灌區(qū)工程渠道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與探討

雷明慧，袁素勤，趙倩輝

(1.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611231)

1 工程概況

武都引水工程在四川省江油市武都鎮(zhèn)以北約3 km 的涪江左岸燈籠橋取水，是以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧發(fā)電、防洪、通航、工業(yè)和城鄉(xiāng)供水的大型水利工程，武都引水灌區(qū)的范圍為北起龍門山和劍門山，南至射洪縣，西以涪江為界，東臨西河及升鐘灌區(qū)。武都引水工程的建設(shè)分兩期實(shí)施。武都引水一期工程于1988年動(dòng)工興建，2000年底建成，包括武引取水樞紐、總干渠、涪梓干渠及相應(yīng)的配套工程、沉抗囤蓄水庫(kù)，實(shí)現(xiàn)灌溉面積8.47萬(wàn)hm2。武都引水二期工程分為武都水庫(kù)和武都引水工程二期灌區(qū)，目前武都水庫(kù)已經(jīng)建設(shè)完成。武都引水工程二期灌區(qū)包括西梓灌區(qū)和武都水庫(kù)直灌區(qū)。涉及梓潼、鹽亭、射洪、劍閣、南部和江油6縣(市)，二期灌區(qū)灌溉面積為7.02萬(wàn)hm2。目前武引二期灌區(qū)工程已進(jìn)入掃尾階段，一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)值得我們深入學(xué)習(xí)和探討。

2 灌區(qū)設(shè)計(jì)

2.1 渠道線路的選擇

渠道線路的選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)總體規(guī)劃要求，選擇順直、地質(zhì)條件良好的渠段，根據(jù)允許的總水頭損失值與造價(jià)合理選擇建筑物的結(jié)構(gòu)型式。渠線選擇應(yīng)盡量避開房屋以減少移民搬遷，在臨近高壓線、重要管線或者有毒有害等位置時(shí)應(yīng)當(dāng)避開或者預(yù)留足夠的安全距離。渠線的選擇應(yīng)進(jìn)行多方案比選確定。武引二期灌區(qū)工程渠線所走線路為丘林地形，為了適應(yīng)地形的變化，渠線選擇多數(shù)較為順直。需要注意的是在選線過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注重實(shí)地調(diào)查，一些地埋式燃?xì)饣蛘咻斔艿赖冉ㄖ飸?yīng)當(dāng)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，否則在后期實(shí)施過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生一些調(diào)線工作或增加移民搬遷費(fèi)用。

2.2 渠道水力學(xué)計(jì)算

渠道水力學(xué)計(jì)算是一個(gè)比較重要的內(nèi)容。建筑物斷面的選定一般是按照均勻流進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算[1]。根據(jù)渠道水面平順銜接是水面線計(jì)算一種比較常用的計(jì)算方法，由于不同建筑物水深不一致，因此通過(guò)調(diào)整建筑物底坡高度來(lái)使水面線平順銜接。此種方法首先應(yīng)根據(jù)渠道設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)的水深來(lái)確定建筑物底高程，然后利用加大流量來(lái)復(fù)核計(jì)算渠道的超高，此種設(shè)計(jì)思路比較常規(guī)，能夠充分利用水頭，缺點(diǎn)是在計(jì)算和施工過(guò)程中相對(duì)煩瑣，擬定的建筑物坡降與實(shí)際水平推求坡降不一致。而一些灌區(qū)工程在水力學(xué)計(jì)算中則采用底坡平順銜接的方式，即在建筑物發(fā)生變化的地方建筑物底板高度保持一致，僅在平面上做銜接漸變，此種計(jì)算方法由于不同建筑物水深的差別從而產(chǎn)生跌水或壅水現(xiàn)象，在計(jì)算和施工中都較方便，缺點(diǎn)是在允許水頭損失比較緊張的情況下不能充分的利用跌水水頭，且銜接段水流流態(tài)較差。武引二期灌區(qū)工程采用水面銜接的方式進(jìn)行水面線計(jì)算，水流較為平順，不可避免會(huì)存在一些反坡，渠道通水結(jié)束后會(huì)有積水，不利于檢修維護(hù)。本文建議在規(guī)劃及可研階段的灌區(qū)設(shè)計(jì)采用底坡銜接的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在初設(shè)及施工圖階段采用水面平順銜接的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)相對(duì)合理。

2.3 渠系建筑物設(shè)計(jì)

2.3.1 明渠

灌區(qū)渠系建筑物中，明渠是最普遍、最適用的結(jié)構(gòu)型式，由于它具有施工方便、投資較低的優(yōu)勢(shì)，因此在灌區(qū)渠系建筑物設(shè)計(jì)中，有條件的地方盡可能采用明渠設(shè)計(jì)。在明渠設(shè)計(jì)中可分為矩形明渠、梯形明渠、“U”型明渠等。矩形明渠大多數(shù)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，此類型渠道適應(yīng)地形、地質(zhì)變化較好，局部地形或地質(zhì)不滿足設(shè)計(jì)要求的地方均可采用基礎(chǔ)處理的方式進(jìn)行解決。需要注意的是，當(dāng)存在地下水且地下水位較高時(shí)，應(yīng)當(dāng)計(jì)算復(fù)核浮力對(duì)渠道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響，大多數(shù)矩形渠采用薄壁結(jié)構(gòu)，因此抗浮一般情況下很難滿足設(shè)計(jì)要求。此時(shí)我們可以采取的工程措施有在底板設(shè)置抗浮錨桿、頂部增加蓋板回填土增加壓重、采取措施降低地下水位等。梯形明渠和“U”型明渠均可分為全挖、半挖、全填等結(jié)構(gòu)形式，梯形明渠一般為素混凝土結(jié)構(gòu)，在工程投資比較中具有較大的優(yōu)勢(shì)，但是由于渠道襯砌厚度不大，加之機(jī)械開挖和地質(zhì)情況等原因，在施工過(guò)程中經(jīng)常產(chǎn)生超挖超填的情況，引起工程量的增加從而產(chǎn)生合同糾紛。梯形明渠同樣要重點(diǎn)關(guān)注地下水位的情況，若地下水位較高可能會(huì)對(duì)面板產(chǎn)生拉裂破壞，因此在南水北調(diào)工程中渠身設(shè)置了逆止閥[2]。但是根據(jù)工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，逆止閥在含沙量大的渠段經(jīng)常出現(xiàn)堵塞和內(nèi)水外滲的現(xiàn)象，需要及時(shí)進(jìn)行更換，給后期的運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)麻煩。一些半挖或全填渠道，在渠道底部設(shè)置排水盲溝是比較常用的一種方式。武引二期灌區(qū)工程所處工程地質(zhì)條件總體為紅層地區(qū)，以砂、泥巖為主，由于泥巖遇水容易風(fēng)化崩解，邊坡容易失穩(wěn)，原設(shè)計(jì)梯形明渠渠身坡比采用1∶0.75，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況建議將梯形明渠坡比適當(dāng)調(diào)緩。

2.3.2 隧洞

根據(jù)灌溉任務(wù)要求，在線路選擇上當(dāng)明渠長(zhǎng)度超過(guò)隧洞長(zhǎng)度的3倍時(shí)，一般選用穿隧洞線路較節(jié)約投資。隧洞的設(shè)計(jì)在滿足水頭的情況下，坡比一般陡于明渠坡比，以減少隧洞的斷面尺寸，同時(shí)應(yīng)滿足最小施工斷面要求。需要注意的是在隧洞的設(shè)計(jì)中，為了避免已開挖成型的底板由于運(yùn)輸機(jī)械的來(lái)回碾壓產(chǎn)生破壞，建議在隧洞結(jié)構(gòu)混凝土底部設(shè)置10～20 cm混凝土墊層，用來(lái)保護(hù)隧洞底板基礎(chǔ)。即或者采取預(yù)留足夠的保護(hù)層厚度，但是會(huì)根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)或者開挖方式的不同產(chǎn)生一定程度的超挖或欠挖，給后續(xù)施工帶來(lái)麻煩。對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的隧洞，根據(jù)施工組織計(jì)劃確定是否采用施工支洞從而增加施工作業(yè)面。部分較長(zhǎng)的隧洞設(shè)置了施工期的臨時(shí)錯(cuò)車道，結(jié)合施工以及后期運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，在長(zhǎng)隧洞中可以保留一些錯(cuò)車道，以減少由于超挖引起的回填混凝土量并兼做后期檢修和維護(hù)的錯(cuò)車道。隧洞的進(jìn)出口設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“早進(jìn)洞，晚出洞”的原則，減少開挖從而減少征地和對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞[3]。針對(duì)水工無(wú)壓隧洞，環(huán)向結(jié)構(gòu)縫一般設(shè)置了橡膠止水帶，原則上止水帶主要用于防止內(nèi)水外滲，因此止水帶僅做到渠道加大流量以上即可，但是在隧洞頂部根據(jù)規(guī)范要求需進(jìn)行帷幕灌漿，在帷幕灌漿中若止水帶環(huán)向不封閉，漿液將從止水帶缺口處冒漿，因此建議后期在隧洞結(jié)構(gòu)縫止水帶的設(shè)計(jì)中將止水帶做成閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以避免灌漿的時(shí)候冒漿。施工期隧洞開挖過(guò)程中如遇洞內(nèi)含水量大，應(yīng)設(shè)置施工期臨時(shí)排水孔。

2.3.3 渡槽

當(dāng)灌區(qū)線路穿越溝谷地段時(shí)，一般采用渡槽或者倒虹管的形式穿越，在水頭有富裕的情況下一般采用倒虹管，在水頭比較緊張的情況下一般采用渡槽結(jié)構(gòu)。渡槽基礎(chǔ)形式一般可分為板式基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、拱式基礎(chǔ)等。需要注意的是根據(jù)規(guī)范要求簡(jiǎn)支梁式渡槽一般7～10跨需設(shè)置一個(gè)加強(qiáng)墩，加強(qiáng)墩可以采用重力墩或者雙排架的形式。渡槽止水一直是一個(gè)比較受關(guān)注的問題，止水效果的好壞直接影響渠道的輸水功能，在常規(guī)的設(shè)計(jì)中止水形式有搭接與嵌縫對(duì)接型止水，目前常用的是壓板新型止水即“U型GB復(fù)合橡膠止水帶”[4]，止水帶與底部混凝土之間采用GB膠板粘接，此種形式的止水帶止水效果較好且易于拆除和更換，需要注意的是在與混凝土粘接時(shí)應(yīng)保證結(jié)合面干凈、平整，注意施工的過(guò)程控制，才能達(dá)到較好的止水效果。

2.3.4 倒虹管

倒虹管的設(shè)計(jì)主要是水頭損失的計(jì)算和管材的選擇，應(yīng)結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)對(duì)倒虹管管材進(jìn)行比選，比較常用的倒虹管管材包括：PCCP管、鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管、現(xiàn)澆鋼筋混凝土管等[5]。PCCP管是目前比較常用的管材，它具有對(duì)基礎(chǔ)要求較低，強(qiáng)度、剛度、抗沖擊、耐磨等力學(xué)性能較優(yōu)的特點(diǎn)，可以承受較大內(nèi)壓，但抗腐蝕性差需做陰極保護(hù)，由于其容重較大，在施工過(guò)程中施工難度較大。相比而言玻璃鋼夾砂管具有容重較輕、施工方便的特點(diǎn)，在一些工程中備受青睞，但是根據(jù)工程實(shí)施情況，特別是對(duì)于一些明管段存在老化嚴(yán)重的情況，且易受外界人為干擾破壞。對(duì)于小流量、低水頭的倒虹管推薦采用現(xiàn)澆混凝土管，施工方便、投資也更節(jié)約。倒虹管的設(shè)計(jì)中為了減少管道的老化以及人為破壞、盡可能對(duì)原土地恢復(fù)利用，在可能的情況下建議盡量采用埋管形式。為了使倒虹管在沖水過(guò)程中及時(shí)排空管道內(nèi)部空氣以及放空過(guò)程中避免管道內(nèi)形成負(fù)壓，需要在管線布置局部凸起的地方設(shè)置自動(dòng)進(jìn)排氣閥。為了放空以及沖砂需要在管道最低的地方設(shè)置排水閥用于放空和排沙。管道較長(zhǎng)且管徑較大的管道應(yīng)設(shè)置檢修進(jìn)人孔，以便進(jìn)入管道進(jìn)行檢修和維護(hù)。

2.3.5 邊坡支護(hù)

大部分的渠道巖石邊坡常采用噴錨掛網(wǎng)支護(hù)，土質(zhì)邊坡采用框格梁進(jìn)行支護(hù)，為了減少水土流失，保持生態(tài)美觀，可以在渠道邊坡設(shè)置一些生態(tài)植被或播撒草籽，對(duì)渠道永久邊坡起保護(hù)和美化生態(tài)的雙重作用。

3 結(jié) 論

本文對(duì)武引二期灌區(qū)工程設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的一些問題進(jìn)行了探討，對(duì)需要重點(diǎn)關(guān)注的地方進(jìn)行了分析，可為今后的灌區(qū)工程設(shè)計(jì)提供借鑒。