渾沙灌區(qū)渠道襯砌型式比選與設(shè)計(jì)

王穎秋 崔克勝

(1.沈陽市蘇家屯區(qū)八一灌區(qū)管理處，遼寧 沈陽 110115；2.沈陽市蘇家屯區(qū)水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督站，遼寧 沈陽 110101)

渾沙灌區(qū)渠道襯砌型式比選與設(shè)計(jì)

王穎秋1崔克勝2

(1.沈陽市蘇家屯區(qū)八一灌區(qū)管理處，遼寧 沈陽 110115；2.沈陽市蘇家屯區(qū)水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督站，遼寧 沈陽 110101)

渾沙灌區(qū)是遼寧省的大型灌區(qū)，一直發(fā)揮著當(dāng)?shù)丶Z倉的作用。由于灌區(qū)渠道及建筑物老化失修，渠道漏水，渠道輸水損失大，渠系水利用系數(shù)低，引起灌區(qū)供水不及時(shí)等一系列問題。本文通過對(duì)不同渠道襯砌形式進(jìn)行方案比選，考慮工程量及工程造價(jià)等多方面因素，確定重力式漿砌石擋土墻為適合渾沙灌區(qū)的渠道襯砌型式，并對(duì)選定的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性等驗(yàn)算。

灌區(qū)；渠道襯砌；擋土墻

1 渾沙灌區(qū)自然狀況

渾沙灌區(qū)位于沈陽市西南部，東界沈大高速公路，東南及南為北沙河及太子河，西及北為渾河。灌區(qū)從撫順大伙房水庫下游渾河引水，渠首位于渾河謨家堡閘，引水方式為有閘控制自流引水。灌區(qū)總面積608km2，灌溉作物主要為水稻，設(shè)計(jì)灌溉面積60萬畝，有效灌溉面積38.2萬畝。

渾沙灌區(qū)為渾河沖積平原，地勢(shì)平坦，自東北向西南傾斜，自南北向地面坡降為1/2000～1/3700，東西向坡降為1//1400～1/3800，北部較陡，南部較緩。根據(jù)30m土層鉆探資料，在此層內(nèi)主要由第四系疏散堆積物構(gòu)成。灌區(qū)土質(zhì)基本屬于粉質(zhì)黏性土，約占灌區(qū)面積的97%，其他為砂壤土，主要分布于渾河地段，區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量在1.65%以上。

2 項(xiàng)目建設(shè)的必要性

渾沙灌區(qū)實(shí)施續(xù)建配套與節(jié)水改造，發(fā)展高效農(nóng)業(yè)、精品農(nóng)業(yè)，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和保障糧食安全的迫切需要[1]。項(xiàng)目建設(shè)的必要性主要表現(xiàn)在以下方面：

a.實(shí)施項(xiàng)目建設(shè)是實(shí)行節(jié)水增效、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的迫切需要。

b.實(shí)施項(xiàng)目建設(shè)是強(qiáng)化水利行業(yè)管理、實(shí)現(xiàn)水利產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的迫切要求。

c.實(shí)施項(xiàng)目建設(shè)，對(duì)保障糧食安全，實(shí)現(xiàn)全面建成小康社會(huì)的目標(biāo)、構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)和推進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)具有十分重要的意義。

d.實(shí)施項(xiàng)目建設(shè)是實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置和高效利用的需要。

e.實(shí)施項(xiàng)目建設(shè)是保障灌區(qū)水土資源合理開發(fā)利用與保護(hù)、實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的需要。

綜上所述，由于灌區(qū)渠道及建筑物老化失修，渠道漏水，渠道輸水損失大，渠系水利用系數(shù)低，造成灌區(qū)供水不及時(shí)，既耽誤農(nóng)時(shí)又影響了灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。為了保證灌區(qū)的正常供水、適時(shí)灌溉、提高糧食產(chǎn)量、增加居民收入，灌區(qū)的改造勢(shì)在必行。

3 渠道襯砌型式選擇與設(shè)計(jì)

3.1 渠道存在的問題

此期渾沙灌區(qū)節(jié)水改造的為挖方渠道，渠道兩側(cè)地面與渠道底高差在2～4m之間，灌溉期渠底臨近或低于地下水位，兩側(cè)水田的旁滲水大部分時(shí)間處于補(bǔ)給渠道狀態(tài)，自然渠坡在揚(yáng)壓力和沖刷力作用下，造成了嚴(yán)重的坍塌破壞，冬季渠道屬于強(qiáng)凍脹，在春融期，渠道邊坡經(jīng)常出現(xiàn)凍融滑塌，目前已危及護(hù)渠林和渠側(cè)道路的安全，其治理目的應(yīng)是以護(hù)坡、固腳和減糙為主。

3.2 渠道襯砌型式的方案比選

渠道襯砌結(jié)構(gòu)型式有重力式結(jié)構(gòu)和護(hù)面式結(jié)構(gòu)[2]，襯砌材料有漿砌石、混凝土和瀝青混凝土，綜合考慮渠道護(hù)坡、固腳、防凍脹和降低揚(yáng)壓力等因素，渠道襯砌型式采用重力式砌石結(jié)構(gòu)和重力式混凝土結(jié)構(gòu)?？紤]到渾沙灌區(qū)第二節(jié)制閘以下有一段200m長的漿砌石擋墻，依然發(fā)揮著護(hù)坡、固腳的功能[3]，此次渠道襯砌型式提出了五種方案：垂直重力式漿砌石擋土墻、仰斜重力式漿砌石擋土墻(兩個(gè)方案)、重力式鋼筋混凝土擋土墻、重力式素混凝土擋土墻。

3.2.1 方案一：垂直重力式漿砌石擋土墻

垂直重力式漿砌石擋土墻結(jié)構(gòu)型式見圖1，該灌區(qū)在10+866～11+091段，兩側(cè)均有重力式漿砌石護(hù)坡，已運(yùn)行近20年未出現(xiàn)裂縫，在工程技術(shù)上是合理的，從工程造價(jià)角度分析，在基礎(chǔ)埋深1.2m、墻高超過設(shè)計(jì)水深0.75m的情況下，造價(jià)為4910.72元/m。

圖1 渠道襯砌型式方案一斷面

3.2.2 方案二：仰斜重力式漿砌石擋土墻(一)

仰斜式漿砌石擋土墻(一)結(jié)構(gòu)型式見圖2，該灌區(qū)采用仰斜式漿砌石擋土墻護(hù)坡，在工程技術(shù)上是合理的，從工程造價(jià)角度分析，在基礎(chǔ)埋深1.2m、墻高超過設(shè)計(jì)水深0.75m的情況下，造價(jià)為4156.34元/m。

圖2 渠道襯砌型式方案二斷面

3.2.3 方案三：仰斜重力式漿砌石擋土墻(二)

仰斜重力式漿砌石擋土墻(二)結(jié)構(gòu)型式見圖3，該灌區(qū)采用漿砌石基礎(chǔ)和護(hù)坡組合，基礎(chǔ)底寬2.5m，墻高4.17m，埋深1.2m，露出地表部分迎水坡坡比為1∶1.2，重力式漿砌石擋土墻以上部分采用漿砌石防滲，護(hù)坡?lián)鯄敽?0cm，經(jīng)過穩(wěn)定計(jì)算，滿足工程要求，在工程技術(shù)上是合理的，從工程造價(jià)角度分析，造價(jià)為3604.07元/m。

圖3 渠道襯砌型式方案三斷面

3.2.4 方案四：重力式鋼筋混凝土擋土墻

重力式鋼筋混凝土擋土墻結(jié)構(gòu)型式見圖4，該灌區(qū)采用重力式鋼筋混凝土擋土墻護(hù)坡，趾墻底寬3.05m，趾墻高0.4m，擋墻下底寬1.05m，擋墻上頂寬0.3m，背坡比為1∶0.2，埋深1.2m，重力式鋼筋混凝土擋土墻經(jīng)過穩(wěn)定計(jì)算，滿足工程要求，在工程技術(shù)上是合理的，造價(jià)為5611.55元/m。

圖4 渠道襯砌型式方案四斷面

3.2.5 方案五：重力式素混凝土擋土墻

重力式素混凝土擋土墻結(jié)構(gòu)型式見圖5，該灌區(qū)采用重力式素混凝土擋土墻護(hù)坡，趾墻底寬3.3m，趾墻高0.6m，擋墻下底寬2.2m，擋墻上頂寬0.4m，背坡比為1∶0.5，埋深1.2m，重力式素混凝土擋土墻經(jīng)過穩(wěn)定計(jì)算，滿足工程要求，在工程技術(shù)上是合理的，造價(jià)為6432.93元/m。

圖5 渠道襯砌型式方案五斷面

3.2.6 渠道襯砌型式的方案確定

從方案一至方案五比較來看，五種結(jié)構(gòu)型式均滿足護(hù)坡、固腳和減糙的功能要求[4]，方案一、四和五較方案二工程造價(jià)高，考慮到經(jīng)濟(jì)性要求，這三個(gè)方案應(yīng)予以舍棄；方案三襯砌結(jié)構(gòu)型式由漿砌石基礎(chǔ)和漿砌石護(hù)坡構(gòu)成，不但土方開挖量較小，且工程造價(jià)低，所以此次渠的襯砌主要采用方案三。10+866～11+091段受渠堤的限制，且該段原有仰斜式漿砌石擋土墻，該段渠道襯砌采用方案二。

3.3 渠道襯砌工程設(shè)計(jì)

3.3.1 樁號(hào)10+866～11+091段渠襯砌設(shè)計(jì)

該段位于第二節(jié)制閘下游，目前兩側(cè)均為漿砌石護(hù)坡，此次設(shè)計(jì)拆除現(xiàn)有砌石護(hù)坡，重建為仰斜式擋土墻[5]。墻頂寬為0.5m，底寬2.53m，墻底設(shè)0.4m厚C20素混凝土底板，墻身高4.17m，內(nèi)邊坡系數(shù)為0.7，背坡比為1∶0.2，擋土墻趾墻厚0.9m，擋土墻埋深1.2m，底部鋪設(shè)20cm的砂礫料墊層，塊石飽和抗壓強(qiáng)度不小于40MPa，砂漿為M7.5，每隔10m設(shè)置一沉降縫，縫寬2cm，外側(cè)采用瀝青縫板，內(nèi)側(cè)填充苯板。每隔10m設(shè)置一φ50排水管，排水管下口距設(shè)計(jì)渠底0.5m以上，墻頂以上邊坡整形，播撒草籽，堤頂為現(xiàn)狀自然堤頂。

該段位于第二節(jié)制閘下游，目前第二節(jié)制閘下游為干砌石海漫，海漫長度僅為10m，現(xiàn)狀干砌石已被沖刷破壞，渠道現(xiàn)有兩側(cè)漿砌石擋墻墻基已經(jīng)裸露?？梢娝鞒鱿Τ睾笪蓜?dòng)仍然較為劇烈，且底部流速較大，對(duì)渠道底部仍有較大沖刷能力，故此次采用下列公式重新計(jì)算海漫長度：

(1)

式中Lp——海漫長度，m；

K——系數(shù)，視消能狀況和河床土質(zhì)的允許流速而定；

q——消力池出口單寬流量，m3/(s·m)；

ΔH——水閘上下游水頭差。

考慮工況為上游渠道達(dá)到設(shè)計(jì)流量，即上游水深一定(上游渠道設(shè)計(jì)水深2.84m)，節(jié)制閘開啟，計(jì)算在閘門開啟過程中不同開度對(duì)應(yīng)的流量及上下游水位差，由此計(jì)算在閘門開啟過程中所需最大海漫長度。

計(jì)算得Lp=56.54m，兩斷面處現(xiàn)狀渠底高差近1m，為確保工程安全，海漫長度按照70m考慮。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，10+866～11+091樁號(hào)225m范圍內(nèi)渠道底部鋪設(shè)涂塑格網(wǎng)石籠，石籠厚0.5m。

此外該段墻基遭沖刷裸露嚴(yán)重，因此該次設(shè)計(jì)重新計(jì)算墻基處局部沖刷深度，采用下式計(jì)算：

(2)

式中hB——局部沖刷深度，從水面算起；

hp——沖刷處水深，2.63m；

vcp——平均流速,m/s；

v允——渠道允許不沖流速，0.8m/s；

n——與防護(hù)岸在平面上的形狀有關(guān)的指數(shù)，取0.25。

經(jīng)計(jì)算hB=3.77m，沖刷深度為3.77m-2.63m=1.14m，此處基礎(chǔ)埋深1.2m。

該段襯砌結(jié)構(gòu)型式見圖2。

3.3.2 樁號(hào)11+091～15+531段渠襯砌設(shè)計(jì)

該段全長4440m，由于為未襯砌段，現(xiàn)狀渠道邊坡坍塌較為嚴(yán)重，邊坡較緩，為減小工程量，遵循“少填少挖”的原則，此次設(shè)計(jì)該段采用漿砌石仰斜式擋墻型式進(jìn)行邊坡襯砌。襯砌內(nèi)邊坡盡可能貼合現(xiàn)狀渠坡線，采用1∶1.2邊坡，墻頂寬0.8m，墻底寬2m，墻底設(shè)0.4m厚C20素混凝土底板，下設(shè)0.2m厚砂礫料墊層。塊石飽和抗壓強(qiáng)度不小于40MPa，砂漿為M7.5，每隔10m設(shè)置一沉降縫，縫寬2cm，外側(cè)采用柞木板，內(nèi)側(cè)填充苯板。每隔10m設(shè)置一排水管，排水管下口距設(shè)計(jì)渠底0.5m，墻頂以上邊坡整形，播撒草籽。

該段襯砌結(jié)構(gòu)型式見圖3。

3.4 擋土墻穩(wěn)定復(fù)核驗(yàn)算

3.4.1 計(jì)算方法

擋土墻復(fù)核計(jì)算內(nèi)容為：抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算，傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，墻底偏心距及壓應(yīng)力驗(yàn)算[6]。計(jì)算方法參照《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 379—2007)的規(guī)定。

滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算：

(3)

式中Kc——擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f——擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；

傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算：

(4)

式中K0——擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；

墻底偏心距及壓應(yīng)力驗(yàn)算:

(5)

式中e——偏心距；

B——擋土墻底面寬度,m；

(6)

式中A——單位長度擋土墻底面積；

(7)

式中η——不均勻系數(shù)。

3.4.2 結(jié)構(gòu)尺寸及計(jì)算參數(shù)

根據(jù)工程需要及實(shí)際情況擬定兩種型式的擋土墻，計(jì)算參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸列表說明如下：

參數(shù)取用說明：

a.根據(jù)地勘資料及土層特性，墻后填土為粉質(zhì)黏土，根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 379—2007)一般黏性土天然重度γ=17～18kN/m3，此次擋土墻驗(yàn)算選用17kN/m3。

b.根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2004)的規(guī)定，當(dāng)擋土墻墻高H≤6m時(shí)，內(nèi)摩擦角φ=35°～40°。

c.根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2001)的規(guī)定，當(dāng)?shù)鼗鶠橹械葓?jiān)硬黏土?xí)r，墻底摩擦系數(shù)f取值范圍為0.25～0.35，此次復(fù)核取0.3。

3.4.3 計(jì)算軟件

采用北京理正巖土系列軟件5.11版計(jì)算。

3.4.4 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見下表。

穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

3.4.5 計(jì)算結(jié)果分析評(píng)價(jià)

根據(jù)《擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 379—2007)，在基本荷載條件下，擋土墻的抗傾覆安全系數(shù)不應(yīng)小于1.5，抗滑安全系數(shù)允許值為1.2。上表中抗滑安全系數(shù)均大于1.2，抗傾覆安全系數(shù)均大于1.5，故可知上述擋土墻尺寸滿足穩(wěn)定要求。

4 結(jié) 語

渠道襯砌是灌區(qū)田間配套工程的主要建設(shè)部分，通過比較分析幾種常見的渠道襯砌型式，仰斜重力式漿砌石擋土墻型式的渠道襯砌具有土方開挖量小、工程造價(jià)低且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此該項(xiàng)目在技術(shù)上是可行的，在經(jīng)濟(jì)上也是合理的，適合在渾沙灌區(qū)進(jìn)行修建。渠道襯砌工程的建設(shè)提高了渠道水利用系數(shù)，節(jié)約了水資源，使有限的耕地發(fā)揮了最大的經(jīng)濟(jì)效益，提高了農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 尚關(guān)蕾.江川灌區(qū)建設(shè)模式優(yōu)化研究[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2016.

[2] 楊璘.灌區(qū)渠道襯砌型式設(shè)計(jì)選擇[J].吉林水利,2016(7):19-22.

[3] 趙小川.土渠防滲襯砌技術(shù)初探[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2015(11):68.

[4] 肖海軍.小型渠道防滲襯砌型式的探討[J].北京農(nóng)業(yè),2015(9):207.

[5] 譚海森,趙保華,王瑞光.不同渠道襯砌型式在鶴崗市應(yīng)用中的比較[J].黑龍江水利科技,2010(1):235-236.

[6] 何宏順.不同渠道襯砌型式在實(shí)際中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2008(3):207,209.

Comparison and Design of Canal Lining Patterns in Hunsha Irrigation Area

WANG Yingqiu1, CUI Kesheng2

(1.ShenyangSujiatunBayiIrrigationAreaAdministrativeOffice,Shenyang110115,China;2.ShenyangSujiatunDistrictWaterConservancyProjectConstructionQualityandSafetySupervisionStation,Shenyang110101,China)

Hunsha irrigation area a large irrigation area in Liaoning Province, which has been playing the role as a granary in local area. A series of problems are caused such as delayed water supply in the irrigation area, etc. due to the aging and disrepair of canal and buildings in the irrigation area, leakage of canal, large conveyance loss of wter in canal and low canal water utilization coefficient. In the paper, plans of different canal lining forms are compared, factors engineering quantities, engineering cost, etc. are considered for determining that gravity slurry masonry retaining wall is a canal lining mode suitable for Hunsha irrigation area, and the selected structure models are designed, the stability, etc. are checked.

irrigation area; canal lining; retaining wall

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.06.013

TV91

A

1673-8241(2017)06- 0053- 06