農田水利工程灌溉防滲渠道襯砌施工技術研究

賈存超

（寧夏建工集團有限公司，寧夏 銀川）

1 防滲渠道襯砌施工的截面計算

1.1 防滲渠道混凝土標號與襯砌厚度的確定

根據《防滲渠道工程技術規范》GB/T50600-2020附表規定，確定常規基本農田混凝土強度標號為C25，抗凍標號為F100，抗滲標號為W4，混凝土防滲結構渠道厚度為8 cm。具體防滲渠道襯砌厚度如表1 所示。

表1 不同類別防滲結構的襯砌厚度

在施工方案設計中，確定水泥強度等級與襯砌厚度，同時需要要求施工人員熟悉混凝土標號最小允許范圍，具體如表2 所示。

表2 不同地區渠道混凝土標號最小允許范圍值

表3 防滲渠道配筋參數

1.2 不同類型防滲渠道斷面計算

防滲渠道的設計不僅是參考輸水用量，同時還應該考慮到防滲渠道非沖洗與非開裂條件下的水流量以及糙率等參數[1]。因此，在同一個截面上渠床表面粗糙程度相同時，施工過程中能夠更好的保證水流平穩。參照渠道的同截面上均勻流動公式計算防滲渠道的斷面尺寸，具體如下公式所示：

式中：h 為防滲渠道水深,m；b 為防滲渠道寬度,m；β為防滲渠道斷面寬深比；m 為防滲渠道邊坡系數比。防滲渠道的斷面設計主要目的是為實現在安全工作條件下允許通過的最大流量，防滲渠道斷面設計安全系數直接影響到農田在灌溉中的面積與用水量[2]。

1.3 防滲渠道施工中的水流量計算

防滲渠道斷面設計在接近最優用水量時，可以借助明渠均勻流速公式計算，具體如公式（4）所示：

由于在實際施工技術設計中，考慮到輸水損失流量，將公式（4）引入防滲渠道損失流量公式，得到公式（5）：

由此，在襯砌施工渠道設計時要考慮到防滲措施，那么滲漏損失量可以作為流量參照的依據。

2 防滲渠道襯砌施工結構的載荷計算

2.1 防滲渠道凍脹環境下的渠坡內力計算

防滲渠道的施工設計考慮到凍脹性破壞因素，首先保證渠道結構安全性與耐用性，在新建工程施工時，分別針對陽坡與陰坡在同等條件下受力進行載荷分析[3]。參照當前研究成果，防滲渠道襯砌主要基于截面尺寸的計算，同時考慮邊坡承載力，根據《水工混凝土結構設計規范》（NB/T11011-2022），結合載荷計算的基本原理分別就渠坡與渠底內力進行計算。支座反力具體如公式（7）所示：

2.2 防滲渠道凍脹環境下的渠底內力計算

由于防滲渠底所受到的約束來源于渠坡板，根據上述式中對渠坡的計算，左右兩側承受地板壓力呈現對等的比例。設定渠底板為q0、渠坡約束力為N、支座反力為RA，在三者共同作用力條件下趨于平衡。可以得到平衡方程為公式（10）：

在X 與Y 方向上分別得到渠底的最大軸力，可得到公式（11）：

將公式（10）引入到公式（11）得到最大彎矩與最大剪力，具體如公式（12）所示：

2.3 防滲渠道施工中的配筋計算

通過對防滲渠施工設計中渠坡與渠底的內力計算，在所得到的最大彎矩與剪力進而可以更好的驗證渠道的防滲截面承載力。由于防滲渠道底板一般較薄，襯砌施工中多采用單層鋼筋，考慮變形的狀態下襯砌板最大彎矩承載力逐漸增大，襯砌脹裂程度則取決于是否達到最大拉力系數。變形條件下截面配筋的計算如公式（13）所示：

式中：h 為受壓區高度；fy為鋼筋抗拉強度值；fc為混凝土抗壓強度值；b 為襯砌板寬度；As為受壓區鋼筋斷面面積；h0為系數參數。

通過上述公式計算，根據《水工混凝土結構設計規范》（NB/T11011-2022）參照系數取值h 滿足于h≤α1h0，且α1=0.85。根據截面塑性系數公式（14）所示：

3 防滲渠道襯砌施工技術分析

3.1 防滲渠道襯砌施工工序分析

在防滲渠道進入施工進度前，上述文中計算了渠坡與渠底的受力，分別得出了截面的壓力與彎矩，由此準確的給出防滲渠道所需的配筋參數值。由于襯砌施工受到季節、氣候、作物屬性以及工程分布環境等影響，對施工工序與進度尤為重要[4]。參照1958 年美國海軍軍械局特種工程處布茲艾倫提出的理論，分別采用最優時間估值完成基本工序，具體計算如公式（16）所示：

式中：Te為預計完成所需時間；T0為最早完成所需時間；Tm為估計完成時間；Tp為最晚完成所需時間。考慮到實際施工過程中，由于檢查、匯報等影響因素，時間調整如公式（17）所示：

式中：D 為持續時間值；K 為綜合修正參數；k1為自然條件下影響系數；k2為施工技術熟練程度下影響系數；k3為不同工種協同作業條件下的修正系數。當系數值≥1 時，則表明滿足于預期進度。根據時間計算，結合所需進度值，由此可得到襯砌施工過程中每公里工期如表4 所示。

表4 農田防滲渠道襯砌施工每公里進度值

3.2 防滲渠道襯砌施工布置

參照同地區已經完成的襯砌渠道具體計算方法，即主渠襯砌高=渠設水位+0.4 m；支渠襯砌高=支渠設水位+0.3 m。根據謝才計算方法2,將公式（1）引入并推導得到公式（18）

式中：Q 為均勻流量；A 為過水斷面面積；C 為謝才系數；R 為水力半徑；i 為坡底。

3.3 防滲渠道基土的抗凍脹性分析

在襯砌防滲渠道施工中，防滲渠道的凍脹一般主要是指基土的凍脹，當環境條件達到凍脹時，則會出現渠底坍塌、裂縫等破壞現象。根據據《水工建筑物抗凍張設計規范》NB/T 35024-2014 相關要求，具體凍脹量計算如公式（19）所示：

式中：h 為渠道地表凍脹量,cm；Zd為凍深,cm；e 為指數；Zw為地表高程算起的地下水深度,cm。

根據《水工建筑物抗冰凍設計規范》NB/T 35024-2014 附錄表查詢得知，當黏土＞300 cm，粉土=250 cm，砂=200 cm 時，在梯型、矩型、U 型防滲渠道的系數分別0.79、0.63、0.42，將系數值引入公式（19）可以得到不同類型防滲渠道參數與凍脹量，具體如表5 所示。

表5 不同類型防滲渠道參數與凍脹量

防滲渠道要求滿足農田作物的用水需求，避免導致水流過大或過小沖洗防滲渠、累積沉積物等現象發生，必須具備足夠輸用水的能力和合適的水流速。因此，在初砌施工過程中防滲渠道的設計尤為重要。因此，防滲渠道襯砌斷面所包含梯形、U 型等，在施工布置中根據渠道水位來確定導流水位，從而得到灌溉用水的利用系數與渠內水流量，更好的實現節水以及農田灌溉的科學性。

注釋

①嚴寒地區最冷月的平均氣溫低于-10 ℃，寒冷地區為-10～-3 ℃，溫暖地區高于-3 ℃。

2謝才公式表達形式：Q=AC R，1769 年由法國工程師A·de 謝才提出，是計算明渠和管道均勻流平均流速以及沿程水頭損失的主要公式。