五家渠灌區(qū)渠道防滲改建工程設計

李 斌

（阜康市九運街鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)（畜牧業(yè)）發(fā)展服務中心，新疆 阜康 831501）

1 工程概況

五家渠灌區(qū)地處天山北麓、準噶爾盆地南緣、烏魯木齊河下游沖積洪積平原，是新疆20世紀50年代開發(fā)建設的大型灌區(qū)之一，總面積9.09萬hm2，灌溉面積2.16萬hm2，灌區(qū)總?cè)丝?0.76萬人。本次五家渠灌區(qū)規(guī)劃改建渠道6條，總長18.97km，配套建筑物40座，其中閘33座，涵7座，控制灌溉面積0.72萬hm2。 渠道設計流量1.08～0.32m3/s。渠道工程級別5級，其建筑物工程級別為5級。

2 工程地質(zhì)條件

經(jīng)實地勘察，改建渠道沿線地層巖性基本由低液限粉土、低液限黏土和粉土質(zhì)砂組成。由于渠線位于沖洪積平原中下游，沉積環(huán)境與沉積作用的交替變化，導致渠道沿線地層巖性存在一定變化。

2.1 地基土地層描述

以猛進干渠103團十四連輸水支渠段為實例，其地基土層主要分以下兩種：

（1）粉土質(zhì)砂，位于地表之下，層厚1.8～2.5m，該層呈土黃色，稍密～中密，稍濕～飽和，大于2mm粒徑含量大于50%。

（2）低液限粉土層，該層層頂埋深2.0～2.5m，最大厚度4.5m，土黃色～灰褐色，濕，中密～密實，刀切面粗糙，干強度和韌性低，搖震反應迅速。

主要土工試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1。

表1 土工試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2.2 其他性質(zhì)

2.2.1 場地土腐蝕性評價

經(jīng)對各段場地土易溶鹽含量試驗分析，得出其對混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性呈弱性，對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕性呈中性。渠道沿線0.5m以下土有機質(zhì)含量較低，可不考慮影響。

2.2.2 鹽脹性、溶陷性、濕陷性評價

根據(jù)分析報告，場地土中硫酸鈉含量小于1%，可不考慮土的鹽脹性[2]；據(jù)本區(qū)以往大量工程建筑經(jīng)驗，本場地無溶陷性土，故不用考慮；根據(jù)室內(nèi)土工試驗結(jié)果，各土層濕陷系數(shù)均小于0.015，不具有濕陷性。

2.2.3 凍脹性評價

根據(jù)地質(zhì)資料，改建渠道沿線標準凍深1.5m，屬季節(jié)性凍土，土中粒徑小于0.075mm顆粒含量大于總土重10%，可判定屬于凍脹性土，必須做好應對措施。

3 渠道防滲改建設計

3.1 渠道橫斷面設計

渠道橫斷面設計需要滿足的條件：

（1）渠道有足夠的過水能力，以滿足相應的灌溉面積要求。

（2）渠床和邊坡穩(wěn)定，不發(fā)生沖刷、淤積、滑坡、坍塌等問題。

（3）盡量降低工程量和施工難度，具有較好的經(jīng)濟性[3]。

3.1.1 渠道水力計算

本項目渠道橫斷面尺寸是根據(jù)渠道通過設計流量Q的明渠均勻流公式計算而得[4]，尺寸應在水力最佳斷面范圍內(nèi)。

式中 A為渠道過水斷面面積（m2）；I為水力比降，即渠道縱坡，取值0.02%～0.04%；C為謝才系數(shù)。

渠堤超高Fb根據(jù)規(guī)范大水深計算如式（2）[5]。

式中 Fb為渠道堤超高（m）；h加為渠道加大水深（m）。

在此以猛進干渠103團十四連輸水支渠段為對象，經(jīng)計算得出該段渠道水利要素數(shù)據(jù)，如表2（部分）。

表2 渠道水力要素

3.1.2 橫斷面結(jié)構(gòu)方案比選

結(jié)合本項目渠道縱坡、流量、地基等條件，確定了梯型斷面最適合，具體以下橫斷面結(jié)構(gòu)方案有兩種可供選擇。

3.1.2.1 現(xiàn)澆混凝土板襯砌+砂礫石防凍層（方案1）

渠底和邊坡均采用C20現(xiàn)澆混凝土板，其中渠底澆筑厚度設計10cm，邊坡設計8cm。兩側(cè)內(nèi)外邊坡坡度設計均為1∶1.5。渠底和邊坡現(xiàn)澆混凝土板下部均設計砂礫石防凍層（斷面結(jié)構(gòu)如圖1）。

圖1 方案1渠道橫斷面結(jié)構(gòu)

渠底和邊坡每隔3.0m設計1道橫向伸縮縫，縫寬2cm，深度設計8cm。其中上部分2cm深度采用聚氨酯砂漿填縫（聚氨酯和砂漿各占50%）；下部分6cm深度采用高壓閉孔板填縫。

3.1.2.2 渠底現(xiàn)澆混凝土板襯砌+邊坡預制混凝土板+砂礫石防凍層（方案2）

渠底設計為C20現(xiàn)澆筑混凝土板10cm，邊坡設計為C20預制混凝土板6cm（尺寸規(guī)格：長×寬=60cm×40cm），兩側(cè)內(nèi)外邊坡坡度設計均為1∶1.5。渠底和邊坡現(xiàn)澆混凝土板下部均設計砂礫石防凍層 （斷面結(jié)構(gòu)如圖2）。

圖2 方案2渠道橫斷面結(jié)構(gòu)

預制混凝土板之間縫隙寬度設計2.0cm，深度6cm，其中上部分2cm深度采用聚氨酯砂漿填縫（聚氨酯和砂漿各占50%）；下部分4cm深度采用高壓閉孔板填縫。渠底橫向伸縮縫設計同方案1。

兩方案優(yōu)缺點對比如表3。

表3 渠道斷面結(jié)構(gòu)兩方案對比

綜合分析，方案2施工速度快，且綜合造價低，使用壽命長，利于日后管理和維修，因此施工方案最終采用方案2。

3.2 渠道防滲設計

渠道防滲是本項目改建的重點問題之一，方案2設計的混凝土面板防滲效果較差，且隨著混凝土板裂縫增加，其防滲性必然降低，因此本項目設計采用“混凝土板+塑膜”雙防滲結(jié)構(gòu)[6]，即在渠道混凝土板下方鋪設厚度為聚乙烯塑膜，采用塑膜規(guī)格為：厚度0.3mm；抗拉伸強度≥13MPa，伸長率≥150%；幅寬3.0m。具體施工步驟如下：

3.2.1 塑膜加工

剪裁按照鋪膜方式分為兩種：

（1）當采用縱向鋪膜時，每段長度控制在30～50m；

（2）橫向鋪膜時，根據(jù)兩側(cè)護坡和渠底尺寸設計，要求比實際尺寸大5%。

本項目采用橫向鋪膜方式。塑膜接縫處理法包括：搭接法、焊接法、黏結(jié)法，通過實際對比，本項目最適合采用電熨斗焊接法施工，要求焊接搭接寬度不小于10cm，確?？p口密閉性良好。

3.2.2 塑膜鋪設

塑膜鋪設形式可分為：全鋪式、半鋪式、底鋪式3類，本項目防滲采用全鋪式。塑膜兩端埋入渠堤60cm，并用回填土壓實。鋪設時橫向由一側(cè)鋪設，縱向順水流方向，上段壓下段鋪設，保證鋪設整體性。拉展時應均勻預留些許小褶皺，使其適應較大變形量。

3.3 渠道防凍脹設計

本次五家渠改建渠道沿線凍深1.5m，設計采用換填法處理地基。主要涉及置換深度和置換材料兩方面設計內(nèi)容。

3.3.1 置換深度

置換深度Z0直接影響了渠道防凍脹效果及地基換填投資，其計算公式如（3）。式中 ε為置換比，邊坡0.253，渠底0.267；Zd為標準凍深，取1.5m；δ0為上覆混凝土板厚度，邊坡6cm，渠底10cm。

經(jīng)計算，邊坡需要置換深度32cm，渠底置換深度30cm。

3.3.2 置換材料選取

一般渠道抗凍脹置換材料可選取砂礫石或聚苯乙烯板，兩種置換材料的優(yōu)缺點對比如表4。通過分析，本次五家渠改建渠道設計壽命超過20年，聚苯乙烯板滿足不了這一硬性指標，所以排除。最終設計改建渠道邊坡鋪設砂礫石防凍層32cm，渠底鋪設30cm。

表4 抗凍脹置換材料比選

本項目要求砂礫石墊層壓實度不小于0.96，并逐層壓實；砂礫石墊層中粒徑小于0.075mm的土含量不應大于總戈壁量重的10%；同時砂礫石中尖角礫石含量不能超規(guī)范。

4 結(jié)語

（1）通過以五家渠灌區(qū)原有渠道工程為基礎(chǔ)，重新設計了斷面和襯砌形式、防滲方案，增加了抗凍脹措施，改建渠道投入使用后應用效果良好，各方面參數(shù)均達到設計要求。

（2）渠道改建應盡量依托原來的工程基礎(chǔ)，滿足輸水量情況下盡量杜絕肆意擴大規(guī)模，各項設計方案緊密結(jié)合當?shù)貙嶋H條件，就地取材，在滿足使用的基礎(chǔ)上降低造價。