合山市東亭、南洪兩水庫連通渠防滲設計

李 玉

（廣西桂禹工程咨詢有限公司，南寧 530023）

1 工程概況

東亭水庫位于合山市北泗鎮東亭村以北2 km處，所在河流為東亭溪，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養殖等綜合利用的小（1）型水利工程。東亭水庫由1 座主壩、1 座放水設施、1 座溢洪道、1 座連通渠放水閘等建筑物組成，大壩為均質土壩，最大壩高13.2 m，壩頂長179.0 m。水庫總庫容116.6萬m3，興利庫容為38.80萬m3，調洪庫容為77.80萬m3。水庫設計灌溉面積0.03 萬畝，實際灌溉面積0.03 萬畝，是下游農業灌區及南洪水庫的主要水源之一。

南洪水庫位于合山市北泗鎮南洪村旁的紅水河左岸小支流桃花嶺河上游，于1957 年始建，1958年建成并投入使用。水庫距離合山市約8.0 km，距柳邕公路0.5 km，與東亭水庫壩址的直線距離為3.5 km。南洪水庫由1 座主壩、3 座副壩、1 座溢洪道、1座泄洪閘、3座輸水設施等建筑物組成，是一座以灌溉為主、兼顧養殖的綜合利用工程，屬小（1）型水利工程。水庫總庫容614 萬m3，興利庫容為477萬m3，原設計灌溉面積1.21 萬畝，實際灌溉面積僅0.717萬畝，未能充分發揮水庫的灌溉功能。

當地水利部門在東亭水庫至南洪水庫之間修建了一條連通渠道長4.09 km，將東亭水庫多余水量引至南洪水庫。渠道建成初期，南洪水庫由于得到東亭水庫的補水，水庫下游農田灌溉面積增加，糧食產量增加，對當地農業的發展起到了一定的促進作用。

目前兩座水庫均已經完成除險加固，不存在安全隱患，大壩運行安全可靠。

2 渠道工程設計

2.1 渠道現狀

項目區內渠道設計流量均小于5 m3/s，為5級建筑物。

東亭水庫至南洪水庫連通渠總長4.09 km，渠底寬2～6 m，渠高1～3.5 m，設計流量1.76 m3/s。連通渠建于20世紀五六十年代，干渠總長4.09 km，其中樁號0+000～0+036 段為混凝土渠道，現狀完好；樁號0+036～4+090段基本為土渠，局部渠段擋墻為漿砌石，現狀全段淤積嚴重，部分渠段內已種植桉樹。主要存在的問題有:①連通渠工程都是當時群眾運動的產物，工程質量差，渠道的水力坡降大多數都沒按設計要求施工，引起渠道壅水，泥沙淤積，渠道過水能力不能達到設計要求，導致對灌區供水不足；②工程運行時間長，設備老化，由于資金問題未能及時進行加固和維修；③由于渠道的大量滲漏，造成渠道沿線的田地，渠道上游因為滲漏而長期被水浸泡形成澇漬地，作物生長緩慢，甚至澇死；渠道下游因為無水澆灌，無法種植作物；④干渠目前滲漏嚴重，渠道邊墻坍塌，嚴重變形，土渠更是淤積滲漏嚴重。

2.2 設計方案選擇

本設計對東亭水庫至南洪水庫連通渠進行整治、清淤、襯砌、防滲和加固，對渠系建筑物根據實際情況進行維修、重建，渠線、渠道縱坡原則上與現狀一致，渠系建筑物大部分在原址維修或重建。

渠道防滲襯砌的方法有很多，如現澆混凝土、漿砌塊石、漿砌條磚、塑性水泥土及土工膜加混凝土保護層等。從項目區土壤構造出發，結合近幾年渠道防滲與施工的實踐，考慮到工程材料的來源、渠道現狀斷面基本為矩形等條件，本項目渠道兩側采用水工擋土墻，底板采用120 mm厚的C15砼。以0+036～3+000渠段為例，擬選定重力式漿砌塊石、重力式埋石混凝土、衡重式埋石混凝土等3 種擋墻設計方案作為本次設計的比較方案（見表1）。各方案橫斷面圖分別見圖1～圖3。

表1 渠道防滲工程設計方案比較表（按1000 m計算）

由表1可知，3種防滲型式各有優缺點，從技術及施工角度看都是可行的，本項目渠道基本是在原渠道上襯砌加固，原渠道地質條件較好，邊坡也較穩定，為了節約投資，本次設計擬采用方案三（衡重式C15埋石砼擋墻）。

圖1 方案一：重力式漿砌塊石擋墻

圖2 方案二：重力式C15埋石砼擋墻

圖3 方案三：衡重式C15埋石砼擋墻

2.3 渠道水力計算

（1）計算公式。渠道水流按明渠均勻流考慮，根據《水力計算手冊》（第二版），計算公式如下:

式中:Q 為各渠段過流流量，m3/s，渠首設計流量1.76 m3/s；A 為過水斷面面積，m2；R 為水力半徑（R=A/x）；x為濕周，m，x=b+2 h（1+m2）0.5，b為渠道底度，h為渠道設計水深，m為邊坡系數；C為謝才系數；n為糙率（《水力計算手冊》第二版，P45，表2-2-10，抹面漿砌石:n=0.017）；i為渠道坡降（i按渠道現狀、渠道首尾銜接、挖填方量等因素綜合考慮選取）。

（2）加大流量Qn。根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB50288-2018）P46中表6.1.8:

式中:Qn為渠道加大流量，m3/s；a為渠道流量加大系數；Q為渠道設計流量，m3/s。當Q＜1 m3/s時，a取值為0.35；當1 m3/s＜Q＜5 m3/s時，a取值為0.30。

（3）安全超高Δh（《水力計算手冊》第二版，P43）。

式中:Δh為渠道岸頂超高，由于渠道斷面較小，可根據實際情況綜合確定；hj為渠道通過加大流量時的水深。

（4）不沖流速（《水力計算手冊》第二版，P48，表2-2-15）。

漿砌石渠道，不沖流速取3.5 m/s；現澆混凝土渠道，不沖流速取6 m/s。

（5）不淤流速。根據《農田水力學》第三版（中國水利水電出版社，P113）中公式:

式中:Vcd為渠道不淤流速；C0為不淤流速系數，隨渠道流量和寬深比而變，查表4-14，Q＜5 m3/s 時，C0=0.4；Q為渠道設計流量，m3/s。

（6）渠道沿線水深及渠底高程計算。在確定渠道沿線水深及其相應的渠底高程時，考慮以下兩個基本因素:①本項目實施防滲襯砌的渠道沿線水深及渠底高程按整條渠道考慮；②滿足過流水深要求的渠底高程不低于渠道上原有附屬建筑物過流底部高程（盡量避免拆除原有附屬建筑物底板）。

根據各渠段的設計流量，斷面型式、渠道縱坡以及渠道的工作制度等因素計算確定渠道的設計水深，加上安全超高即得混凝土防滲頂部高程。項目區渠道的水力計算成果見表2。

表2 渠道水力計算成果表

2.4 渠道邊墻計算

本工程干渠渠道邊墻采用水工擋土墻的型式加固，考慮到盡量減少占地面積，采用衡重式擋土墻。根據水力學計算成果及現狀，干渠分為兩種斷面型式。擋土墻依據《水工擋土墻設計規范》（SL 379-2007）驗算擋土墻的抗滑穩定、抗傾覆穩定和地基承載力的驗算。

2.4.1 計算斷面

兩種尺寸的擋墻均考慮基本荷載組合與特殊荷載組合，各組合均選一個土質基礎、一個巖石基礎上的斷面作為典型計算斷面，進行穩定計算及應力分析，每類基礎斷面按荷載組合對應以下兩種計算工況:

（1）基本荷載組合。工況①:完建工況，此工況下擋墻前后無水；工況②:設計水位工況，此工況下渠道外側無水，渠道內側為設計水位。

（2）特殊荷載組合。工況③:水位驟降工況，渠道內側無水，渠道外側水位為距離墻基礎底部1/3墻高度處；工況④:暴雨工況，渠道內、外側水位均達到擋墻頂部。

2.4.2 計算方法

根據《水工擋土墻設計規范》（SL379-2007）的抗滑穩定計算采用抗剪公式，抗傾穩定及應力采用一般重力法及材料力學法。

（1）抗滑穩定安全系數按下式計算:

式中:Kc 為擋土墻沿基底面的抗滑穩定安全系數；∑G 為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；∑H 為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載（kN）；f為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數。

（2）抗傾覆穩定安全系數按下式計算:

其實在我看來，全新航海家最大的改變，不是外形和配置，而是名字。作為由第二代林肯MKX改款而來的新車型，全新航海家也是林肯首款依照全新命名規則更名的車型，“Nautilus”在古希臘語中的含義是“水手”，而用在艦船上最著名的則是美國海軍的“鸚鵡螺”號核潛艇—世界上第一艘核潛艇。更名之后，人們更容易將航海家和MKC區別開來。

式中:K0為擋土墻抗傾覆穩定安全系數；∑MV為擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m；∑MH為擋土墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m。

（3）基底壓應力按下式計算:

式中:Pmaxmin為擋土墻基底應力的最大值或最小值，kPa；∑G 為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；∑M 為作用在擋土墻上的全部荷載對于水平面平行前墻墻面方向形心的力矩之和，kN·m；A為基底面的面積，m2；W 為基底面對于基底面平行前墻墻面方向形心軸的截面矩，m3。

2.4.3 計算簡圖

計算簡圖見圖4～11。

圖4 完建工況（2.12 m墻高斷面，土基2+400、巖基0+800）

圖5 設計水位工況（2.12 m墻高斷面，土基2+400、巖基0+800）

圖6 水位驟降工況（2.12m墻高斷面，土基2+400、巖基0+800）

圖7 暴雨工況（2.12 m墻高斷面，土基2+400、巖基0+800

圖8 完建工況（1.62 m墻高斷面，土基3+050、巖基3+900）

圖9 設計水位工況（1.62 m墻高斷面，土基3+050、巖基3+900）

圖10 水位驟降工況（1.62 m墻高斷面，土基3+050、巖基3+900）

圖11 暴雨工況（1.62 m墻高斷面，土基3+050、巖基3+900）

2.4.4 計算結果

計算采用北京理正巖土軟件6.5版擋土墻設計軟件。

表3 擋墻穩定計算結果

由表3可知，擋土墻抗滑、抗傾覆穩定安全系數均滿足《水工擋土墻設計規范》（SL379-2007）要求，基底最大壓應力均小于基礎容許承載力。因此，擋墻滿足設計要求。

2.5 渠道設計成果

本項目主要是對干渠損毀、淤積等問題較嚴重的渠段進行防滲加固襯砌，通過現場勘察和調查，本次渠道加固或防滲襯砌共4.09 km。各防滲渠段根據現狀渠道斷面、渠道沿線地質、土壤及渠坡穩定情況，確定渠道斷面采用矩形斷面，擋墻采用C15埋石砼，底板采用C15混凝土防滲。

（1）0+036～3+000渠段。本渠段的渠道設計斷面3000 mm×2000 mm，擋墻采用衡重式C15 埋石砼，頂寬400 mm，底寬640 mm，高2120 mm，內側迎水面鉛直，外側上墻高度1000 mm，坡度為1∶0.2，外側下墻高度1120 mm，坡度為1∶0.5，中間平臺寬800 mm；底板采用120 mm厚的C15混凝土，典型襯砌斷面見圖12。若設計渠底高于現狀渠底，清淤后，回填粘土壓實，再鋪砂礫石墊層；渠道每隔5 m設一分縫，采用瀝青木板填縫，縫寬20 mm，采用鋁片止水，擋墻及底板分縫下方需沿縫依次鋪設400 mm寬油毛氈和防滲塑料膜，油毛氈在上，防滲塑料膜在下，分縫兩側每邊各寬200 mm。

（2）3+000～4+090渠段。本渠段的渠道設計斷面3000 mm×1500 mm，擋墻采用衡重式C15 埋石砼，頂寬400 mm，底寬640 mm，高1620 mm，內側迎水面鉛直，外側上墻高度750 mm，坡度為1∶0.2，外側下墻高度870 mm，坡度為1∶0.5，中間平臺寬675 mm；底板采用120 mm厚的C15混凝土，典型襯砌斷面見圖13。若設計渠底高于現狀渠底，清淤后，回填粘土壓實，再鋪砂礫石墊層；渠道每隔5 m設一分縫，采用瀝青木板填縫，縫寬20 mm，采用鋁片止水，擋墻及底板分縫下方需沿縫依次鋪設400 mm寬油毛氈和防滲塑料膜，油毛氈在上，防滲塑料膜在下，分縫兩側每邊各寬200 mm。

圖12 典型襯砌斷面（0+036～3+000）

圖13 典型襯砌斷面（3+000～4+090）

3 結語

渠道設計主要是解決灌渠水資源浪費、渠道滲漏問題，以提高灌溉保證率。在渠道設計中應注意以下幾方面:

（1）滿足設計功能及規模要求，與原工程較好的銜接性。

（2）方便施工，確保能安全可靠地正常運行。

（3）方便管理操作和維護。

（4）能保護周邊生態環境，不干擾或盡量少干擾社會經濟環境等，最終達到技術可靠、經濟合理、環境改善、社會滿意的效果。