灌溉渠道襯砌方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉會(huì)橋

(寧夏水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司廣州分院，廣東 廣州 510000)

1 概述

灌區(qū)改造工程是一項(xiàng)重要的民生工程，可滿足工農(nóng)業(yè)以及居民生活用水需求，對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保持帶來(lái)極大的促進(jìn)作用。灌區(qū)改造工程中，工程量最大的部分為引水渠道改造，引水渠道是整個(gè)改造工程脈絡(luò)，源源不斷的向目的地輸送水源。引水渠道工程的質(zhì)量主要由襯砌結(jié)構(gòu)控制，引水渠道襯砌結(jié)構(gòu)也同其他的混凝土材料一樣，容易產(chǎn)生裂縫，這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就應(yīng)當(dāng)進(jìn)行考慮[1- 5]。同時(shí)，渠道襯砌結(jié)構(gòu)也應(yīng)滿足輸水和穩(wěn)定性需要[6- 10]。因此，要對(duì)渠道襯砌方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：襯砌斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)，襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，襯砌結(jié)構(gòu)防裂縫優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 工程概況

某工程主要任務(wù)是灌溉，通過(guò)對(duì)灌區(qū)進(jìn)行續(xù)建配套與節(jié)水改造，消除灌區(qū)渠道及建筑物存在的安全隱患，提高灌溉水利用率，發(fā)揮灌區(qū)的灌溉效益。本次設(shè)計(jì)灌溉面積6.36萬(wàn)畝，灌區(qū)工程規(guī)模為中型，灌區(qū)灌排渠道工程級(jí)別為5級(jí)，渠系建筑物工程級(jí)別為5級(jí)。渠道總長(zhǎng)45.32km(包括渠系建筑物的長(zhǎng)度)，其中干渠改造長(zhǎng)15.92km，支渠9條總長(zhǎng)29.40km。

3 灌溉渠道襯砌方案

3.1 渠道橫斷面設(shè)計(jì)

3.1.1斷面設(shè)計(jì)原則

對(duì)原有渠道結(jié)構(gòu)的充分利用，盡可能減少占地需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行渠道改造、加固。斷面設(shè)計(jì)原則如下：

(1)最大程度的使用原有渠道，避免大規(guī)模的占地、開(kāi)挖土石方等。

(2)將原有建筑物和新建建筑物作為控制點(diǎn)，采用分段設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行引水渠道縱坡降設(shè)計(jì)。

(3)在滿足引水渠道不沖不淤流速要求的基礎(chǔ)上，選擇最小斷面；同時(shí)避免上下游渠道水面產(chǎn)生大的變化，造成局部水頭損失。

(4)引水渠道橫縱斷面應(yīng)該統(tǒng)籌考慮、反復(fù)調(diào)整直至達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)方案。

(5)根據(jù)加大流量，結(jié)合現(xiàn)狀渠道，樁號(hào)7+450～11+050現(xiàn)狀底寬為3～6m，本次改造根據(jù)現(xiàn)狀，避免大量土方填筑確定設(shè)計(jì)底寬；樁號(hào)6+700～7+450根據(jù)設(shè)計(jì)流量確定設(shè)計(jì)底寬2m；樁號(hào)11+050～16+650根據(jù)設(shè)計(jì)流量確定設(shè)計(jì)底寬1.5m；樁號(hào)16+650～22+620渠道基本毀壞，已沒(méi)有渠道形狀，根據(jù)設(shè)計(jì)流量，采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面。

3.1.2斷面形式比選

渠道斷面的基本要求是滿足設(shè)計(jì)輸水流量。渠道兩側(cè)邊坡應(yīng)該具備較好的穩(wěn)定性，渠道不沖刷和淤積。

灌區(qū)改造中擁有不同等級(jí)的引水渠道，每條渠道的設(shè)計(jì)流量均不相同。合理的斷面結(jié)構(gòu)形式可以降低成本也可以改善輸水環(huán)境，延長(zhǎng)使用壽命。引水渠道是水利工程的主要建筑物，引水渠道斷面通常有梯形、矩形、多邊形、U形或半圓形等多種形式。各斷面特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 不同斷面特點(diǎn)

根據(jù)表1可知梯形斷面的特點(diǎn)。已有渠道基本均采用明渠輸送水源的方式，為減少土石方開(kāi)挖方量，需要充分利用現(xiàn)有渠道及斷面，在干渠設(shè)計(jì)時(shí)，基本維持原有的梯形斷面引水渠道，有效減少了征地面積，在樁號(hào)18+700～22+620段無(wú)渠道或渠道基本毀壞，需要新建渠道，但此處設(shè)計(jì)流量較小，采用矩形斷面。

不沖不淤流速V不淤：大型渠道的最小平均流速通常應(yīng)大于0.50m3/s，小型渠道的最小平均流速不得小于0.3m3/s。

渠道不淤流速計(jì)算采用《水力計(jì)算手冊(cè)》中經(jīng)驗(yàn)公式，西北水利科學(xué)研究所公式：

(1)

設(shè)計(jì)橫斷面的基本斷面采用梯形斷面，部分地段采用矩形斷面，斷面寬度以現(xiàn)狀寬度為基準(zhǔn)，確定渠段的統(tǒng)一寬度，再按明渠均勻流計(jì)算。

計(jì)算公式為：

(2)

(3)

(4)

式中，V—平均流速，m/s；Q—設(shè)計(jì)流量，m3/s；W—過(guò)水?dāng)嗝?，m2；R—水力半徑,m；i—水面坡降；C—謝才系數(shù)；n—糙率。

梯形斷面襯砌高度根據(jù)加大水位水面線齊平原則，分段確定襯砌高度。每段襯砌高度一樣，同一段襯砌高度取最大水深。矩形斷面襯砌高度為加大水位加安全超高0.2m。

樁號(hào)6+700～7+650加大水深0.73～0.87m，取襯砌高度0.9m；樁號(hào)7+850～11+050加大水深0.19～0.56m，渠道縱坡較大，取襯砌高度0.6m；樁號(hào)11+150～15+150加大水深0.22～0.68m，取襯砌高度0.7m。

3.2 渠道襯砌材料比選

渠道基底巖土體滲透性較強(qiáng)，一旦襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生滲漏將會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模的滲流。目前，常用的渠道襯砌材料為料、水泥土、砌石、防滲膜、混凝土及鋼筋混凝土等。

根據(jù)渠道所在的地形、縱坡降以及當(dāng)?shù)氐恼鞯厍闆r確定干渠采用梯形斷面見(jiàn)表2，其他渠道使用矩形斷面，現(xiàn)對(duì)兩種斷面襯砌材料從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行比選。

矩形斷面襯砌比較見(jiàn)表3。灌區(qū)矩形斷面在滿足結(jié)構(gòu)安全的條件下，一般襯砌方式有：漿砌塊石重力式邊墻結(jié)構(gòu)、混凝土重力式邊墻結(jié)構(gòu)、混凝土墻加撐梁結(jié)構(gòu)、砌磚及預(yù)制渠道。砌磚及預(yù)制渠道一般用于小型農(nóng)渠，本工程不建議采用。

根據(jù)以上梯形及矩形方案比較，根據(jù)干渠所在的地形條件，選擇梯形斷面，建議采用梯形斷面方案三；支渠及干渠尾段現(xiàn)狀無(wú)渠道或渠道基本毀壞，不需要大流量輸送水源，因此，可以選擇矩形斷面，建議采用矩形斷面方案三。

3.3 混凝土伸縮縫防滲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

伸縮縫部位為混凝土結(jié)構(gòu)連接的軟弱部位，在該部位經(jīng)常出現(xiàn)裂縫和滲水現(xiàn)象，情況較為嚴(yán)重時(shí)則會(huì)影響到引水渠道的輸水效率和渠道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，在工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出一種新型的混凝土伸縮縫防滲結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。使用材料需要符合強(qiáng)度、耐久性以及環(huán)保要求。按要求完成施工后取得了較好的使用效果。

表2 梯形斷面防滲形式方案比較表

注：斷面工程造價(jià)為底寬1.5m、襯砌高度為0.7m的防滲工程造價(jià)(不含土方開(kāi)挖回填)。

表3 矩形斷面防滲形式方案比較表

注：斷面工程造價(jià)為底寬1.3m、襯砌高度為1.5m的防滲工程造價(jià)。

圖1 襯砌結(jié)構(gòu)伸縮縫防滲示意圖

4 結(jié)論

(1)分析了渠道襯砌斷面設(shè)計(jì)過(guò)程中不同斷面襯砌形式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合工程特點(diǎn)，選取了梯形斷面和矩形斷面相結(jié)合的引水渠道襯砌方式。

(2)從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)角度出發(fā)，對(duì)襯砌材料選取進(jìn)行了比選，梯形斷面采用現(xiàn)澆混凝土作為襯砌材料，矩形斷面采用混凝土墻加撐梁的襯砌方案。兩種襯砌方案對(duì)混凝土防滲要求較高。

(3)針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)在伸縮縫處易于產(chǎn)生滲漏的特點(diǎn)，提出了一種新型的伸縮縫防滲結(jié)構(gòu)，通過(guò)工程檢驗(yàn)取得了較好的防滲效果。