弧底梯形渠道橫斷面的優(yōu)化設計及施工技術

藺紅軍 馬向紅

（1.鳳翔縣水土保持工作站 陜西 鳳翔 721400；2.鳳翔縣城關鎮(zhèn)水務管理站 陜西 鳳翔 721400）

灌區(qū)是河庫等水源工程發(fā)揮灌溉效益的末級水利設施，渠道是灌區(qū)水利設施重要的主體工程。U形斷面渠道具有防滲效果好，水力條件優(yōu)，技術更合理，抗破壞能力強，占地少，省工省料等優(yōu)點，在實踐中已被廣泛應用?；〉滋菪螖嗝媲朗腔诖骍形斷面渠道的下部圓弧部分和大梯形斷面渠道的上部結構而形成的一種特殊斷面形式的渠道，在灌區(qū)U型渠道改造中普遍使用。

東風水庫灌區(qū)建成于1972年，為中型灌區(qū)，總灌溉面積6.86萬畝，由兩條干渠輸水，兩條干渠設計流量均為2m3/s。干渠均為梯形斷面，砼預制板襯砌，經(jīng)過40多年的運行后急需更新改造。2005年后逐步對兩條干渠進行了改造，改造后的渠道斷面均為弧底梯形，至今運行情況良好，節(jié)水效益顯著。本文以此為例，就弧底梯形渠道橫斷面的優(yōu)化設計與施工技術作一探討。

1 U形斷面的選定

U形斷面的形式，可根據(jù)渠道設計流量、底部圓弧特征和上部直線的坡比選定：

當設計流量小于1m3/s或傾角在20°以內時，選擇U形斷面，常用傾角9°、12°、14°；

當設計流量在1m3/s～3m3/s或傾角大于30°時，選擇弧底梯形斷面或U形大傾角斷面，常用傾角45°；

當設計流量大于5m3/s或地形地質條件要求寬淺式渠道時，選擇弧底梯形斷面。

圖1 弧底梯形渠道橫斷面優(yōu)化設計示意圖

東風水庫灌區(qū)地處黃土臺塬區(qū)，地勢起伏不大，灌區(qū)基本平整，土層以黃土為主。干渠工程（以下稱東風干渠）坐落在黃土層上，地基良好。干渠上段為填方，下段為半挖半填狀。根據(jù)其設計流量，渠道更新改造工程橫斷面選擇弧底梯形斷面。

2 弧底梯形渠道橫斷面的優(yōu)化設計

2.1 復測確定原梯形橫斷面

原梯形渠道由于運行已久，橫斷面往往發(fā)生不同程度的變形，其底寬、口寬、高度與原設計一般都有5%左右的偏差，需重新復測來確定原梯形橫斷面尺寸。方法是：每50m～100m測定一個斷面，然后取其平均值或取其出現(xiàn)概率較大的尺寸，并與原設計相比較，重新確定橫斷面，以使新設計的弧底梯形斷面渠道最大程度地與現(xiàn)狀渠道相符合，保證改造工程設計合理，易施工。經(jīng)復測，東風干渠原梯形橫斷面尺寸為：底寬1.15m，渠深 1.25m，坡比 1∶1，底角 135°，斷面面積2.7m2。

2.2 確定弦深比

弧底梯形渠道橫斷面理論設計的合理性，可以用弦深比表示：

式中，Kb——弧底梯形渠的弦深比；

b——弧底梯形渠的弦長（m）；

H——弧底梯形渠的設計最大水深（m）。

當水面線（水深）剛好通過弧底圓心時，設計的斷面即為最佳水力斷面。經(jīng)計算，當梯形邊坡系數(shù)m(1∶m)為常用的0.5與1.0時，其弧底梯形渠的最佳Kb值分別為1.79和1.41，最大允許值分別為3.22和3.25。Kb值愈大，則渠道斷面愈寬淺，斷面過水能力愈差。

2.3 確定圓弧尺寸

原梯形渠道更新改造成弧底梯形渠道時，因為依托原梯形渠，也不改變原梯形坡比，所以實際設計中必須抓住“一個中心、三個切點”。一個中心就是原渠道的中心線，三個切點即原梯形渠底的中點，擬設圓弧與原梯形渠斜邊的兩個交點。擬設弧底梯形渠道圓弧的圓心必定在原梯形渠道的中心線上，即原渠底邊的垂直平分線上，圓弧底部的中點必定在原梯形渠底邊的中點上，圓弧上部兩個端點（圓弧與原梯形斜邊交點）必定與原梯形斜坡緊切，即所設計的圓弧必須與原梯形的這三點相外切。這樣，經(jīng)分析推導，新設計的弧底梯形渠道的橫斷面尺寸公式為：

式中，R——設計圓弧半徑（m）；

B——原梯形渠底寬（m）；

α——設計圓弧包心角（度），一般在100°左右；

m——原梯形坡比（1：m）；

θ——原梯形渠底角（度）。

h——新設計渠道襯砌超高，當流量為1m3/s～10m3/s時，取 0.2m～0.35m。

由此看來，原梯形渠底與邊坡尺寸是圓弧設計的決定因素，渠底與邊坡尺寸愈大，設計的圓弧愈大，反之愈小。這樣設計的圓弧與原梯形斜坡過度自然，銜接平順，符合實際需要。當圓心高度確定后，據(jù)此可設計最佳設計水深，達到最佳水力斷面的理論要求。如果設計半徑較大，則要削減原梯形渠道，增加土方開挖量；如果設計半徑較小，則要回填土，增加土方填筑，既不經(jīng)濟也不合理。

根據(jù)上述公式，計算得東風干渠的R為1.39m，α 為 90°，b為 1.96m。

2.4 斷面復核

底部圓弧設計好后，渠深等尺寸可按原渠不變，即可進行斷面水力計算，復核流量。由于圓弧水力條件好，新設計的弧底梯形渠道的過水能力一般要比原梯形渠稍大，這時可不改變原渠道總高度，適當降低渠道襯砌高度，達到經(jīng)濟合理，費省效宏之目的。東風干渠更新改造后的弧底梯形斷面尺寸最終確定為：圓弧半徑1.4m，包心角90°，弦長2m，渠深1.45m（含超高0.2m），最大設計水深1.4m，弦深比1.6，符合最佳水力斷面要求，達到了優(yōu)化設計的目的。

3 施工技術

東風干渠更新改造工程在襯砌施工中，主要把握好以下關鍵技術：

3.1 土方施工做到“清、實、正”

渠道改造工程必須依靠原渠道固有基礎，同時也為了節(jié)約工程投資。土方施工是在原有渠道梯形土方基礎上進行，一般采用“椽幫堰”技術，做到“清、實、正”。清，就是要清基，掌握一個“凈”字。原預制板拆除后，要將渠道內雜草、雜物清除干凈，原土鏟除10cm厚，必要時建臺挖槽，使新老土緊密結合。實，就是土方夯實要達標，掌握一個“實”字。新土回填總高度控制在2/5渠高即可，即圓弧段高度內。這部分土方采用大面積人工夯實或機械碾壓，須分層碾壓，分層厚度15cm～20cm，干容重必須達到1.55g/cm3以上。剩余上部3/5高度內兩側土方使用下部圓弧段刻槽后的棄土，不足部分另拉新土，施工方法用椽幫堰，人工夯實。正，就是土渠形狀要標準，掌握一個“正”字。渠道土方夯實后，就要刻制成設計尺寸的U形土渠槽?？墒孪扔帽忤F或圓鋼做一個標準的U形土渠試模，以渠道中心線控制偏直度，用渠道高程控制比降，直到刻制修整的U形土渠槽與標準試模完全吻合為止。

3.2 砼施工把好模具關和振搗關

3.2.1 施工模具

施工砼呈流態(tài)狀，要想將其固結成為特有的工程形狀，必須制作一套適用的模具。實踐中有兩種模具施工法，一種是內外模人工施工法，另一種是滑模半機械施工法。

內外模施工就是用角鋼各制作一套內模（擋頭）和外模（擋頭），外模邊線尺寸與U形土渠槽尺寸一致，內模邊線尺寸與設計U形渠內徑尺寸一致，內外模（擋頭）之間用窄面建筑鋼模板（寬 10cm～15cm，長 150cm）作面板。實際施工中采用隔塊跳倉澆筑法，即先用外模隔塊跳倉（跳倉長度135 cm～140cm）澆筑砼U形渠段，等外模澆筑的U形渠凝固成形后，再用內模填空澆筑。此法適用于中小口徑且傾角在15°以內的U形渠道（斗渠及以下）砼襯砌，以人工施工為主，群眾易掌握，方便靈活，模具成本小，增加模具數(shù)量即可開設較多的工作面，施工質量也較好，但模具需頻繁拆卸安裝，重復工序多，進度較慢。

滑模施工法就是制作一套完整的全斷面U形鋼模具，利用傳動系統(tǒng)將鋼模具沿兩邊渠堤邊施工邊向前拉動滑行，一次性澆筑成型砼的一種施工方法。模具骨架以角鋼為主，面板用整片薄鋼板制作。此法人工、機械結合施工，砼澆筑速度快，施工質量好，模具攤銷成本小，不用頻繁拆卸安裝，但模具制作要求高，一次性成本高，對施工人員操作要求高，適用于渠道口徑大，內坡比較大的弧底梯形渠道。但不論采用哪種模具進行施工，模具制作都要正規(guī)、標準，滿足剛度、強度、穩(wěn)定性三要求。材料以角鋼、圓鋼、鋼板為主，制作工藝要精細，尺寸準確，誤差小，細部精確。

東風干渠2005年初期改造時，由東風水庫灌溉管理處組織施工，采用的就是內外模人工施工法。2008年后，灌區(qū)干渠進入全面改造期，由縣水電建筑公司施工，他們采用滑模施工法，既提高了工程質量，又保證了工程進度。

3.2.2 砼澆筑

不論采用哪種施工模具，砼澆筑除按設計標號嚴格拌制外，澆筑時都要把好振搗關。振搗必須密實，先底部后兩側，分層振搗，達到原漿收面。小斷面渠道以人工用鋼釬振搗為主，大斷面渠道用振搗器振搗，底部圓弧段用平板振搗器振搗，坡面段用插入式振搗器振搗，邊角、切點處要加強振搗。振搗時模具要固定牢靠，必要時加砂袋壓重，切忌使模板“上浮”或“鼓肚”。同時，掌握好拆模時間，一般在砼初凝后，以不粘結、很利索、不影響砼質量為準。

3.3搞好渠道整修

砼澆筑完后，發(fā)現(xiàn)有漏石、蜂窩、麻面、鼓肚的地方，要及時修補處理。可鑿除，用高標號水泥砂漿抹面，木抹打搓，后用鋼模壓光收平；渠口不平不直，可加做砼渠沿，即“封頂戴帽”；兩側渠堤培土整修，達到面平線直，有超高，寬度夠，外坡均勻。

4 結論

灌區(qū)渠道改造基于原有基礎，一般不改變原渠道布置和設計流量，弧底梯形斷面渠道最適合于已成灌區(qū)中較大梯形渠道的更新改造，它具有與原梯形渠道符合性好，節(jié)省工程量（尤其是土方），水力條件優(yōu)，投資省的特點。實際設計中只要把握住“一個中心、三個切點”，優(yōu)化圓弧設計；施工中把好土方和砼澆筑關，就能取得理想的改造效果，使渠道面貌煥然一新，投入運行，繼續(xù)發(fā)揮效益。陜西水利