貴州楊柳溪水庫灌區(qū)渠系建筑物優(yōu)化設(shè)計(jì)

婁詩建，譚劍波

貴州楊柳溪水庫灌區(qū)渠系建筑物優(yōu)化設(shè)計(jì)

婁詩建1，譚劍波2

（1.遵義水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州遵義563000；2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100）

針對貴州楊柳溪水庫灌區(qū)地質(zhì)條件較復(fù)雜，沿線部分渠段邊坡穩(wěn)定性較差、易形成高陡邊坡等問題，在現(xiàn)場踏勘的基礎(chǔ)上，綜合考慮工程占地、施工難度及工程投資等因素，規(guī)劃出渠系整體布置方案，優(yōu)選了渠系建筑物結(jié)構(gòu)形式。

貴州??；楊柳溪水庫；渠系建筑物；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1　工程概況及地質(zhì)條件

1.1工程概況

楊柳溪水庫位于貴州省遵義市正安縣晏溪村境內(nèi)，水庫壩址處于烏江水系芙蓉江右岸支流馬河上游的右岸支流楊柳溪下游的崖腳河段，距中觀集鎮(zhèn)7 km，距正安縣城51 km，距遵義市城區(qū)141 km，壩址以上流域面積為21.7 km2。水庫總庫容為787萬m3，興利庫容為591萬m3，正常蓄水位為862.00m，死水位為831.00m，工程等級為小（1）型。

楊柳溪水庫灌區(qū)規(guī)劃以楊柳溪水庫為主要水源，巫家水庫為補(bǔ)給水源，主要用于農(nóng)田灌溉、灌區(qū)內(nèi)人畜用水。該灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積0.21萬km2，有人口4.25萬人，牲畜1.10萬頭，年需供水量882萬m3。

1.2地質(zhì)條件

楊柳溪水庫灌區(qū)主要位于芙蓉江鎮(zhèn)和太平鄉(xiāng)，輸水線路較長，且沿途均為典型的山區(qū)地帶，河谷深切。灌區(qū)地處大婁山脈南東側(cè)，北部、南部及東部山體連綿，山高坡陡，地形起伏大。渠系沿線地層從寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群（∈2－3ls）至三迭系下統(tǒng)茅草鋪組（T1m）及第四系（Q）地層均出露。

2　輸水系統(tǒng)整體規(guī)劃及設(shè)計(jì)原則

2.1輸水系統(tǒng)方案整體規(guī)劃

楊柳溪水庫壩址下游至獠牙坪段處于中觀河和馬河段，河流左岸山高坡陡，地形起伏較大，沖溝分布，且渠道高程以下是宴溪至正安縣城交通要道。河流右岸相對左岸地形起伏小，跨沖溝較少，施工干擾較小，且規(guī)劃中的巫家水庫位于馬河右岸龍橋溪一級支流上，可作為楊柳溪水庫灌區(qū)的補(bǔ)給水源，所需補(bǔ)給水量在生基灣隧洞進(jìn)口匯入楊柳溪總干渠。故楊柳溪水庫灌區(qū)總干渠優(yōu)選沿中觀河和馬河右岸布置。為充分發(fā)揮水庫效益、方便施工及運(yùn)行管理等，灌區(qū)干渠輸水總體采用渠道輸水，在支渠設(shè)計(jì)階段綜合考慮渠管結(jié)合的輸水方式。灌區(qū)總體布置衛(wèi)星地形圖如圖1所示。

圖1　灌區(qū)總體布置衛(wèi)星地形圖Fig.1 General arrangement of irrigation area satellite topographic map

2.2輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）為避免高邊坡開挖或高邊坡襯護(hù)，渠道設(shè)計(jì)采用窄深式斷面。（2）根據(jù)各級渠道流量，擬定渠道縱坡、渠道糙率和渠道斷面內(nèi)邊坡。根據(jù)我國灌區(qū)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，灌區(qū)工程總干渠和芙蓉江干渠底坡坡降均采用1∶1 000，渠道均采用C15混凝土防滲，取渠道糙率n＝0.015。（3）過水?dāng)嗝娉叽绨醇哟罅髁坑?jì)算。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，上萬畝灌溉面積的渠道應(yīng)按續(xù)灌方式進(jìn)行渠道設(shè)計(jì)，加大系數(shù)取1.30［1］。（4）由灌區(qū)最小流量確定的最小水深不應(yīng)小于設(shè)計(jì)水深的70%。

3　灌區(qū)渠系建筑物設(shè)計(jì)

根據(jù)《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)原則及工程所處地形地貌、灌區(qū)水源點(diǎn)及耕地分布等特點(diǎn)，選擇可行、經(jīng)濟(jì)合理的渠系建筑物形式［2］。根據(jù)渠道施工經(jīng)驗(yàn)和工程地形條件綜合比較，當(dāng)渠線邊坡較陡且有布置渠系建筑物條件時(shí)，可優(yōu)先考慮建筑物，以避免實(shí)施過程中很多不可預(yù)見的難題［3］。

3.1灌區(qū)渡槽設(shè)計(jì)

爛田灣溝槽地處沖溝，集雨面積為0.35 km2，溝槽寬度為20.0m。若采用涵洞跨越，跨度大，砌石方量較大，不經(jīng)濟(jì)。經(jīng)綜合比較后，采用結(jié)構(gòu)合理、過流條件較好且行洪量大的渡槽跨越。受地形條件的限制，該渡槽采用簡支梁式結(jié)構(gòu)，斷面形式為矩形。進(jìn)、出口漸變段可適當(dāng)降低要求。

3.2灌區(qū)隧洞設(shè)計(jì)

結(jié)合地形地質(zhì)條件，工程中部分渠線地形陡峭，修建渠道難度較大（如，小通坡渠線為順向坡，邊坡穩(wěn)定性較差，可能造成滑坡，且開挖邊坡支護(hù)量較大），采用短隧洞過水的布置方式。另外，高陡邊坡段若進(jìn)行渠道開挖，易形成高邊坡開挖或高邊坡襯護(hù)，襯砌和施工難度均大于隧洞布置方案的難度。

楊柳溪水庫灌區(qū)隧洞設(shè)計(jì)采用無壓隧洞，斷面為城門洞形。無壓隧洞進(jìn)、出口處設(shè)置連接段，與渠道平順銜接。在隧洞進(jìn)口處，設(shè)攔污柵和檢修閘門各1扇。

3.2.1洞身斷面尺寸的確定

洞身斷面尺寸可根據(jù)給定的泄流量，作用水頭及縱斷面布置，通過必要的水力計(jì)算及水工模型實(shí)驗(yàn)確定。無壓隧洞洞身過流能力按堰流基本公式計(jì)算。

楊柳溪灌區(qū)隧洞水力計(jì)算成果如表1所示。

表1　隧洞水力計(jì)算成果表Tab.1 Tunnel hydraulic calculation results

隧洞開挖斷面應(yīng)在滿足最小開挖斷面的前提下，同時(shí)考慮隧洞長度、施工條件、銜接段渠道斷面等因素。從表1可知，各隧洞的過流能力均大于加大流量（Qmax加＝2.155m3／s），過流能力滿足要求；各斷面在加大流量下的流速在1.198～1.304m／s之間，滿足規(guī)范規(guī)定的現(xiàn)場澆筑混凝土允許不沖流速小于8 m／s；灌區(qū)渠道為清水渠道，不淤流速定為0.3～0.5 m／s，各斷面最小流速均大于不淤流速。

3.2.2隧洞襯砌

（1）襯砌方案。根據(jù)圍巖類型對隧洞襯砌進(jìn)行分類：III類圍巖段開挖成型后，側(cè)墻及底板采用C15混凝土襯砌，厚度均為0.2m，頂拱不支護(hù)。IV類圍巖段開挖成型后，側(cè)墻及底板采用C15混凝土襯砌，厚度均為0.2m，頂拱采用噴C20混凝土支護(hù)，厚度為0.1m，局部隨機(jī)布設(shè)Φ25錨桿。錨桿單根長為3.0m，排距為3.0m，并鉆孔深入基巖作排水孔。V類圍巖及局部溶蝕發(fā)育段開挖成型后，側(cè)墻及頂拱采用掛網(wǎng)噴C20混凝土支護(hù)，厚度為0.1 m，并在頂拱布設(shè)Φ25錨桿。錨桿單根長為3.0m，排距為3.0m，采用C20鋼筋混凝土全斷面襯砌。隧洞襯砌混凝土每隔10～20m設(shè)置一條橫向伸縮縫，縫寬2 cm（采用瀝青沙漿填縫）。隧洞襯砌回填灌漿完成后，將灌漿孔作排水孔。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告提供的資料，本工程V類圍巖主要分布在隧洞進(jìn)出口，洞身段絕大部分洞段屬III類及以上圍巖，隧洞圍巖穩(wěn)定條件較好。

（2）計(jì)算工況及荷載組合。隧洞為無壓隧洞，考慮正常運(yùn)行和檢修兩種計(jì)算工況。正常運(yùn)用情況（隧洞過水）的荷載組合為：山巖壓力＋襯砌自重＋水重＋外水壓力＋彈性抗力。檢修情況的荷載組合為：山巖壓力＋襯砌自重＋外水壓力＋彈性抗力。兩種工況下的內(nèi)水壓力均為0。所以，運(yùn)用邊值法進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。

（3）計(jì)算斷面及參數(shù)。根據(jù)輸水隧洞圍巖情況，選取各隧洞在各種工況下的不利斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算，具體如表2所示。

表2　輸水隧洞計(jì)算斷面及有關(guān)參數(shù)表Tab.2 Outlet tunnel calculation section and related parameter

（4）隧洞實(shí)際配筋及襯砌厚度。由于輸水隧洞為無壓洞，各隧洞山巖壓力均較小（qmax＝34.3 kN／m2）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隧洞實(shí)際環(huán)向配筋為φ16＠200，雙層配筋；縱向分布鋼筋為φ12＠200，側(cè)墻及頂拱的襯砌厚度均為0.3m，底板襯砌厚度為0.2m。

3.3灌區(qū)倒虹吸設(shè)計(jì)

楊柳溪水庫灌區(qū)工程共設(shè)5座倒虹吸。其中，總干渠4座，芙蓉江干渠1座。結(jié)合地形、地質(zhì)條件，倒虹吸布置在河道較窄、河床及兩岸岸坡穩(wěn)定且坡度較緩處，同時(shí)避開可能產(chǎn)生滑坡、崩塌及其他地質(zhì)條件不良的地段［4］。倒虹吸涉及跨河4處，均采用橋式布置（白果樹、兩岔河、獠牙坪和關(guān)渡水倒虹管），跨越山溝一處，采用埋地式布置（道角倒虹管）。倒虹吸進(jìn)、出口段均布置在穩(wěn)定、堅(jiān)實(shí)的原狀土或巖石地基上，且考慮進(jìn)水口兼顧調(diào)節(jié)池功能，斷面尺寸適當(dāng)增加［5］。進(jìn)出口前、出口后設(shè)漸變段與渠道平順銜接。倒虹吸水力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

結(jié)合表3計(jì)算數(shù)據(jù)，根據(jù)壓力水頭分級選用不同壁厚如表4所示。

倒虹管進(jìn)口設(shè)沉沙池、閘門和攔污柵，在低洼處設(shè)沖沙兼放空閥。為防止污物反流回?cái)r污柵，在出口也設(shè)攔污柵，清污方式采用人工清污。在管道凸起處設(shè)置自動進(jìn)、排氣閥，出口設(shè)消力池。管道在地形變坡、平面轉(zhuǎn)彎和管材變化處設(shè)置鎮(zhèn)墩，管座采用混凝土剛性管座［6］。對于小溪溝或低洼地帶采用埋管敷設(shè)，跨河處采用漿砌石支墩或管橋明管跨越，支墩基礎(chǔ)置于基巖或沙卵礫石層上。

表3　倒虹管水力計(jì)算成果表Tab.3 Inver ted siphon hydraulic calculation results

表4　鋼管壁厚及預(yù)應(yīng)力砼管壓力等級成果表Tab.4 Steel tube wall thickness and prestress concrete pipe pressu re rating resu lts

4　結(jié)語

楊柳溪水庫灌區(qū)渠線長，工程地形地質(zhì)條件復(fù)雜，河、渠交叉建筑物工程量大。在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面。

（1）根據(jù)地形、地質(zhì)條件，按照渠線平順連接原則，總干渠沿中觀河和馬河右岸布置。

（2）根據(jù)渠道水位、流量及防洪影響，選擇結(jié)構(gòu)合理、過流條件較好，且行洪量大的矩形斷面簡支梁式渡槽。

（3）根據(jù)圍巖類型，對隧洞進(jìn)行分?jǐn)嗝嬉r砌支護(hù)。

（4）倒虹吸管形式、孔數(shù)及總體布置，從水流條件，上、下游渠道銜接條件和施工難度等方面進(jìn)行綜合考慮，優(yōu)選布置緊湊合理、易于施工和工程量小的設(shè)計(jì)方案。

［1］GB50288－99，灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］SL482-2011，灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］林偉青.灌溉渠道設(shè)計(jì)在實(shí)際中的應(yīng)用［J］.中國水運(yùn)，2011（10）：163－164.

［4］貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)院.貴州省小型渠系建筑物定型設(shè)計(jì)：倒虹吸管分冊［M］貴陽：貴州省水利電力廳出版社，1985：63-100.

［5］游萬敏，上官江，黃星旻.南水北調(diào)中線一期工程白河倒虹吸工程布置設(shè)計(jì)［J］.人民長江，2010（16）：39－41.

［6］崔福占，張?zhí)m竹.瀑河渠道倒虹吸優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2008（03）：7－9.

[責(zé)任編輯楊明慶]

Optim ization Design of Yangliuxi Reservoir Irrigation Canal System Building of Guizhou Province

L OU Shi-jian1，T AN Jian-bo2
（1.Zunyi Water Conservancy and Hydropower Survey Design Institute，Zunyi 563000，Guizhou，China；2.Yangling Vocational and Technical College，Yangling 712100，Shanxi，China）

Aiming at the complex geological conditions，poor slope stability and easy to form high and steep slope along the canal section part and other problems of Yangliuxi reservoir in Guizhou province，on the basis of reconnaissance trip，this paper takes overall consideration the engineering land occupation，the construction difficulty and the engineering investment and other factors，and plans a canal system overall layout plan，optimizes the canal system building structure form.

Guizhou Province；Yangliuxi Reservoir；canal system building；optimization design

TV698

A

1008-486X（2016）01-0011-04

2015－11－21

婁詩建（1987－），男，貴州遵義人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。