南干渠渠道改造工程技術方案研究

(遼寧江河水利水電新技術設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003)

1 概 述

渾北灌區(qū)地處沈陽市西北部，始建于1914年。全灌區(qū)東西長48km，南北寬22km。區(qū)內土地面積285.5km2，耕地面積33萬畝，其中設計灌溉面積22.27萬畝。渾北灌區(qū)是遼寧省的中型灌區(qū)之一，也是沈陽市重要的水稻產區(qū)。

灌區(qū)內各條渠道除輸送灌溉用水、景觀環(huán)境用水外，還承擔沈陽北部城區(qū)排水任務。一方面渠道斷面窄小，落淤嚴重，流速緩慢，堤身單薄，汛期各渠道常滿負荷排洪，常會出現(xiàn)因排泄不暢而造成的漫堤、決堤等險情。另一方面，隨著城市化發(fā)展和農村產業(yè)結構調整，水田面積大大減少，減少了排水出路。三面閘以下段渠道已成為城市排水的瓶頸。因此，研究如何利用現(xiàn)有渠道，減少征占地，通過工程措施提高渠道過流能力，解決城市排水出路問題顯得十分必要。本文以南干渠改造為例，針對南干渠各段存在的不同問題，分段研究渠道改造工程技術。

2 南干渠現(xiàn)狀及存在問題

南干閘至紅旗閘段為南干渠，全長4019m，2011年實施整治，設計流量22m3/s，設計河底比降1/3500，梯形斷面，設計渠深2.3m，設計渠底寬度13m，因征地困難、與建筑物平順銜接等因素，實際渠底寬度9～17m，渠底鋪設有天然鈉基膨潤土防水毯，兩側邊坡采用鋼筋混凝土板護坡，坡比1∶1.5，坡長3.42m，護坡中間設置一道縱縫，由于水位變化、凍脹，導致縱縫處混凝土板存在不同程度破損，特別是處于陰面的混凝土板破損嚴重。南干渠上現(xiàn)有5座公路橋和7座鐵路橋，其中767鐵路橋橋面底高程較低，橋面與渠頂齊平，制約了渠道水位，其余橋梁均能滿足渠道排水要求。

根據城市總體規(guī)劃，在原南干閘至二環(huán)橋段渠道所在地新建調蓄湖，受其影響，該段渠線須重新規(guī)劃布置。根據渾北灌區(qū)渠系排水流量分配情況，要求南干渠渠道改造后南干閘至暗渠進口閘段設計流量達到34m3/s，過流能力須增大12m3/s，提高1.5倍。其中，新建暗渠分走流量23m3/s后，暗渠進口閘至紅旗閘段設計流量為11m3/s(見圖1)。利用明渠均勻流公式對南干渠現(xiàn)狀渠道過流能力進行復核，南干渠渠道改造后南干閘至暗渠進口閘段渠道過流能力不足。

圖1 南干渠平面位置示意圖

3 常用渠道改造技術研究

由于南干渠土質主要是砂性土，滲流量較大，現(xiàn)由鋼筋混凝土板護坡，防水毯護底，結合東北地區(qū)氣候、土壤等條件，本次改造主要對干砌石、漿砌石、連鎖磚、鋼筋混凝土等技術進行了研究分析。

3.1 干砌石

干砌石護坡一般用于坡比在1∶2.5～1∶3區(qū)間、坡度較緩、受水流沖刷較輕的坡面。干砌石護坡應由低向高逐步鋪砌，要嵌緊、整平，鋪砌厚度一般采用30～50cm。干砌石護坡應選擇材質堅實新鮮，無風化剝落層或裂紋，表現(xiàn)無污垢、水銹等雜質的石塊。石塊應大致方正，上下面大致平整無尖角，石料的尖銳邊角應鑿去。干砌石護坡層下鋪設10cm以上厚度的碎石、粗砂或砂礫作為反濾層，封頂用平整塊石砌護。

3.2 漿砌石

漿砌石是使用膠結材料的塊石砌體。漿砌石護坡一般應用于坡比在1∶1～1∶2之間，或坡面下部可能遭受強烈水流沖刷的河段。漿砌石護坡由面層和起反濾層作用的墊層組成，面層鋪砌厚度為25～35cm，墊層厚度一般采用10～25cm。與干砌石相比，漿砌石護坡堵水性能較好，對邊坡坡比要求不高，使用范圍相對較廣。缺點是造價較高、生態(tài)性較差。

3.3 聯(lián)鎖磚

鉸接式聯(lián)鎖磚是一種由絞索穿孔連接的聯(lián)鎖型護坡系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由一組尺寸、形狀和重量一致的混凝土塊用若干絞索相互連接在一起形成的聯(lián)鎖矩陣，使相鄰單元連接為一體，共同抵御波浪和水流的沖擊。該系統(tǒng)外形美觀，具有一定的柔性，能較好地適應溫度變化，自行調整凍脹變形。厚度在0.1～0.3m左右，適用于小水流情況下的土壤侵蝕控制。缺點是運行管理難度較大，一塊脫落后會引起周邊大面積脫落。

3.4 鋼筋混凝土

鋼筋混凝土的主要材料有砂、石、水泥和鋼筋。混凝土具有很好的抗壓性，植入鋼筋彌補其抗彎性缺陷。鋼筋混凝土板具有強度高、糙率小、防風浪效果好、防滲效果好、耐久性好等優(yōu)點，在渠道襯砌中應用廣泛。鋼筋混凝土板護坡厚度在0.1～0.12m左右，底板厚度在0.3～0.5m左右。混凝土板下層鋪設10cm素混凝土墊層。為適應沉降變形，須設置伸縮縫。鋼筋混凝土材料缺點是造價高、生態(tài)效果差。

各方案技術經濟比較詳見表1。

表1 方案技術經濟比較成果

4 渠道改造技術確定

4.1 渠道改造基本思路

本次渠道改造一是要盡量利用現(xiàn)有渠道，減少工程征占地；二是要降低渠道水深，確保767鐵路橋擴孔后，能滿足排水要求。

從表1可知，鋼筋混凝土技術投資較其他改造技術投資高，但考慮到混凝土渠道糙率小，水流速度快，可有效降低渠道水深，提高排水能力；對坡比要求不高，通過變化渠道斷面型式，能減少占地，減少工程實施難度；防滲效果好，渠道水量損失小，可極大地提高工程灌溉效益；根據工程現(xiàn)場實際和工期要求，工程布置受渠頂寬度、渠內水深制約，加之現(xiàn)澆混凝土具有整體性好的優(yōu)點，本次南干渠改造優(yōu)選現(xiàn)澆鋼筋混凝土技術。

4.2 分段確定改造技術

針對南干渠各段存在的不同問題，分段確定改造技術方案。

4.2.1 南干閘至二環(huán)橋段

該段渠道現(xiàn)狀過流能力22m3/s，小于設計流量34m3/s，因新建調蓄湖，該段渠道須北移。受地形及現(xiàn)有建筑制約，須選擇糙率小、占地面積小、施工作業(yè)面小的技術方案，因此確定該段采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土矩形槽，槽深2.30m，底板厚0.40m，邊墻頂寬0.30m，矩形槽凈寬15m，二環(huán)橋上游30m渠底寬度由15m漸變到25m。矩形槽上口較窄，其占地面積與相同流量的梯形斷面渠道相比減少約50%，施工作業(yè)面小，能很好地解決工程占地問題，節(jié)約土地資源，為工程順利實施創(chuàng)造條件。

4.2.2 二環(huán)橋至暗渠進口閘段

該段渠道現(xiàn)狀過流能力22m3/s，小于設計流量34m3/s，因此須增大渠道排水能力。767鐵路橋橋面底高程較低，現(xiàn)狀橋梁最大過流量20m3/s，受工程投資和工期限制，767橋不能抬高，只能擴寬，以滿足過流要求。該段通過減小糙率來降低水位，改造時將原鋼筋混凝土板護坡全部拆除，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板全斷面襯砌渠道，設計渠底寬度13m，因部分渠段底寬不足13m，須將其進行擴寬，渠底采用30cm厚C25鋼筋混凝土板防護，每隔12m設置一處伸縮縫。邊坡采用10cm厚C25鋼筋混凝土板護坡，坡比1∶1.5，頂部設0.30m水平壓頂。為解決縱縫處混凝土板破損問題，本次改造坡面不設置縱縫，每隔4m設置一道橫縫。混凝土護坡以上按照坡比不陡于1∶2修坡整形，撒播草籽。

4.2.3 暗渠進口閘至紅旗閘段

暗渠進口閘至紅旗閘段現(xiàn)狀過流能力大于設計流量11m3/s，因此僅對現(xiàn)狀破損的混凝土板護坡進行改造。本次改造取消原設計混凝板縱縫，避免水位變化對坡面的影響，采用10cm厚C25鋼筋混凝土板對兩岸邊坡進行防護，頂部設0.3m寬壓頂，邊坡坡比、護坡長度與原設計一致，每隔4m設置一道瀝青木板伸縮縫，護坡下設10cm厚C15素混凝土墊層。混凝土護坡以上按照坡比不陡于1∶2修坡整形，撒播草籽。

5 結 語

本文以南干渠改造工程為例，在設計和實施過程中以少占地、少動遷，充分利用現(xiàn)有渠系工程為原則，統(tǒng)籌地上、地下空間布局，選擇梯形、矩形兩種斷面型式，采用鋼筋混凝土技術來降低渠道糙率，加大流速，減小水深，大大提高了渠道排水能力，同時保障了現(xiàn)有渠系交叉建筑物的安全，改善了民生，對于保障人民群眾生命財產和安全具有重要作用。研究成果可為灌區(qū)改造工程規(guī)劃設計提供參考，為尋找城市排水出路提供方向，為解決老城區(qū)內澇問題提供思路，具有一定的理論價值和應用價值。

受實際情況制約，文中推薦的鋼筋混凝土技術雖能解決排水工程問題，但其生態(tài)性較差，隨著新產品、新材料的日益發(fā)展，相信會有更生態(tài)，防滲、抗沖、抗凍脹、耐久性好的材料應用于渠道改造工程。同時，隨著施工工藝的不斷優(yōu)化，渠槽表面的粗糙程度也會得到控制，表面更光滑，相同過流量條件下可采用更小的渠道斷面，更利于節(jié)約土地，改善沿岸宜居的生態(tài)環(huán)境。