大功灌區(qū)一期工程渠道改造設(shè)計(jì)要點(diǎn)

劉元永，喬廣為

（河南省海河流域水利事務(wù)中心，河南 新鄉(xiāng) 453002）

大功灌區(qū)早期建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、運(yùn)行時(shí)間久、歷史欠賬多，同時(shí)受水土資源變化、水資源供需矛盾加劇等因素影響，部分工程設(shè)施、用水管理、可持續(xù)發(fā)展等方面存在一些突出短板。現(xiàn)狀骨干渠道襯砌率低，建筑物配套率不高，渠道多數(shù)仍為土渠，建筑物配套不善，現(xiàn)有建筑物年久失修、破損嚴(yán)重，對(duì)灌區(qū)灌排設(shè)施改造維修意義重大、刻不容緩。

一期工程位于滑縣，主要建設(shè)內(nèi)容包括總干渠渠道襯砌10.3 km，重建涵閘7 座、涵洞1 座，維修涵閘1 座，堤頂?shù)缆酚不? km，防護(hù)網(wǎng)安裝1 km 等?？偢汕F(xiàn)狀為全挖方復(fù)式斷面，為土渠，底寬15 m左右，邊坡1∶3左右，淤積較嚴(yán)重，斷面不規(guī)整，灌溉滲漏嚴(yán)重，水資源嚴(yán)重浪費(fèi)[1]。

渠道兩側(cè)為灘地，寬20～40 m，灘地百姓開荒種田，侵占溝渠現(xiàn)象較為普遍，影響渠道的安全運(yùn)行，急需進(jìn)行渠道改造。

1 渠道橫斷面設(shè)計(jì)

1.1 渠道斷面

大功灌區(qū)總干渠治理段為全挖方復(fù)式斷面，現(xiàn)狀渠道底寬按原15.4 m 寬度治理，邊坡1∶3，本次對(duì)渠道主河槽進(jìn)行整治、襯砌治理。大功總干渠運(yùn)行多年，渠道均已形成梯形斷面型式；為減少對(duì)現(xiàn)有渠道的擴(kuò)挖及回填、避免對(duì)現(xiàn)有渠道和渠系建筑物的影響，本次治理不改變現(xiàn)有斷面型式，仍采用梯形斷面型式。

1.2 邊坡設(shè)計(jì)

根據(jù)《大功灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造一期工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，大功灌區(qū)按地貌形態(tài)看絕大部分地區(qū)屬黃河沖積平原，少部分屬黃河漫灘。灌區(qū)內(nèi)地層巖性揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)沖積地層。上更新統(tǒng)沖積-湖積層（Q3al-l）絕大部分地區(qū)被全新統(tǒng)覆蓋，巖性主要為灰黃、棕紅雜灰綠色亞黏土、黏土與灰黃、灰綠色亞砂土、灰黃色泥質(zhì)粉砂或砂礫石層呈不等厚互層。全新統(tǒng)主要為黃河、衛(wèi)河上游沖積物，部分地區(qū)有沙丘，局部有湖沼沉積。沖積層（Q4al）主要為灰黃、灰褐色砂層和灰黃、灰黑色亞砂土、亞黏土。根據(jù)地層巖性及其分布特征，在該段渠道范圍內(nèi)選取2 處典型斷面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析。邊坡采用簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算[2]。設(shè)計(jì)工況如下：①渠道內(nèi)設(shè)計(jì)水深，地下水處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)，計(jì)算內(nèi)外坡抗滑穩(wěn)定；②渠道內(nèi)設(shè)計(jì)水位驟降，計(jì)算內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定。校核工況如下：①渠道施工期，渠內(nèi)無水，地下水處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)，計(jì)算內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定；②渠道內(nèi)設(shè)計(jì)水深，地下水處于穩(wěn)定滲流加地震狀態(tài)，計(jì)算內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算，并參考地質(zhì)報(bào)告邊坡建議值后，確定本渠段內(nèi)邊坡取值為1∶3。

1.3 渠道糙率

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50288-2018），對(duì)于采用金屬模板澆筑、襯砌面平整順直、表面光滑的混凝土渠道，其糙率為0.012～0.014；對(duì)拋光木模板澆筑、表面一般的混凝土渠道，其糙率為0.016。結(jié)合大功灌區(qū)渠道襯砌施工工藝現(xiàn)狀、渠道運(yùn)行現(xiàn)狀以及河南省內(nèi)其他灌區(qū)渠道襯砌經(jīng)驗(yàn)，考慮跨渠橋梁等局部水頭損失，對(duì)全斷面現(xiàn)澆混凝土襯砌渠段，其糙率選用0.016[3]。

1.4 設(shè)計(jì)底寬及水深

大功灌區(qū)總干渠設(shè)計(jì)流量為70 m3/s，為減少渠道整治過程中的挖填方量，渠道設(shè)計(jì)底寬仍采用規(guī)劃底寬15.4 m。在確定渠道流量、底寬、邊坡、縱坡、糙率的情況下，渠道水深可按明渠均勻流公式計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

式中：Q為渠道設(shè)計(jì)流量（m3/s）；A為渠道過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；C為謝才系數(shù)；R為渠道過水?dāng)嗝嫠Π霃剑╩）；i為渠道縱坡；n為渠道過水?dāng)嗝娌诼?，?.016。

同時(shí)，結(jié)合總干渠沿線各節(jié)制閘的閘前灌溉節(jié)制水位和沿線灌溉區(qū)域及各干渠灌溉水位需求，水位按各節(jié)制閘節(jié)制水位控制，按明渠非均勻流公式自下而上推算水面線，確定各段水深，以滿足灌區(qū)沿線灌溉水位要求。

2 渠道縱斷面設(shè)計(jì)

大功灌區(qū)輸水渠道的縱比降應(yīng)結(jié)合地形地勢(shì)、分配水頭條件等綜合選取，在滿足灌區(qū)范圍內(nèi)灌溉高程的前提下，應(yīng)滿足不沖不淤的要求，降低工程投資并滿足工程布置的需要?？偢汕揽v斷面設(shè)計(jì)要求如下：①保證設(shè)計(jì)輸水能力，水流安全通暢；②輸水水位滿足沿線各分水閘的需水要求。

受該段渠道影響的有5 處分水口門，各分水口門水位要求如下：長垣一干渠分水閘（樁號(hào)34+200）水位63.93 m，長垣二干渠分水閘水位（樁號(hào)36+050）63.40 m，長垣三干渠分水閘（樁號(hào)40+400）水位62.97 m，瓦崗干渠分水閘（樁號(hào)44+400）水位63.15 m，柳青干渠分水閘（樁號(hào)57+800）水位60.8 m。

結(jié)合緱莊閘底板高程59.34 m、節(jié)制水位63.04 m，小馬村閘底板高程59.00 m、節(jié)制水位62.1 m 以及長滑邊界處總干渠渠底高程60.2 m，確定本治理段渠道比降為1/12 000～1/17 600。節(jié)制閘節(jié)制后，節(jié)制水位能滿足各干渠的輸水需求。

現(xiàn)有渠道渠底高程低于節(jié)制閘底40 cm 左右，若回填至閘門控制的渠底高程，還需回填4.5 萬m3土方，結(jié)合沿線土方平衡結(jié)果，盡量減少外借土及借土臨時(shí)占地和對(duì)周邊的影響，本次渠底護(hù)砌高程按現(xiàn)狀渠道渠底高程護(hù)砌。

3 渠道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 襯砌原則

渠道襯砌的主要目的是防滲，減少渠道滲漏損失，提高輸水配水能力，增加渠坡的穩(wěn)定性，故對(duì)渠道主河槽進(jìn)行全斷面襯砌。

3.2 襯砌材料選擇

根據(jù)渠道沿線地形、地質(zhì)條件，結(jié)合規(guī)劃輸水、節(jié)水及水利用系數(shù)的總體目標(biāo)，選取襯砌材料。襯砌材料應(yīng)選擇防滲效果好、經(jīng)久耐用、輸水能力和防淤抗沖能力高、施工方便、管護(hù)維修方便、價(jià)格合理的材料。

常用襯砌材料有現(xiàn)澆混凝土板、預(yù)制混凝土板、漿砌塊石。現(xiàn)澆混凝土襯砌厚度10 cm，預(yù)制混凝土襯砌厚度8 cm，漿砌石襯砌厚度30 cm。對(duì)于漿砌石襯砌方案，河南省平原地區(qū)石材較缺，砌筑人工費(fèi)用高，結(jié)構(gòu)的整體性不好，襯砌后渠道糙率較混凝土襯砌高，水力條件相對(duì)差，對(duì)本次工程而言，不太適合。混凝土預(yù)制塊襯砌的渠道接縫多，整體性較差，糙率高，水力條件比現(xiàn)澆板差，由于板厚相對(duì)混凝土現(xiàn)澆板薄，抗沖抗磨性能較低。現(xiàn)澆混凝土襯砌水力條件好，渠道表面美觀，平整度高，施工便捷。

綜合類似工程實(shí)際情況，絕大部分渠道襯砌采用現(xiàn)澆混凝土板襯砌，易于實(shí)施，運(yùn)行效果良好，美觀度及平整度較好，便于施工質(zhì)量控制，運(yùn)行后實(shí)踐檢驗(yàn)符合平原區(qū)的實(shí)際地形地質(zhì)條件，病害程度較輕。而漿砌石和預(yù)制板護(hù)砌施工速度較快，但施工質(zhì)量不易控制，美觀度及平整度較差，渠道過水運(yùn)行后，由于襯砌結(jié)構(gòu)整體性差，易于出現(xiàn)塌陷、翹曲等病害，砂漿接縫處易長草，既會(huì)對(duì)護(hù)砌結(jié)構(gòu)造成破壞，也加大了渠道糙率。

經(jīng)綜合考慮，決定選用現(xiàn)澆混凝土襯砌。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，現(xiàn)澆混凝土板的厚度一般采用6～15 cm，本次工程現(xiàn)澆混凝土厚度采用10 cm。

3.3 襯砌及分縫設(shè)計(jì)

大功灌區(qū)涉及范圍廣，區(qū)域內(nèi)滑縣、內(nèi)黃縣為地下水超采區(qū)。為保持大功總干渠渠道斷面和過流能力，完成灌區(qū)輸水和生態(tài)補(bǔ)水的任務(wù)，考慮到總干渠輸水距離長的因素，渠道的防滲等級(jí)采用Ⅲ級(jí)。

總干渠主河槽采用全斷面現(xiàn)澆混凝土襯砌，渠坡和渠底襯砌厚度均采用10 cm，渠道頂部設(shè)20 cm寬的封頂板。襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，抗凍標(biāo)號(hào)為F150，抗?jié)B標(biāo)號(hào)為W6。混凝土襯砌板渠坡、渠底橫縫間距均為4 m；渠底、渠坡縱縫按2.5 m 間距設(shè)置，分縫均采用矩形縫，縫寬均為2.0 cm。左右兩側(cè)坡腳齒墻上方各設(shè)置1 條誘導(dǎo)縫，分縫上部臨水側(cè)2 cm 均采用密封膠封閉[4]、下部均采用閉孔塑料泡沫板充填。

因渠道兩側(cè)灘地還有耕種需求，為保護(hù)襯砌封頂板免受耕種的影響，在封頂板外側(cè)50 cm 處修建寬1 m、高20 cm 的子堤，同時(shí)也能防止灘地土、植物進(jìn)入渠道，減少渠道淤積。為減少灘地積水對(duì)渠道和耕種的影響，子堤每隔100 m 設(shè)置1 處缺口，雨季時(shí)可將灘地雨水集中排入總干渠。

3.4 襯砌高度確定

本次治理主要對(duì)渠道主河槽進(jìn)行襯砌防護(hù)，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)渠道襯砌超高規(guī)定，為減少對(duì)兩側(cè)灘地填筑量和外借土量，大功總干渠襯砌采用0.3 m 超高，以設(shè)計(jì)水位加0.3 m 確定護(hù)砌高程。結(jié)合沿線土方平衡情況，兩側(cè)灘地按護(hù)砌高程進(jìn)行平整，既可以滿足渠道襯砌過水要求，也可以改造渠道兩側(cè)的灘地，使其整體外觀統(tǒng)一、整齊、美觀。

3.5 兩側(cè)堤頂復(fù)核

1～3級(jí)渠道岸頂超高應(yīng)按土石壩設(shè)計(jì)要求確定。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2020）對(duì)渠道堤頂在靜水位以上的超高規(guī)定，壩頂超高計(jì)算公式為：

式中：y為壩頂超高（m）；R為最大波浪在壩頂上的爬高（m）；e為最大風(fēng)壅水面高度（m）；A為安全加高（m），3級(jí)渠道安全加高取0.7 m。

經(jīng)計(jì)算，總干渠渠道超高為1.06 m。沿線現(xiàn)有堤防高程總體上大于渠道超高，局部由于現(xiàn)場(chǎng)耕種和個(gè)別穿渠道路造成堤防較低，后期結(jié)合管理道路的修建進(jìn)行局部修復(fù)。

3.6 襯砌穩(wěn)定計(jì)算

正常情況下，挖方渠段計(jì)算條件為設(shè)計(jì)水深，地下水處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)；填方渠段計(jì)算條件為設(shè)計(jì)水深，堤外無水。非常情況Ⅰ下，挖方渠段計(jì)算條件為正常情況下的設(shè)計(jì)水位驟降0.3 m；非常情況Ⅱ下，填方渠段計(jì)算條件為渠內(nèi)閘前設(shè)計(jì)水位?；炷烈r砌穩(wěn)定復(fù)核設(shè)計(jì)值，詳見表1。

表1 混凝土襯砌穩(wěn)定復(fù)核設(shè)計(jì)值

3.6.1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

正常情況下，護(hù)坡體內(nèi)外水位一致，水壓力相抵后，混凝土板的下滑力及摩阻力均由混凝土板自重產(chǎn)生。輸水渠道渠底多位于壤土中，經(jīng)計(jì)算，在正常情況設(shè)計(jì)水位驟降0.3 m的工況下，計(jì)算其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.26，大于設(shè)計(jì)值1.25，齒墻尺寸為0.35 m×0.25 m，可以滿足穩(wěn)定要求。襯砌體受力，如圖1所示。

圖1 襯砌體受力

圖1中，P1為渠道內(nèi)水對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的壓力（kPa）；P2為渠道地下水對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的壓力（kPa）；G為襯砌結(jié)構(gòu)下滑力（kN/m2）；f為襯砌結(jié)構(gòu)摩擦力（kN/m2）；P2-P1為外水壓力與內(nèi)水壓力之差（kPa）。

3.6.2 抗浮穩(wěn)定計(jì)算

在地下水位低于渠道設(shè)計(jì)水位的情況下，內(nèi)水壓力≥外水壓力，襯砌體滿足抗浮穩(wěn)定要求。汛期降水時(shí)，在地下水位高于渠道設(shè)計(jì)水位的情況下，考慮到采用排水措施，襯砌體滿足抗浮穩(wěn)定要求。在渠道渠底及兩側(cè)坡腳處設(shè)置有無砂混凝土排水體，間距4 m。渠坡抗浮計(jì)算，如圖2所示。

圖2 渠坡抗浮計(jì)算

圖2中，P內(nèi)為渠道內(nèi)水對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的壓力（kPa）；P外為渠道地下水對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的壓力（kPa）；G為襯砌結(jié)構(gòu)自重（kN）；P外-P內(nèi)為外水壓力與內(nèi)水壓力之差（kPa）。

3.7 防凍脹措施

選出典型斷面，根據(jù)地下水的埋藏情況，分完建期與運(yùn)行期找出最大凍脹量在橫斷面上的出現(xiàn)點(diǎn)，再利用有關(guān)公式逐點(diǎn)算出其設(shè)計(jì)凍深、凍脹量。

因大功灌區(qū)在每年12—次年1 月冰凍期不灌溉，其間不輸水。在此條件下，選出代表斷面，根據(jù)地下水的埋藏低于渠道渠底的情況，按完建期找出最大凍脹量在橫斷面上的出現(xiàn)點(diǎn)，再利用有關(guān)公式逐點(diǎn)算出其設(shè)計(jì)凍深、凍脹量及所需保溫板的厚度。

渠道橫斷面的很多部位均有凍脹破壞發(fā)生，需要準(zhǔn)確找出最大凍脹量出現(xiàn)的位置作為計(jì)算點(diǎn)。參照《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL23-1991），計(jì)算點(diǎn)選取原則如下：均質(zhì)土渠渠床，凍結(jié)期渠內(nèi)無冰（水）時(shí)，最大值出現(xiàn)在渠底或陰坡下部。參照上面的原則，選取典型斷面計(jì)算點(diǎn)。大功總干渠為南北方向布置，選取一個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示凍脹量總體不大，而運(yùn)行工況計(jì)算結(jié)果超過梯形斷面渠道襯砌凍脹位移允許值（0.5～1 cm）。針對(duì)凍脹破壞情況，總干渠渠道襯砌采用能適應(yīng)凍脹變形的柔性結(jié)構(gòu)，在渠道左右岸兩側(cè)坡腳設(shè)置誘導(dǎo)縫，縱向每隔2.5 m 設(shè)置1 道伸縮縫，橫向每隔4 m 設(shè)置1道伸縮縫，以適應(yīng)凍脹變形。

3.8 現(xiàn)有溝渠順接

總干渠沿線遇排水溝道及分水閘時(shí)對(duì)渠道范圍內(nèi)的溝道進(jìn)行疏浚，渠道襯砌與現(xiàn)有溝道順接，保證渠道輸水及排水的順暢。

4 結(jié)語

本次治理工程實(shí)施后，工程運(yùn)行狀況顯著改善，渠道輸水能力大幅提高，直接改善灌溉面積8 000 hm2，農(nóng)作物增產(chǎn)7 608 t，新增節(jié)水243 萬m3；同時(shí)，有效控制了地下水超采，改善了農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和農(nóng)民生活條件。通過水利工程及配套工程的建設(shè)，既實(shí)現(xiàn)了工程的使用功能，又形成一定的生態(tài)景觀效果，使灌區(qū)實(shí)現(xiàn)人與自然相互和諧，工程綜合效益顯著。