饒豐灌區(qū)渠道防滲襯砌型式選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算

徐旺杰

(上饒市國控水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江西 上饒 334000)

1 工程概況

饒豐灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積14 100 hm2，干渠全長74.21 km，設(shè)計(jì)流量和加大流量分別為21.2 m3/s和38.4 m3/s。干渠以下主要設(shè)置11條支渠、4條干斗，總長度為11.75 km。渠道運(yùn)行過程中，不斷出現(xiàn)淤積及跑、冒、滲漏問題，渠床游蕩，沖刷加劇，險(xiǎn)工段增多。為保證灌區(qū)渠道安全運(yùn)行，必須對(duì)渠道實(shí)施清淤、襯砌和護(hù)險(xiǎn)。本次任務(wù)主要為灌區(qū)渠道防滲處治。

饒豐灌區(qū)位于亞熱帶溫暖濕潤氣候區(qū)，氣候較為溫和、雨量充沛、陽光充足，表現(xiàn)出明顯的春寒、夏熱、秋旱、冬冷的氣候特征；春秋季短，冬夏季長，結(jié)冰期短，無霜期長。年平均降雨量為1669.5 mm，降雨量年內(nèi)分配不均，汛期集中在4—6月，期間降雨量在年降雨量中占比48.0%，歷年最大1 d降雨量為256.6 mm，多年平均氣溫17.6 ℃，最冷月份平均氣溫5.2 ℃，極端最低氣溫-14.0 ℃，7月溫度最高，該月平均氣溫29.5 ℃，極端最高氣溫40.8 ℃，年平均氣溫在35.0 ℃以上的天數(shù)為40.0 d。年平均蒸發(fā)量1138.5 mm(E601)，年平均風(fēng)速1.4 m/s，年平均相對(duì)濕度79.5%，日照時(shí)數(shù)1902 h，無霜期259 d。

2 渠道襯砌型式的選擇

渠道防滲設(shè)計(jì)必須綜合考慮防滲、防凍脹、防淤積、防沖刷及渠基穩(wěn)定方面的要求。考慮到該灌區(qū)位于季節(jié)性凍土區(qū)，地基土凍脹對(duì)渠道襯砌結(jié)構(gòu)存在一定威脅[1]。為此，結(jié)合灌區(qū)渠道工程實(shí)施以來的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在因地制宜、就地取材原則下，以混凝土和砌石結(jié)構(gòu)為主，并充分考慮防滲效果，使用壽命，輸水及防淤抗沖性能，施工工藝，運(yùn)維成本等基礎(chǔ)上，展開襯砌型式比選。

2.1 方案1：仰斜漿砌石重力墻

渠道邊墻為漿砌石重力墻結(jié)構(gòu)，底板為0.4 m厚的漿砌石結(jié)構(gòu)，臨水面設(shè)置素混凝土基礎(chǔ)和20 cm厚砂礫料墊層。該灌區(qū)9+845～10+070段兩側(cè)均采取重力式漿砌石重力擋墻型式，運(yùn)行至今已逾20 a，無明顯裂縫出現(xiàn)，工程效果較為理想，已有的成功經(jīng)驗(yàn)可直接借鑒。就造價(jià)而言，在1.2 m的基礎(chǔ)埋深和墻體高度超出0.75 m設(shè)計(jì)水深的情況下，單位造價(jià)為4310.24元/m。

2.2 方案2：漿砌石重力墻+復(fù)合土工膜

渠道邊墻全部為漿砌石重力墻結(jié)構(gòu)，底板采用0.4 m厚的漿砌石結(jié)構(gòu)，邊墻和底板下方均鋪設(shè)1層復(fù)合土工膜。該方案僅比方案1增設(shè)1層復(fù)合土工膜，故防滲加固性能更加優(yōu)良。按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在增加2 cm厚的水泥砂漿抹面、素土回填及夯實(shí)等施工環(huán)節(jié)后，該方案單位造價(jià)為3834.24元/m。

2.3 方案3：漿砌石護(hù)坡+現(xiàn)澆混凝土板防滲

該灌區(qū)現(xiàn)狀干渠、支渠大多為梯形斷面土渠，防滲襯砌型式設(shè)計(jì)時(shí)必須盡可能考慮原斷面型式。該方案在土渠基礎(chǔ)上設(shè)置漿砌石底板和邊墻襯砌結(jié)構(gòu)，邊墻襯砌體厚0.3～0.5 m，底板厚0.4 m；過水?dāng)嗝嬖鲈O(shè)厚度為0.1 m的現(xiàn)澆混凝土板。根據(jù)估算，該方案單位造價(jià)為4014.20元/m。

2.4 方案4：漿砌石護(hù)坡+復(fù)合土工膜

與方案3一樣，在灌區(qū)梯形斷面土渠基礎(chǔ)上設(shè)置漿砌石底板和邊墻襯砌結(jié)構(gòu)，邊墻襯砌體厚0.3～0.5 m，底板厚0.4 m，同時(shí)在漿砌石下方鋪設(shè)1層復(fù)合土工膜。該方案因省去了混凝土板現(xiàn)澆施工環(huán)節(jié)，故造價(jià)較方案3節(jié)省，單位造價(jià)為3244.35元/m。

2.5 方案5：現(xiàn)澆混凝土板+復(fù)合土工膜

該方案下，灌區(qū)梯形斷面土渠邊墻和底板均采用厚度為0.15 m的現(xiàn)澆混凝土板結(jié)構(gòu)，并在板體下方鋪設(shè)1層復(fù)合土工膜防滲。估計(jì)造價(jià)約為3013.12元/m。

2.6 渠道防滲襯砌型式的比選

針對(duì)以上渠道防滲襯砌方案，從技術(shù)優(yōu)勢(shì)、技術(shù)劣勢(shì)、造價(jià)、適用范圍等方面進(jìn)行綜合比較，具體見表1，表中造價(jià)不包括挖填土方量和拆除量。由表可知，漿砌石結(jié)構(gòu)能滿足灌區(qū)渠道抗凍脹方面的要求，現(xiàn)澆混凝土板和復(fù)合土工膜的主要作用在渠道防滲方面[2]。前4種方案均能較好解決灌區(qū)渠道防滲及冬季抗凍脹方面的要求。在不考慮地下水的情況下，方案2和方案4比方案1和方案3更節(jié)省投資，但復(fù)合土工膜鋪設(shè)過程中對(duì)操作工藝及管理方面要求較高；現(xiàn)澆混凝土板必須采用滑模施工技術(shù)[3]，澆筑施工難度大。

表1 防滲襯砌型式比選

從施工難度、造價(jià)、運(yùn)維管理費(fèi)用及方便性、適用范圍、護(hù)坡及固腳功能等方面綜合考慮，最終選用方案1，即仰斜漿砌石重力墻襯砌型式。

3 渠道襯砌工程設(shè)計(jì)

灌區(qū)10+850～12+065段渠道當(dāng)前主要為草皮護(hù)坡，此次防滲加固需建造仰斜式漿砌石重力擋墻，墻頂、底設(shè)計(jì)寬度為0.50 m和2.53 m，墻底增設(shè)厚度為0.4 m的C20素混凝土底板，擋墻墻身高4.17 m，背坡比為1∶0.2；墻趾厚0.9 m，墻體埋深1.2 m，底部增設(shè)厚度為20 cm的砂礫料墊層；按照10 m間隔設(shè)置寬2 cm的沉降縫。墻體外部使用瀝青縫板，內(nèi)側(cè)以苯板填充。按10 m間隔設(shè)置φ50 mm排水管；墻頂以上整形后撒播草籽。

該段渠道位于第二節(jié)制閘下游，此處原建10 m長的干砌石海漫在長期水流沖刷下基本損壞，渠道兩側(cè)漿砌石擋墻墻基完全裸露。說明消力池出水存在劇烈紊動(dòng)，對(duì)渠底存在較大沖刷。為起到較好的消能效果，重新計(jì)算海漫長度Lp如式(1)[4]：

(1)

式中：Lp為海漫消能段長度，m；K為消能系數(shù)，主要與河道實(shí)際、河床土質(zhì)等所允許的水流流速有關(guān)；q為消力池出口單寬流量，m3/(s·m)；ΔH為節(jié)制閘上下游水頭差，m。

在上游渠道設(shè)計(jì)水深為2.84 m，并達(dá)到設(shè)計(jì)流量后，節(jié)制閥開啟，計(jì)算閘門不同開度下的流量和上下游水位差，進(jìn)而計(jì)算閘門開啟期間所對(duì)應(yīng)的海漫長度。據(jù)此得到的海漫長度為56.54 m，斷面處渠底高差將近1.0 m，為保證工程建筑物運(yùn)行的安全性，海漫長度不得短于70.00 m；同時(shí)還應(yīng)在相應(yīng)渠道段底部設(shè)置0.5 m厚的涂塑格網(wǎng)石籠。

考慮到該渠道段原建漿砌石擋墻墻基沖刷及裸露嚴(yán)重，此次設(shè)計(jì)時(shí)必須重新展開墻基局部沖刷深度計(jì)算如式(2)：

(2)

式中：hB為河道局部沖刷深度，m；hp為沖刷段實(shí)際水深，m；vcp為河道水流流速均值，m/s；v允為渠道不沖流速允許值，取0.8 m/s；n為護(hù)岸平面形狀指數(shù)，取0.25。將相關(guān)參數(shù)取值代入后得到河道局部沖刷深度為1.14 m，此處基礎(chǔ)埋深應(yīng)至少達(dá)到1.2 m。

4 擋墻穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.1 計(jì)算方法

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 379—2017)，該灌區(qū)渠道防滲襯砌重力式擋墻復(fù)核計(jì)算時(shí)，必須展開抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算，抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，墻底偏心距和壓力驗(yàn)算。結(jié)合工程實(shí)際及防滲加固需要，展開結(jié)構(gòu)尺寸及相關(guān)參數(shù)取用[5]。擋墻抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算如式(3)：

Kc=f∑G/∑H

(3)

式中：Kc為擋墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為擋墻基底面和地基間的摩擦系數(shù)；∑G為擋墻上所作用的與基底面垂直的荷載，kN；∑H為擋墻上所作用的與基底面平行的荷載，kN。

擋墻抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算如式(4)：

K0=f∑MV/∑MH

(4)

式中：K0為擋墻抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)；∑MV為擋墻基底前趾處抗傾覆力矩，kN·N；∑MH為擋墻基底前趾處傾覆力矩，kN·N。

根據(jù)式(5)進(jìn)行擋墻底偏心距和壓應(yīng)力驗(yàn)算[6]。

e=B/2-∑M/∑G

(5)

式中：e為偏心距；B為擋墻底面寬，m；∑M為擋墻基礎(chǔ)底所作用的總豎向力，kN。

根據(jù)式(6)計(jì)算基底應(yīng)力最大最小值

(6)

4.2 計(jì)算結(jié)果

結(jié)合地勘報(bào)告所揭露的工程地質(zhì)條件，重力式擋墻后填土為粉質(zhì)黏土，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，粉質(zhì)黏土天然重度為17.0～18.0 kN/m3，本工程取17.0 kN/m3。擋墻墻體高度在6.0 m以內(nèi)時(shí)，內(nèi)摩擦角應(yīng)為35°～40°。按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)，對(duì)于中等堅(jiān)硬黏土地基，墻底摩擦系數(shù)應(yīng)在0.25～0.35之間取值，本工程取0.30。

使用北京理正巖土系列軟件展開該灌區(qū)渠道仰斜漿砌石重力墻穩(wěn)定性驗(yàn)算[7]，結(jié)果見表2。根據(jù)表中結(jié)果并結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范，在基本荷載作用下，仰斜漿砌石重力墻抗傾覆安全系數(shù)應(yīng)在1.5以上，允許抗滑安全系數(shù)應(yīng)為1.2，表中結(jié)果全部滿足要求，墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

表2 仰斜漿砌石重力墻穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

5 結(jié) 論

灌區(qū)渠道襯砌是灌區(qū)田間配套工程的重要部分，通過對(duì)幾種渠道襯砌型式的比較，最終選用仰斜漿砌石重力墻，該型式擋墻土方開挖量小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防滲性、抗凍脹、抗沖刷、抗磨耗及耐久性均較好。灌區(qū)工程運(yùn)行結(jié)果表明，仰斜漿砌石重力墻的建設(shè)能顯著提高渠系水利用系數(shù)，提升灌溉水利用率，進(jìn)而提高灌區(qū)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力。