2 不沖流速驗算

根據(jù)GB50288—99《灌溉與排水工程設計規(guī)范》預制混凝土板襯砌結構，允許不沖流速小于5m/s。本次6條渠道設計流速0.32～2.02m/s，小于5m/s，設計流速滿足規(guī)范要求［6］。改建渠道采用梯型斷面型式，預制混凝土板加塑膜的雙防結構，6cm厚預制C20混凝土板，3cm厚M10砂漿墊層，0.3mm聚乙烯塑膜，下墊40cm厚砂礫石墊層防止渠道受凍脹破壞。渠道內(nèi)坡1∶1.5，渠道外坡坡1∶1.5，渠堤寬度為1.0m，渠道底寬0.92～0.47m，渠深1.24～0.62m，流速0.90～0.35m/s，渠道開口寬度4.64～2.33m，渠堤上設C20混凝土壓頂板，壓頂板厚6cm，尺寸0.3m×0.98m?；炷量箖龅燃塅200，抗?jié)B等級W6，渠道橫斷面設計如圖1。

4.3 伸縮縫

本次設計預制混凝土板橫向每7.0m設1條伸縮縫，底板縱向沿中心線設1條伸縮縫。伸縮縫形式均為矩型縫，寬均為2cm，錯縫布置，縫寬2cm。縫內(nèi)填2cm厚的綠豆砂，上部再灌厚4cm焦油膏。

4.4 壓頂板

本次在渠道兩側設壓頂板，壓頂板為現(xiàn)澆混凝土板，規(guī)格30cm×6cm×98cm，混凝土采用C20普通硅酸鹽混凝土；施工時將壓頂板嵌入渠堤頂，與堤頂在同一平面上。每兩塊板間設1道縫，縫寬2cm，用M15砂漿填縫。

5 結語

（1）渠道內(nèi)外邊坡系數(shù)均取1.5，渠堤寬度取1.0m，安全超高在0.21～0.44m之間，渠深0.62～1.24m。6條渠道設計流速0.32～2.02m/s，小于5m/s。

（2）渠道采用梯型斷面型式，預制混凝土板加塑膜的雙防結構，6cm厚預制C20混凝土板，3cm厚M10砂漿墊層，0.3mm聚乙烯塑膜，下墊40cm厚砂礫石墊層防止渠道受凍脹破壞。

（3）設計預制混凝土板橫向每7.0m設1條伸縮縫，底板縱向沿中心線設1條伸縮縫。伸縮縫形式均為矩型縫，寬均為2cm，伸縮縫錯縫布置，縫寬2cm。渠道兩側設壓頂板，壓頂板為現(xiàn)澆混凝土板，規(guī)格為30cm×6cm×98cm。