灌排混合型渠道護坡襯砌方案比選設計研究

趙 亮 肖晨光

一、引言

灌排混合型渠道指兼顧灌溉和排水功能的一體化渠道，可以在干旱缺水時發(fā)揮灌溉輸水功能，防洪排澇時發(fā)揮排洪功能，一渠兩用可以節(jié)約土地空間增加灌排水效率。然而相較于普通灌溉渠道，灌排混合型渠道對護坡的形式和設計有著更高的要求。

護坡是渠道堤防的重要組成部分，對防止渠道的侵蝕、淤積和塌陷、控制周邊地下水位起到了重要作用，也直接影響堤防邊坡的穩(wěn)定性。對于灌排兩用型的渠道，由于渠道排洪時流速較快，對堤腳的沖刷更加嚴重，若不進行合理的防護，將存在渠堤損毀的可能，由于相對高程高，對周邊群眾生命財產(chǎn)安全的威脅較河道更大。本文以灌排混合型渠道淠東干渠壽縣段為例，考慮渠道治理工程中襯砌結構、坡面防沖、防滲、護腳性能、耐久性、襯砌厚度、鎮(zhèn)腳深度等指標，對研究渠道護坡襯砌方案進行設計比選分析，注重考慮渠道防沖性能，為今后灌排兩用渠道工程設計提供參考依據(jù)。

二、研究渠道基本概況

淠東干渠壽縣段（K43+000～K69+908）被列入安徽省淠史杭灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造項目一期的10 個子項工程之一，對保障糧食安全、保障灌區(qū)生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水，支撐鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施，實現(xiàn)富民增效方面起到關鍵的基礎支撐作用。

淠東干渠渠道上影響渠道輸水安全及當?shù)厝罕娚敭a(chǎn)安全的險工段需要進行除險加固，具體包括對村莊段、迎流頂沖段、堤基分布淺層粉細砂段3 個渠段進行坡面襯砌處理。渠道治理段除需發(fā)揮枯水期蓄水、灌溉期高水位灌溉功能外，汛期還需承擔上游自然河道陡澗河排洪和淠河總干渠超高水位時開閘分洪任務，渠道現(xiàn)狀存在彎曲度小、水流速度快、下段閘門限制過流斷面等特點，為避免凹岸迎流頂沖段受水流迎面淘刷、堤基淺層粉細砂出露段坡面坍塌，渠道設計對迎流頂沖段、堤基分布淺層粉細砂段進行坡面襯砌處理。為保證沿岸村莊段的渠道岸坡結構安全，工程需對沿岸村莊段渠道岸坡進行補充襯砌設計。

三、襯砌結構方案比選

根據(jù)渠道坡面防沖、防滲及護腳性能要求，襯砌材料初選埋鋪式膜料、預制混凝土塊與混凝土，組合出三種方案進行比選，具體為：方案1—膜料+預制混凝土空心磚（護面），方案2—現(xiàn)澆混凝土護面，方案3—預制塊護砌。對3 種襯砌方案進行比選，詳見表1。

表1 不同襯砌方案優(yōu)缺點對比表

通過比較可以看出，方案1 優(yōu)點為生態(tài)性好，維修養(yǎng)護相對簡單，但其防滲、水力條件和耐久性一般，工程造價最高；方案2 防滲性能最優(yōu)、水力條件為最佳，且具有工程壽命長、造價便宜等優(yōu)點，缺點為生態(tài)性差、施工及維修養(yǎng)護相對復雜；方案3 水利條件好，適應基礎變形能力強，工程壽命長，施工及維修養(yǎng)護容易。

本工程擬建灌排混合型渠道，需考慮到汛期及灌溉期大流量放水時渠道內岸坡的結構安全及耐久性要求，要求襯砌材料具備較好的抗沖能力及耐久性能；為確保灌區(qū)能有較大的自流灌溉面積，渠道設計中需嚴格控制水頭損失；還要盡可能減少工程對生態(tài)的不利影響。

綜上分析，本工程渠道坡面襯砌設計采用預制塊護砌方案。

四、襯砌厚度確定

預制塊護砌方案中的襯砌厚度大小是決定襯砌質量和經(jīng)濟性的關鍵因素，根據(jù)《堤防設計規(guī)范》（GB50286-2013）規(guī)定，采用人工塊體作為土堤護面時，塊石的質量Q 及護面層厚度可按下式計算：

式中：

Q—主要護面層的護面塊體、塊石個體質量（t），當護面由兩層塊石組成，則塊石質量可在0.75～1.25Q范圍內，但應有50%以上的塊石質量大于Q；

γb—人工塊體或塊石的容重（kN/m3）；

H—計算波高，當平均波高與水深的比值H/d＜0.3 時，宜采用H5%；當H/d ≥0.3 時，宜采用H13%；

KD—穩(wěn)定系數(shù);

m 為水流流向與岸坡交角α 的余切值；

t—塊體或塊石護面層厚度（m）；

n—護面塊體或塊石的層數(shù)；

c—系數(shù)。

經(jīng)計算，預制塊混凝土厚t=0.096m，結合已建工程實踐，同時考慮施工水平，取預制塊厚度為0.1m、0.12m。

具體襯砌結構如下：

（1）淠東干渠常遇水位以下采用0.12m 厚C20預制連鎖砌塊護坡。

（2）淠東干渠常遇水位至設計灌溉水位與設計洪水位的較大值加超高0.5m 之間襯砌采用0.1m 厚工字型連鎖砌塊生態(tài)護坡，這是考慮到目前施工單位工人素質普遍不高，負重能力不足，符合規(guī)范要求安全條件下盡量降低安裝難度。

（3）為有效防止渠道水土流失，在渠道生態(tài)護坡以上采用草皮護坡。

五、襯砌段護坡鎮(zhèn)腳深度確定

為確保河岸穩(wěn)定，使水流不淘空坡腳，需計算設計洪水位下不同部位沖刷深度，從而確定整治部分護坡鎮(zhèn)腳埋置深度。

本次淠東干渠沖刷深度采用《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013）中D.2 護岸工程沖刷深度計算，順壩及平順護岸沖刷深度可按以下公式進行計算。

式中：

hs—局部沖刷深度（m）；

H0—沖刷處水深（m），以近似設計水位最大深度代替；

U—行進流速（m/s）；

Ucp—近岸垂線平均流速（m/s）；

n—與防護岸坡在平面上的形裝有關，取n=1/4～1/6；

η—水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α 查表得出。

淠東干渠渠道由迎流頂沖段和平直段組成。除少部分為迎流頂沖段外，其余皆為平直段。根據(jù)地勘報告，本次淠東干渠整治段渠底大部分均為粉質粘土或粘土。

計算斷面行進流速及計算水深均以20年一遇設計洪水下計算，其中平順岸坡段（α=0°）選擇兩個典型斷面，迎流頂沖部位選擇三個典型斷面（α=30°、40°、50°），各選取斷面計算參數(shù)如表2 所示。

表2 抗沖刷典型斷面參數(shù)表

計算渠道沖刷深度hs，結果見表3。

表3 沖刷深度成果表

綜上所述，本次工程淠東干渠迎流頂沖段坡腳沖刷深度為0.35～0.383m；沖刷較為明顯，需設置鎮(zhèn)腳以防止沖刷，鎮(zhèn)腳埋置深度0.5m，滿足設計要求。

六、結論

（1）本文以灌排混合型渠道淠東干渠壽縣段為例，考慮灌渠道治理工程的防沖性能、防滲性能、水力條件、生態(tài)要求、維修養(yǎng)護、施工工序、耐久性、工程壽命、一次性投資等因素，對膜料+預制混凝土空心磚、現(xiàn)澆混凝土護面、預制塊護砌3 個渠道護坡襯砌方案進行了設計比選分析，最終采用預制塊護砌方案，此方案防沖性能優(yōu)、水力條件佳、維修養(yǎng)護方便、耐久性好，且能兼顧渠道生態(tài)要求，適合于排灌混合型渠道的護坡襯砌。

（2）本文進而對預制塊護砌方案的襯砌厚度進行了計算，兼顧降低施工難度，取預制塊厚度為0.1m、0.12m 以滿足結構要求。選取了3 個典型斷面計算了襯砌段護坡鎮(zhèn)腳深度，最終確定鎮(zhèn)腳埋置深度應為0.5m 以滿足設計要求。

（3）護坡對堤防抗沖刷的保護作用是長久的，在改善河道生態(tài)環(huán)境以及堤防穩(wěn)定運行的過程中發(fā)揮的作用是無法替代的。考慮到不同護坡型式的組合比選、生態(tài)效果的體現(xiàn)、工程造價的控制及施工工期的控制，需要設計者從不同角度綜合考慮，同時結合現(xiàn)場實際，因地制宜選擇護坡型式，才能最大化地發(fā)揮其防沖及生態(tài)景觀的效益■