引黃灌區渠道護坡改造方案分析

王先昌，韓繼榮，王 瑞

（濱州市引黃灌溉服務中心，山東 濱州 256600）

在引黃灌區渠道襯砌護坡改造中，聯鎖式護坡水工磚、漿砌石、現澆混凝土是3 種常用護坡方案，采用哪種方案，應當因地制宜、綜合分析，選擇最適合的施工方案。本文通過對小開河引黃灌區渠道護坡損毀原因分析，得出聯鎖式護坡水工磚改造方案的適用場景，為今后類似水利工程建設提供參考。

1 工程概況

小開河引黃灌區位于山東省北部、黃河下游左岸，地處黃河三角洲腹地，縱貫山東省濱州市中部，設計灌溉面積7.33×104hm2，規劃灌溉面積4.4×104hm2，設計引水流量60 m3/s，加大引水流量85 m3/s，是山東省大型引黃灌區之一。灌區自1993 年動工建設，1998 年輸水干渠和主要建筑物建成并通水，已建成引黃閘1 座、輸沙渠51.26 km、沉沙池4.16 km、輸水渠38.03 km，渠道全部襯砌護坡。經過20 多年運行，目前部分渠道襯砌護坡破損嚴重，存在安全隱患，嚴重影響渠道正常運行，需要及時維護改造。

小開河引黃灌區渠道襯砌護坡損壞的原因主要有2 個方面：①由于灌區始建時，受地方財力限制，投資少，設計標準低，原渠道護坡設計襯砌板尺寸為長580 mm×寬380 mm×高60 mm，混凝土強度C25，抗凍等級F100，抗滲等級W6；②地下水影響，這是最主要原因。經過調查，地下水位以下渠道襯砌板損毀嚴重，分析原因主要是渠道外地下水位高，持續對渠道坡面形成側向水壓，同時襯砌板混凝土勾縫不密實、強度差，襯砌板勾縫損壞后起不到整體連接作用，在地下水的長期浸泡和滲流作用下，渠體為粉質壤土、粉質砂壤土等土質差的部位，水土從板縫處流失，襯砌板位移變形，進而出現隆起、沉陷現象[1]。針對渠道護坡出現的問題，需要在原襯砌混凝土板基礎上對齒墻以上6 層預制混凝土板（高1.235 m）進行改造[2]。

2 材料介紹

2.1 聯鎖式護坡水工磚

聯鎖式護坡水工磚是一種可人工安裝，適于中小水流情況下土壤侵蝕控制的聯鎖型預制混凝土塊鋪面系統。采用獨特聯鎖設計的聯鎖式護坡水工磚，每塊與周圍6 塊產生超強聯鎖、連環相扣，鋪面在水流作用下具有良好的整體穩定性；高開孔率滲水型柔性結構鋪面能夠降低流速，減小流體壓力和提高排水能力。聯鎖式護坡水工磚鋪設在鋪有濾水土工布的基面上，隨著植被在磚孔和磚縫中生長，鋪面的耐久性和穩定性將進一步提高，開孔部分一方面起到滲水、排水的作用，另一方面起到增加植被、美化環境、保護生態的作用[3]。

聯鎖式護坡水工磚采用德國先進的全自動制磚機生產，從上料拌和、液壓震動至成品養護全過程智能控制，由于原材料質量保障、混凝土配合比準確、拌制時間穩定、液壓震動力度一致、蒸養時間充足，生產過程無需人力參與其中，因此聯鎖式護坡水工磚成品規格一致、質量穩定、標準化程度高。

2.2 漿砌石

砌石材質堅實新鮮，無風化剝落層或裂紋，表面無污垢、水銹等雜質，用于表面的石材應色澤均勻。石料密度應大于25 kN/m3，抗壓強度應大于60 MPa。石料外形規格上，毛石應成塊狀，最小重量不應小于25 kg。砌筑砂漿應滿足施工圖紙規定的強度和施工和易性要求，配合比必須通過試驗確定。

砌筑前應將石料上的污垢沖洗干凈，砌筑時保持砌石表面濕潤；采用坐漿法分層砌筑，鋪漿厚度宜3～5 cm，隨鋪漿隨砌石，砌縫需用砂漿填充飽滿，不得無漿直按貼靠，砌縫內砂漿應采用扁鐵插搗密實，嚴禁先堆砌石塊再用砂漿灌縫；上下層砌石應錯縫砌筑，砌石外露面應平整美觀，外露面上的砌縫應預留約4 cm 深的空隙，以備勾縫處理；勾縫前必須清縫，用水沖凈并保持封槽內濕潤，砂漿應分次向縫內填塞密實，勾縫砂漿標號應高于砌體砂漿，按實有砌縫勾平縫，嚴禁勾假縫、凸縫；砌筑完畢后應保持砌體表面濕潤，做好養護[4]。

2.3 現澆混凝土

現澆混凝土采用現場攪拌或采購商品混凝土方式，強度應符合設計要求。在人工修坡達到規定要求后進行模板制作安裝，模板的設計、制作和安裝應保證模板結構有足夠的強度和剛度，能承受混凝土澆筑和振搗的側向壓力和振動力，防止產生位移，確?；炷两Y構外形尺寸準確。

混凝土人工入倉面后，人工進行倉面內攤鋪作業，攤平后用平板振動器自坡腳向坡頂方向進行振搗，對于模板兩側平板振動器不易振密實的部位采用插入式振動器重新振搗，混凝土振搗密實后用滾筒碾壓提漿，并用真空吸水器吸水，使混凝土內部密實，倉面用滾筒碾壓整平后，在混凝土終凝前進行壓光、成型，保證混凝土表面平整度達到設計要求?；炷脸尚秃?2～24 h覆蓋好草袋，灑水養護，養護不得少于14 d[5]。

3 參數設計

3.1 預制或現澆混凝土護坡厚度確定

混凝土板作為渠道護坡時，滿足混凝土板整體穩定所需護坡板厚度可按下式確定[6]：

式中：t為混凝土護面板厚度（m）；η為系數，對開縫板可取0.075，上部為開縫板、下部為閉縫板可取0.1，此處取0.1；H為計算波高（m），取H1%；γb為混凝土板的容重（kN/m3），取24 kN/m3；γ為水的容重（kN/m3），取9.8 kN/m3；L為波長（m），取7 m；B為沿斜坡方向（垂直于水邊線）的護面板長度（m），取0.907 m；m為斜坡坡率，取1.75。

經計算，t=0.075 m，混凝土護坡厚度設計值為100 mm。

3.2 砌石護坡厚度確定

參照干砌塊石作為渠道護坡時，滿足砌石整體穩定所需護坡板厚度可按下式確定：

式中：t為斜坡干砌塊石護坡板厚度（m）；K1為系數，一般干砌石可取0.266；H為計算波高（m），d/L≥0.125，取H4%，d為堤前或岸坡前水深（m），取2.2 m；γb為塊石的容重（kN/m3），取22 kN/m3；γ為水的容重（kN/m3），取9.8 kN/m3；L為波長（m），取7 m；m為斜坡坡率，取1.75。

經計算，t=0.156 m，干砌塊石護坡厚度設計值為250 mm。

4 方案比選

4.1 方案1∶100 mmC30聯鎖式護坡水工磚襯砌，鋪設土工布（8 kN/m）

該方案造價115 元/m2，優點是：聯鎖式護坡水工磚工廠化生產，規格尺寸標準統一，強度達標，質量穩定，可實現檢測達標驗收合格后進場的控制；鋪設時由于磚與磚之間環環相扣，對基層坡面平整度要求很高，需要人工修坡，坡面平整度達標才能安裝，提前控制了修坡質量；組裝后形成整體結構，適應變形能力強，由于渠體外高位地下水可通過板縫空隙和開孔排出，釋放了水壓，穩定性極好；可提前預制，能節約工期，對灌區運行影響最小。缺點是：相比現澆混凝土護坡渠道糙率稍大，防滲效果稍差。聯鎖式護坡水工磚襯砌示意，如圖1所示。

圖1 聯鎖式護坡水工磚襯砌示意

4.2 方案2：250 mm 漿砌石襯砌，鋪設土工布（8 kN/m）

該方案造價140元/m2，優點是：護坡重量大，穩定性好，抗凍效果好，使用年限長。缺點是：隨著社會發展進步，砌石工屬于重體力勞動，有砌石技術的勞動者越來越少，砌筑質量受人為因素影響較大，施工中石材厚度和砌筑砂漿質量容易出現偷工減料現象，施工質量難以保證；受國家環境保護和限制資源過度開采的影響，石材資源缺乏，價格較高；渠道糙率相對較大，影響輸水速率；工程施工進度和質量易受惡劣天氣影響。漿砌石襯砌示意，如圖2所示。

圖2 漿砌石襯砌示意

4.3 方案3：100 mmC30現澆混凝土襯砌，鋪設土工布（8 kN/m）

該方案造價120 元/m2，優點是：防滲效果好，整體性好，渠道糙率最小，適合地上渠渠道護砌。缺點是：由于坡面土基層是人工修坡，平整度、密實度難以控制，容易出現混凝土澆筑偷工減料、厚度不達標現象，基層不密實易造成坡面沉降變形開裂，同時坡面施工對混凝土的塌落度和振搗密實度要求較高，施工管理難度大；工程施工進度和質量易受惡劣天氣影響。現澆混凝土襯砌示意，如圖3所示。

圖3 現澆混凝土襯砌示意

3種方案技術經濟比選，詳見表1。

表1 技術經濟比選

5 結論

經過分析，以上3 個方案各有優缺點，因此對于襯砌護坡改造方案的選擇，應當從渠道類型、土質、地下水、工期、造價、施工控制等因素綜合考慮，因地制宜選擇最合適的方案。

漿砌石襯砌方案適用于工程當地石材豐富、價格較低、砌石工人技術熟練的情況，由于國家限制石料開采和砌石技術工人逐步減少，長遠看此方案會被逐步淘汰；現澆混凝土襯砌方案適用于地上渠，也就是渠外地下水位低于渠底，地下水不會對渠坡形成水壓，渠道護坡的主要目的是防止滲漏和引水暢通，這種情況下優選此方案；聯鎖式護坡水工磚襯砌方案適用于地下水位高的半地下渠或地下渠，不僅相互連接整體性好，還可利用板間縫隙和開孔排出地下水，釋放對襯砌坡面的水壓，同時施工工期最短，對渠道運行影響最小。

綜上，在小開河引黃灌區渠道護坡改造中優選聯鎖式護坡水工磚襯砌方案，該方案最大限度減少人工成本，減少人為因素對工程質量的干擾，整個施工過程機械化程度最高，符合工程建設裝配式發展的方向；同時，植被在板孔和板縫中生長，起到美化綠化作用，符合小開河引黃灌區生態綠色發展理念。