某大型輸水明渠工程優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

葛文慧

(黑龍江省寶泉嶺墾區(qū)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，黑龍江寶泉嶺154211)

1 工程概況

某輸水明渠全長(zhǎng)275 km，渠段沿線多屬傾斜平原和丘陵地貌，覆蓋層由山麓坡積物和沖擊物構(gòu)成，表層土壤以壤土、沙壤土、砂土以及碎石為主。山丘土層瘠薄，多有巖石裸露，散落分布有葉林、灌木叢及草本植物，植被較差;沖積扇及河道兩岸灘地賦存深厚的砂礫石層;平原地區(qū)肥厚，種植業(yè)發(fā)達(dá)。沿線屬溫帶半濕潤(rùn)地帶，東亞季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。冬季受西伯利亞大陸氣候氣團(tuán)控制，寒冷多雪，屬寒冷氣候區(qū)。

2 工程地質(zhì)

土巖體結(jié)構(gòu)類型依據(jù)地表至渠道底板以下5 m的土巖體的巖性組合特征等因素，劃分為土體、巖體、土巖體和填土4大結(jié)構(gòu)類型，共計(jì)64個(gè)工程地質(zhì)段，見(jiàn)表1。

3.1 水面線設(shè)計(jì)

根據(jù)總干渠控制點(diǎn)水位及水頭分配成果，其種渠道分配水頭8.343 m，建筑物7.746 m，從上游向下游分段扣除渠道沿程損失，逐一扣除每座建筑物所分配水頭，計(jì)算出總干渠各段設(shè)計(jì)水面線。

水面線設(shè)計(jì)時(shí)考慮了以下各類損失:①各類需分配水頭的河渠交叉建筑物;②為穿越山體而設(shè)置的隧洞;③鐵路、公路交叉建筑物中的渠道倒虹吸、暗渠;④單獨(dú)設(shè)置的節(jié)制閘;⑤明渠的沿程損失，渠道縱坡在1/25 00～1/20 00。

3.2 橫斷面型式

在明渠的各種斷面形狀中，半圓形斷面是水力最佳的，但半圓形斷面不易施工，工程中采用最多的是梯形斷面。梯形水力最佳斷面通常都是窄深式的斷面，這種斷面雖然工程量很小，但不便于施工及維護(hù)，常因土方單價(jià)偏高而影響經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過(guò)比較，對(duì)于大流量輸配水的某干渠選用梯形實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面，并為增強(qiáng)渠道抗凍穩(wěn)定性，過(guò)水?dāng)嗝娌捎没⌒推履_。在不同的地形條件下，分別采用全挖、全填、半挖半填3種不同的構(gòu)筑方式和斷面結(jié)構(gòu)，其中全挖方渠段長(zhǎng)85 km，全塌方渠段長(zhǎng)15 km，半挖半填渠段長(zhǎng)102 km。全挖方渠道為地面高程高于渠道一級(jí)馬道高程的渠段，視開(kāi)挖深度采用單一邊坡梯形斷面或帶馬道的梯形斷面。全填方渠道為地面高程低于渠底的渠段，橫斷面型式與全挖方渠道第一級(jí)馬道以下部分相同。半挖半填渠道為地面高程介于渠底高程和堤頂高程之間的渠段，其內(nèi)坡斷面型式為單一邊坡的梯形斷面，填方外坡布置型式同全填方斷面。

表1 渠道工程地質(zhì)分段表

3 施工工藝

3.1 水面線設(shè)計(jì)

根據(jù)總干渠控制點(diǎn)水位及水頭分配成果，其種渠道分配水頭8.343 m，建筑物7.746 m，從上游向下游分段扣除渠道沿程損失，逐一扣除每座建筑物所分配水頭，計(jì)算出總干渠各段設(shè)計(jì)水面線。

水面線設(shè)計(jì)時(shí)考慮了以下各類損失:①各類需分配水頭的河渠交叉建筑物;②為穿越山體而設(shè)置的隧洞;③鐵路、公路交叉建筑物中的渠道倒虹吸、暗渠;④單獨(dú)設(shè)置的節(jié)制閘;⑤明渠的沿程損失，渠道縱坡在1/25 000～1/20 000。

3.2 橫斷面型式

在明渠的各種斷面形狀中，半圓形斷面是水力最佳的，但半圓形斷面不易施工，工程中采用最多的是梯形斷面。梯形水力最佳斷面通常都是窄深式的斷面，這種斷面雖然工程量很小，但不便于施工及維護(hù)，常因土方單價(jià)偏高而影響經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過(guò)比較，對(duì)于大流量輸配水的某干渠選用梯形實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面，并為增強(qiáng)渠道抗凍穩(wěn)定性，過(guò)水?dāng)嗝娌捎没⌒推履_。在不同的地形條件下，分別采用全挖、全填、半挖半填3種不同的構(gòu)筑方式和斷面結(jié)構(gòu)，其中全挖方渠段長(zhǎng)85 km，全塌方渠段長(zhǎng)15 km，半挖半填渠段長(zhǎng)102 km。全挖方渠道為地面高程高于渠道一級(jí)馬道高程的渠段，視開(kāi)挖深度采用單一邊坡梯形斷面或帶馬道的梯形斷面。全填方渠道為地面高程低于渠底的渠段，橫斷面型式與全挖方渠道第一級(jí)馬道以下部分相同。半挖半填渠道為地面高程介于渠底高程和堤頂高程之間的渠段，其內(nèi)坡斷面型式為單一邊坡的梯形斷面，填方外坡布置型式同全填方斷面。

3.3 邊坡穩(wěn)定分析及邊坡系數(shù)

邊坡穩(wěn)定計(jì)算以地表至渠底下5 m范圍內(nèi)的土巖體地質(zhì)參數(shù)為主要依據(jù)，同時(shí)考慮地下水位及渠道挖填情況，各斷面挖方部位c，φ，γ根據(jù)地質(zhì)勘察成果取值。地下水位以下部位取飽和固結(jié)快剪指標(biāo)，對(duì)于地下水位以上部位采用自然快剪指標(biāo)。

運(yùn)行期，地下水位在設(shè)計(jì)水位以下，采用有頂托滲流情況下河流補(bǔ)給地下水時(shí)的公式計(jì)算:

地下水位上升系數(shù)S由下式計(jì)算:

地下水向渠內(nèi)滲透浸潤(rùn)線，按下式計(jì)算:

地下水滲透量:

渠道正常運(yùn)用期，由于全斷面襯砌并鋪設(shè)土工膜，按透水地基上有鋪蓋斜墻土壩滲流計(jì)算公式計(jì)算浸潤(rùn)線:

在地震基本烈度VII度區(qū)，考慮地震力作用對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，進(jìn)行抗震計(jì)算。一級(jí)馬道或堤頂公路荷載按汽—10級(jí)荷載考慮，將汽車荷載按土的容重簡(jiǎn)化為均布荷載作用在路面上。

經(jīng)計(jì)算分析，渠道土質(zhì)邊坡系數(shù)為2.0－3.0，其中大部分渠段為2.5或2.0;巖心段邊坡，根據(jù)其風(fēng)化程度，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等因素分析確定，邊坡系數(shù)一般為0.7～1.0。

3.4 水力設(shè)計(jì)及斷面要素

土渠段過(guò)水?dāng)嗝嫒恳曰炷烈r砌，現(xiàn)場(chǎng)拉模澆注，真空吸水處理，表面壓實(shí)抹光，石渠段采用噴射混凝土補(bǔ)砌和砂漿抹面，表面光滑程度能夠保證渠道綜合糙率0.015。為滿足渠道安全輸水要求，渠道超高按下式計(jì)算:

堤方和半挖半填渠道堤頂高程或挖方渠道一級(jí)馬道高程，按下式計(jì)算:

3.5 渠道滲漏計(jì)算與防滲設(shè)計(jì)

渠道滲漏損失主要與渠床的土壤性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、渠道濕周及輸水時(shí)間等因素有關(guān)，渠道滲漏損失量隨滲漏過(guò)程而變，分為自由滲漏和頂托滲漏。根據(jù)渠道沿線各段的土質(zhì)、滲透系數(shù)、地下水位及渠道挖填情況，各渠段防滲前的自由滲漏按下式計(jì)算:

渠道頂托滲漏計(jì)算公式為:S頂=rs;渠道防滲后滲漏量按下式計(jì)算:S防=as。

總干渠沿線黃土類覆蓋長(zhǎng)度占渠長(zhǎng)的60%以上，土質(zhì)渠基多為輕壤及砂質(zhì)壤土，在無(wú)防滲措施情況下渠道滲漏量很大，因此應(yīng)采取防滲措施，并根據(jù)各渠段土質(zhì)、挖填情況，選取不同防滲方案，經(jīng)過(guò)投資、防滲效果比較，選定最佳方案。

渠道襯砌分為現(xiàn)澆混凝土和噴射混凝土兩種形式:土質(zhì)渠段采用現(xiàn)澆混凝上襯砌，弱風(fēng)化或較新鮮巖石段，先噴混凝土找平，然后用水泥砂漿抹面。為降低造價(jià)和襯砌施工方便，各段渠道均采用等厚矩形泥凝土板襯砌。

現(xiàn)澆混凝土板最小厚度，在溫和地區(qū)為8 cm，寒冷地區(qū)為10 cm，考慮總干渠常年輸水，渠底不會(huì)出現(xiàn)負(fù)溫，確定渠道現(xiàn)澆溫凝土邊坡厚10 cm，渠底厚8 cm。

現(xiàn)澆混凝土縱縫、橫縫間距均為5 m。對(duì)于壓煤渠段等特殊段加設(shè)沉降縫，縱橫沉降縫間距均為1.0 m。渠道襯砌分縫采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便的矩形縫，縫寬一般采用3 cm。本段渠道伸縮縫為通縫(貫通初砌板厚)，縫寬3.0 cm。初砌分縫填料選用性能良好的聚氯乙烯膠泥，對(duì)于特殊段渠道及變形較大部位選用聚氯乙烯膠泥，對(duì)于特殊段渠道及變形較大部位選用聚硫密封膠。

3.6 渠道防凍脹設(shè)計(jì)

總干渠地處淺層季節(jié)凍十區(qū)，冬季基土凍脹對(duì)渠道混凝土襯砌有很大的破壞作用。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)凍深＞10 cm的渠段，需進(jìn)行渠道的設(shè)計(jì)凍深和凍脹量計(jì)算，當(dāng)渠道的設(shè)計(jì)凍脹量＞1 cm時(shí)，采取抗凍脹措施。

防凍脹設(shè)計(jì)既要保證工程安全，又要盡量降低工程造價(jià)，達(dá)到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。為此對(duì)防凍脹設(shè)計(jì)按3種情況考慮:①渠坡水位變幅區(qū)防凍，其他部位不防冰;②渠坡全防凍，渠底不防凍;③全斷面防凍。

3.7 渠道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.7.1 抗浮穩(wěn)定

渠道襯砌板受到地下水楊壓力頂托時(shí)，渠道內(nèi)、外水壓力相等工況下，穩(wěn)定滿足要求。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)渠道水位驟降時(shí)，渠內(nèi)外水位差不允許＞0.06～0.11 m;在渠內(nèi)無(wú)水時(shí)，渠外地下水位受渠底板抗浮穩(wěn)定要求控制，即地下水位應(yīng)不高于渠底0.11 m。

3.7.2 抗滑穩(wěn)定

抗滑穩(wěn)定根據(jù)下式計(jì)算:K=摩擦力/下滑力(K=1.2－1.3)。渠道襯砌危險(xiǎn)滑動(dòng)面出現(xiàn)在復(fù)合土工膜與保溫板之間，為了保證保溫板與復(fù)合土工膜之間不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，采用防滲保溫一體化材料。

3.7.3 渠道襯砌排水設(shè)計(jì)

在地下水位高于渠道設(shè)計(jì)渠底的渠段，地下水會(huì)對(duì)渠道襯砌板產(chǎn)生揚(yáng)壓力，一般平原地區(qū)渠道沿線地下水位采用水均衡法進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)渠道建成后的地下水位，采用連續(xù)3個(gè)豐水年補(bǔ)給的標(biāo)推。地下水位高出渠道設(shè)計(jì)渠底的渠段長(zhǎng)31.9 km，占渠線總長(zhǎng)的14%，其中地下水位高出渠道設(shè)計(jì)水位的渠段長(zhǎng)6.8 km，除建筑物外需做排水的渠段長(zhǎng)28.281 km。地下排水有兩種方式:外排，總干渠附近存在天然溝空等有自流外排條件的渠段或地下水水質(zhì)不符合要求而必須外排的渠段12是內(nèi)排，村地下水水質(zhì)良好，且不具備自流外排條件的渠段，特地下水內(nèi)排入總下渠。在總干渠渠坡腳兩側(cè)襯砌混凝土板下埋設(shè)透水暗管集水，每隔一定間距設(shè)一逆止式集水箱，集水箱出水管的出口下緣距渠底5 cm。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇?nèi)水位時(shí)，地下水通過(guò)集水暗管匯入集水箱，逆止式閥門自動(dòng)開(kāi)啟，由出水管排入渠內(nèi).使地下水位降低;當(dāng)?shù)叵滤坏陀谇?nèi)水位時(shí)，逆止式閥門自動(dòng)關(guān)閉，防止渠水外滲。

3.8 渠坡防護(hù)設(shè)計(jì)

為了匯集和排除渠道坡面雨水，防止渠坡沖蝕和雨水滲入危及渠道安全，需對(duì)渠道坡面進(jìn)行防護(hù)。渠坡防護(hù)措施是在渠道襯砌板頂至一級(jí)馬道坡面采用現(xiàn)澆混凝土板防護(hù);一級(jí)馬道以上渠坡及填方渠段背水被面設(shè)置排水溝。

3.9 渠外截排水溝、防護(hù)堤及防護(hù)林帶布置

為排除總干渠外地面的坡水，疏通串流區(qū)和總干渠截?cái)嗟脑信潘ǖ溃枰庠O(shè)置截洪排水溝(簡(jiǎn)稱截流溝)。截流溝一般位于左岸防護(hù)林帶的左側(cè)，采用土渠。當(dāng)渠道穿過(guò)山塹、山坡地段，地形較陡，為保護(hù)渠道安全，截流溝采用漿砌石護(hù)砌。

［1］ 毛耀，邵東國(guó)，沈佩君.南水北調(diào)中線工程水量?jī)?yōu)化調(diào)度模型研究［J］.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，31(01):6－10.

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［3］ 王長(zhǎng)德，阮新建.南水北調(diào)中線總干渠控制運(yùn)行設(shè)計(jì)［J］.人民長(zhǎng)江，30(01):19－21.