季凍區(qū)高地下水位地區(qū)渠道透水襯砌結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

張辛洋

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 114000)

1 工程背景

東港灌區(qū)位于遼寧省丹東市的西南部，地處鴨綠江和大洋河的下游、黃海沿岸。灌區(qū)的總控制面積為1352km2，其中耕地面積為6.996萬(wàn)hm2，由于灌區(qū)雨量豐富，溫度適宜，土質(zhì)肥沃，是遼寧丹東地區(qū)的稻米主產(chǎn)區(qū)[1]。目前，灌區(qū)內(nèi)有各型水庫(kù)17座、提水站59座，已建成鐵甲和友誼主干渠2條、總長(zhǎng)度為72.1km，共有分干渠11條、總長(zhǎng)度85.85km，支渠233條、總長(zhǎng)333.28km。有效灌溉面積3.83萬(wàn)hm2，實(shí)際灌溉面積3.71萬(wàn)hm2[2]。由于灌區(qū)已經(jīng)運(yùn)行了幾十年，工程老化失修現(xiàn)象比較嚴(yán)重，不僅導(dǎo)致水資源浪費(fèi)比較嚴(yán)重，灌溉的供水質(zhì)量也難以有效保證。因此，灌區(qū)開始實(shí)施續(xù)建配套和改造工程[3]。在工程的渠系改造過(guò)程中，有部分渠道靠近河道，地下水位較高，在襯砌施工過(guò)程中不僅要注意開源節(jié)流，還應(yīng)該防止渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞，給工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)造成了一定的困難。以鐵甲干渠的4號(hào)分干渠為例，其位于大洋河南岸的階地上，地表分布有厚度不均的沖積細(xì)顆粒地層，下部存在厚度較大的砂卵石層。渠線通過(guò)區(qū)域地勢(shì)平坦，地下水位較高，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。為了保證渠道的安全運(yùn)行，在工程設(shè)計(jì)中借鑒其他灌區(qū)的成功經(jīng)驗(yàn)，采用透水襯砌方式，將地下水引入灌區(qū)，解決渠道冬季凍脹問(wèn)題[4]。

2 透水襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 原始方案

研究渠段的橫斷面為梯形，采用透水襯砌方式。渠坡和渠底采用的厚度為8cm的C15混凝土預(yù)制塊和厚度為10cm的混凝土框架預(yù)制件襯砌，在框架中采用干砌塊石襯砌，實(shí)現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)的透水性。在襯砌結(jié)構(gòu)的下部鋪設(shè)一定厚度的墊層料，用于緩解冬季凍脹作用對(duì)上部襯砌體的變形張力[5]。根據(jù)地下水的回歸規(guī)律，充分利用地下水，由于混凝土框架磚和干砌石之間屬于柔性連接，可以對(duì)凍脹變形有一定的適應(yīng)力，從而保證渠道襯砌斷面在凍融作用下的規(guī)則性，從而提高渠系水的利用率，延長(zhǎng)渠道的使用壽命[6]。具體的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：渠道襯砌斷面的底寬為3.0m，口寬為6.5m，渠深為1.75m，水深為1.28m。渠道的縱坡為1/645～1/820，設(shè)計(jì)流量為2.1m3/s。C15混凝土框架預(yù)制件之間干砌塊石的厚度為30mm。根據(jù)抗凍脹的要求確定墊層厚度：陰坡頂部和底部分別為50和60cm；陽(yáng)坡的頂部和底部分別為50和40cm；渠底的厚度為40cm。渠底每20m設(shè)置一道寬度為1.0cm的伸縮縫。坡腳上的第一批磚使用C15混凝土框架預(yù)制件襯砌，混凝土框架以上為方磚襯砌，預(yù)制塊之間用C15細(xì)?；炷凉纯p，寬度為2.5cm，渠坡襯砌結(jié)構(gòu)每5m設(shè)置一道寬度為2cm的伸縮縫。坡腳結(jié)合處為漿砌石設(shè)計(jì)。

2.2 比選方案

根據(jù)原始設(shè)計(jì)方案，干砌石透水體分布在渠坡底部。顯然，透水體的分布位置會(huì)對(duì)渠道的工程經(jīng)濟(jì)性造成一定的影響[7]。同時(shí)，透水襯砌也會(huì)對(duì)渠道的滲流及冬季的凍脹造成一定的影響。由于渠道透水，會(huì)造成渠坡地下水位的降低，渠道襯砌結(jié)構(gòu)的冬季凍脹會(huì)有所改善，但是在灌溉期會(huì)損失部分灌溉水量，進(jìn)而影響到渠道的輸水效率[8]。基于此，本研究在渠底中部、渠底邊部以及渠坡底部3種不同的位置設(shè)置干砌石透水體，通過(guò)對(duì)比分析，獲得最佳設(shè)計(jì)方案。方案的具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 比選方案設(shè)計(jì)表 單位：m

3 方案的比選

3.1 技術(shù)性分析

在工程設(shè)計(jì)和施工建設(shè)中，工程技術(shù)性指標(biāo)是設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的關(guān)鍵性指標(biāo)。針對(duì)背景工程而言，對(duì)其影響最大的指標(biāo)為渠道的滲流和冬季的凍脹影響。基于此，研究中利用有限元數(shù)值模擬的方法，針對(duì)上文提出的3種不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究渠段的滲流和凍脹計(jì)算。根據(jù)計(jì)模擬結(jié)果，計(jì)算出渠道的節(jié)水系數(shù)和凍脹減輕度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同方案的節(jié)水系數(shù)和凍脹減輕程度計(jì)算結(jié)果 單位：%

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，節(jié)水系數(shù)最大的是方案1，其次是方案2，最小的是方案3。由此可見(jiàn)，在采用透水襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，將透水體設(shè)置在渠坡底部有利于提高渠水利用系數(shù)。從凍脹減輕度的指標(biāo)來(lái)看，效果最好的是方案1，其次是方案2，最差的方案3。透水襯砌結(jié)構(gòu)的的主要作用是給渠道周圍的地下水創(chuàng)造排水通道，讓渠道周邊的地下水可以自由出流，進(jìn)而降低地下水的水位。由于透水體的位于渠坡底部和渠底邊部時(shí)，兩側(cè)地下水的滲流路徑相對(duì)較短，更有利于地下水的滲流從而降低地下水水位，從而減輕冬季的凍脹破壞作用，而渠道由于滲流地下水的補(bǔ)充，其節(jié)水系數(shù)也有所提高。同時(shí)，由于混凝土屬于剛性結(jié)構(gòu)，而干砌石屬于柔性結(jié)構(gòu)，2種剛?cè)岵煌慕Y(jié)構(gòu)相互作用和配合，也可以有效克服混凝土抗彎、抗拉能力差的問(wèn)題，使襯砌結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性。因此，綜合考慮節(jié)水情況和凍脹控制作用，干砌石透水體宜布置在渠坡底部。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)工程設(shè)計(jì)思路，透水襯砌渠道的主要施工材料為混凝土預(yù)制塊、混凝土框架預(yù)制件、干砌石和砂礫石墊層料。根據(jù)本文模擬的渠道襯砌形式，對(duì)施工中的主要材料的用量進(jìn)行計(jì)算，獲得3種不同方案的材料用量，見(jiàn)表3。

表3 材料用量表

由表3可知，不同方案的材料用量并沒(méi)有顯著的差異，但是由于透水體部分所處的位置不同，在人工、機(jī)械和間接費(fèi)用等方面存在一定的差異。

按照當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格，對(duì)不同方案的單位渠長(zhǎng)襯砌的造價(jià)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 單位渠長(zhǎng)工程造價(jià) 單位：元

由計(jì)算結(jié)果可以看出，造價(jià)最高的為方案3，其次為方案1，造價(jià)最低的方案2。因此，從工程經(jīng)濟(jì)性的視角來(lái)看，最優(yōu)方案為方案2。

3.3 綜合評(píng)價(jià)

綜合渠道的節(jié)水效果、減輕冬季凍脹損害程度以及工程的造價(jià)，對(duì)3種不同方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合對(duì)比

由表5可知，如果北方寒區(qū)的高地下水位渠道采用透水襯砌結(jié)構(gòu)，不僅可以減輕凍脹的不利影響，同時(shí)還可以起到一定的節(jié)水效果。研究中設(shè)計(jì)的3種方案在節(jié)水效果、凍脹減輕度和工程造價(jià)方面均有所不同。方案3的工程造價(jià)最高，且節(jié)水效果與防凍脹效果最不理想，因此為最不理想方案。從方案1和方案2的對(duì)比來(lái)看，方案2的工程造價(jià)最低，但是在節(jié)水系數(shù)和凍脹減輕度不及方案1；方案1不僅有利于渠道節(jié)水，同時(shí)也可以獲得較好的防凍脹效果，但是造價(jià)稍微偏高，但是兩者的工程造價(jià)差距并不大。因此，綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的因素，推薦方案1作為工程設(shè)計(jì)方案，也就是將透水體設(shè)置在渠底中部。

4 結(jié)語(yǔ)

合理的襯砌結(jié)構(gòu)形式對(duì)保證工程建設(shè)的順利進(jìn)行和工程效益的發(fā)揮具有重要的意義和作用。此次研究以具體工程為背景，探討高地下水位渠道透水襯砌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。結(jié)果顯示，將渠道襯砌的透水體結(jié)構(gòu)設(shè)置在渠底中部，不僅可以消減一定的凍脹量，還可以有效提高水資源的利用效率，工程造價(jià)也相對(duì)較低，更適合北方季凍區(qū)的高地下水位渠道襯砌，具有一定的工程應(yīng)用和推廣價(jià)值。當(dāng)然，受到篇幅和研究條件的限制，此次研究沒(méi)有考慮透水體材料和結(jié)構(gòu)以及地下水位等因素的影響，需要在今后進(jìn)行更為深入的探索，以獲取更為科學(xué)的研究成果。