克孜尔河中型灌区渠道横断面设计及方案比选分析_马晓立.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 093克孜尔河中型灌区渠道横断面设计及方案比选分析马晓立(新疆瑞昶设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)摘要克孜尔河中型灌区当前水利工程存在引水保证率低下、河道淤积严重、灌溉水泥沙含量大、边坡塌陷、渗漏严重等问题，所以本次对渠道实施改造是十分迫切的。基于河段现状情况，文章确定了梯形断面和矩形断面为主要断面结构形式;其次，在进行渠道横断面设计方案比选时充分考虑了地形条件、施工质量和施工难易程度以及当地独特的冻土土质因素，通过比选最终确定方案一能更大程度保证灌区水利工程的整体效益;所优选的方案是对不同渠段制定了特定了断面形式，包含重力式挡土墙防渗防冲的矩形断面、现浇砼板衬砌防渗防冲的梯形断面和复试断面，此外优选方案还阐释了适宜的抗冻措施，并根据防冻胀效果和投资情况对比最终确定灌区渠道防冻胀措施采用砂砾石换填防冻胀。关键词灌区改造;断面设计;抗冻胀设计;方案比选中图分类号U61文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0270 03收稿日期2022 07 28作者简介马晓立(1987 )，女，河南驻马店人，工程师，主要从事水利工程咨询和设计工作。1工程概况拜城县克孜尔河中型灌区地处克孜尔乡境内，克孜尔东岸干渠、西岸干渠、西干一支渠灌溉水源来自克孜尔河，总控制灌溉面积 10 20 万亩。本次改造渠道 3 条，总长 29 041km，渠道设计流量 4 71 1 96 m3/s，工程规模为中型，渠道及主要建筑物工程级别为 5 级。该改造项目可以改善灌区10 2 万亩灌溉面积的用水要求，达到年用水量 6 032 38 万m3的目标，年节水量为 231 5 万 m32渠道横断面设计2 1横断面结构形式选择渠道设计横断面结构形式常用梯形断面、矩形断面和“U”型断面三种1。具体见表 1。本次克孜尔河中型灌区节水改造项目改造 3 条渠道设计流量 4 71 1 96 m3/s，设计渠底纵坡 1/46 1/2142，因而不适宜采用“U”形断面结构形式。由于项目区地形复杂，对地形开阔、挖方较小的渠段，采用梯形断面结构形式较为经济且施工、运行管理比较方便;对挖方较大渠段采用矩形断面结构形式施工、运行管理比较方便2。2 2渠道横断面设计2 2 1确定边坡系数 m根据渠道防渗工程技术规范 GB/T50600 2010，结合渠道沿线工程地质条件、施工及投资等因素，综合考虑确定设计流量大于 1 5 m3/s 渠道边坡系数 m 取 1 75，小于 1 5m3/s 的渠道边坡系数为 1 53。2 2 2确定糙率 n同样根据上述规范 中表 5 4 2 有关渠道糙率选择的有关规定，同时参考灌区相似实践经验，现浇砼板衬砌渠道糙率取值为 0 016，浆砌卵石衬砌渠道糙率为 0 027 5。表 1渠道横断面结构形式对比表名称梯形断面矩形断面“U”形断面图形工程场地由于梯形断面开口较 宽，需 要 的工程场地较为开阔，但 施 工 较 为方便工程施工场地较梯形断面小施 工 场 地 较 梯形、矩形断面小施工工艺及工序施 工 工 艺 较 简单，工序较简单施 工 工 艺 较 复杂，施 工 工 序 较复杂采 用 预 制 砼 形式，可 在 预 制 场定 做，工 艺 复 杂但施工工序较为简单。工程质量情况规范化、机械化程度低，存在偷工减料的机会，工程质量无法保障。多采用机械化手段施 工，能 大 致保障工程质量。以机械化作业为主，能 有 效 保 证工程质量。工程运行运行、管理以及日常维护较为方便运行、管理方便，维护较为困难运行、管理方便，维护较为困难适用条件施工场地较开阔地施工场地受到限制的 地 点，且 上部可 搭 盖 板，有做成暗渠的条件流 量 较 小，纵 坡适宜的渠道工程投资较低高低，但 流 量 受 到限制2 2 3设计流速 v 的确定由 渠道防渗工程技术规范，当水力半径 =1 时，V 冲 3 5 m/s;当水力半径 1 时，按 V (3 5)1/3m/s0722023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3确定。本项目结合灌区实践经验，为满足安全运行要求，确定现浇砼板衬砌渠道设计流速按小于 3 0 m/s 控制，卵石衬砌渠道设计流速按小于 4 0 m/s 控制4 6。2 2 4超高 F 的确定本工程 3 条渠道设计流量范围是 4 71 1 96 m3/s，工程级别判定为 5 级。超高 F 可根据下式计算:Fb=hb4+0 2(1)式中:Fb为渠道岸顶超高(m);hb为渠道通过加大流量时的水深本工程属于生态供水工程，按规定，在无交通、管理等要求的情况下渠道堤顶宽度可略微缩短，由此确定本工程堤顶宽度分别取值为 2 0 m 和 4 0 m。3方案比选分析3 1考虑抗冻的方案比选项目区 渠 道 的 地 层 岩 性 以 冻 胀 土(即 土 中 粒 径 小 于0 075 mm 的土粒含量按重量比大于总土重的 10%)为主，此外，项目区标准冻深大于 0 1 m，冻结初期土的含水量大于0 9 倍塑限含水量。查渠道防渗工程技术规范 GB/T50600 2010 后可知同时达到上述情况后必须考虑冻害影响，需进行抗冻胀设计。经过设计冻深计算、绘制地下水位与设计冻深关系曲线、并结合渠系工程抗冻胀设计规范 规定断定项目区渠道衬砌结构的冻胀位移值大于允许法向位移值，故需采取抗冻胀措施，本次选取保温法进行抗冻胀设计。根据渠道防渗工程技术规范 第 6 6 5 条的规定，在防渗结构下设保温层，渠道的保温层厚度，通过热工计算确定;渠道采用聚苯乙烯泡沫塑料板保温时，其厚度可取设计冻深的 1/10 1/15，即:D=(1/101/15)Zd(2)式中:Zd为设计冻深值则计算结果如下:EN 450 WS 走向渠道边坡:D=5 7 cm，渠道底面:D=5 7 cm。综合以上计算方法，考虑刚性衬砌材料的厚度，保温苯板厚度最终确定如表 2。表 2项目区渠道保温苯板厚度计算成果表cm衬砌材料EN 450 WS 走向阴面阳面底部全断面现浇砼板6 05 06 0项目区地处拜城东面，渠线所在位置地层岩性以冻胀土为主。在具有相同防冻胀效果的前提下，若采用砂砾石作为置换层进行防冻处理，则砂砾石需自拉运，平均运距 35 km;若采用苯板保温进行防冻处理，苯板自库车县城拉运，运距为 70 km。由于运距差别较大，大型机械运费和管理费用大幅度增加，总体投资苯板保温材料相比砂砾石材料每千米要高出近一万元的价格。砂砾石换填相比苯板保温技术工序较多，但是本项目对工期要求不高。综合考虑施工难度、防冻效果和投资成本等因素，确定本次渠道防冻胀措施采用砂砾石换填防冻胀。防冻保温材料方案比较情况见表 3。表 3(西干渠为例)渠道防冻保温材料方案比较表项目砂砾石换填苯板保温备注工程量5 130 m3/km13 300 m2/km(厚 5 cm)施工难易程度工序较多，施工速度较慢工序简单，施工速度较快防冻胀效果较好较好投资(万元/km)25 1426 60换填砂砾石投资较省。比选结果推荐方案3 2考虑坡度、流速及地下水的方案比选分析在本次设计中，还充分考虑了渠道坡度、水流速度、地下水深度等因素，产生了以下两种方案:方案一(推荐方案)和方案二(比选方案)。下面分别阐述两种方案的具体情况。3 2 1方案一(推荐方案)(1)全断面现浇砼板衬砌防渗防冲的梯形断面东岸干渠 0+000 0+065、1+750 6+974、8+900 11+610 段，西岸干渠 0+000 12+412、12+900 14+010段，西岸干渠一支渠:边坡由表向里依次为 8 cmC20 现浇砼板、砂砾石换填阴面厚 60(底)40 cm(顶)、砂砾石换填阳面厚 60(底)30 cm(顶);渠底由表向里依次为 10 cmC20现浇砼板，砂砾石换填厚 60 cm，堤顶采用 30 8 cmC20 现浇砼封顶板。砼强度等级 C20，二级配，抗冻等级 F200，抗渗等级 W6。采用普通硅酸盐水泥，现浇砼边坡及渠底沿渠道轴线方向每隔 1 5 m 设置一道横向伸缩缝，缝宽 2 cm，采用聚氨酯砂浆和高压闭孔板填缝(图 1)。图 1全断面现浇砼板衬砌防渗防冲的梯形断面(2)全断面现浇砼板衬砌防渗防冲的梯形复式断面东岸干渠 0+065 1+750、6+974 8+900 段:过水断面边坡系数 1:1 75，边坡由表向里依次为 8 cmC20 现浇砼板、砂砾石换填阴面厚 60(底)40 cm(顶)、砂砾石换填阳面厚 60(底)30 cm(顶);渠底由表向里依次为 10 cmC20现浇砼板，砂砾石换填厚 60 cm，堤顶采用 30 8 cmC20 现浇砼封顶板。砼强度等级 C20，二级配，抗冻等级 F200，抗渗等级 W6。现浇边坡及渠底沿渠道轴线方向每隔 1 5 m 设置一道横向伸缩缝，缝宽 2 cm，采用聚氨酯砂浆和高压闭孔板填缝。滩槽断面为土质渠床，左侧宽 2 m，右侧宽 4 0 m，边坡系数 1:1 5(图 2)。图 2全断面现浇砼板衬砌防渗防冲的梯形复式断面172第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月(3)渠底浆砌卵石衬砌、边墙现浇砼重力式挡土墙防渗防冲的矩形断面西岸干渠 12+412 12+900 段:矩形渠底由表及里依次为现浇 C20 浆砌卵石厚 30 cm 砂砾石换填厚 60 cm 衬砌防渗防冲，边墙现浇 C20 重力式砼挡土墙上底宽 30 m，下底宽96 cm，墙底铺设砂砾石换填厚 60 cm。砼强度等级 C20，二级配，抗冻等级 F200，抗渗等级 W6。水泥采用普通硅酸盐水泥。现浇边坡及渠底沿渠道轴线方向每隔 1 5 m 设置一道横向伸缩缝，缝宽 2 cm，采用聚氨酯砂浆和高压闭孔板填缝。浆砌卵石每隔 10 m 设一道 2 0 cm 沉降缝，采用聚氨酯砂浆和高压闭孔板填缝(图 3)。图 3渠底浆砌卵石衬砌、边墙现浇砼重力式挡土墙防渗防冲的矩形断面3 2 2方案二(比选方案)(1)渠底现浇、边坡预制砼板衬砌防渗防冲的梯形断面此断面形式设置渠段为:东岸干渠 0+000 0+065、1+750 6+974、8+900 11+610 段，西岸干渠 0+000 12+412、12+900 14+010 段，西岸干渠一支渠;断面衬砌材料与细节均与方案一相同。(2)全断面现浇钢筋砼衬砌防渗防冲的矩形断面图 4全断面现浇钢筋砼衬砌防渗防冲的矩形断面东岸干渠 0+065 1+750、6+974 8+900 段:矩形渠底由表及里依次为现浇 C20 钢筋砼板厚 30 cm、现浇 C10 砼厚 10 cm、砂砾石换填厚 60 cm，边墙现浇 C20 钢筋砼板厚 30cm 衬砌防渗防冲的矩形断面，渠顶盖板现浇 C20 钢筋砼板厚 25 cm，盖板上铺设 0 5 mm 聚乙烯膜。砼强度等级 C20，二级配，抗冻等级 F200，抗渗等级 W6，水泥采用普通硅酸盐水泥。现浇边坡及渠底沿渠道轴线方向每隔 1 5 m 设置一道横向伸缩缝，缝宽 2 cm，采用聚氨酯砂浆和高压闭孔板填缝(图 4)。(3)渠底浆砌卵石衬砌、边墙现浇砼重力式挡土墙防渗防冲的矩形断面与方案一渠段相同，均在西岸干渠 12+412 12+900段设置，并且断面材料也相同。本工程灌溉水源通过引水渠首来自克孜尔河，水流含砂量大，渠床磨损严重;渠道设计流量 4 71 1 96 m3/s，设计渠底纵坡 1/46 1/2142，设计流速 2 98 0 98 m/s，最好选择现浇砼板或卵石衬砌防渗。方案一在 3 条渠道各渠段多采用全断面现浇砼板衬砌防渗防冲的断面形式，相比之下该方案在施工过程中具备较成熟的施工工序，人工劳动力利用较高、施工工序简单，工程质量较好控制。两个方案均有卵石衬砌，其卵石可以从河床内捡集、砼粗细骨料就近料场拉运水泥库车县水泥厂购买，材料方面两方案均能满足要求，不具备可比性。方案二在东岸干渠0+065 1+750、6+974 8+900 段设置矩形断面形式，矩形断面在施工过程中具有较高挑战性。由于矩形断面采用现浇施工，势必会造成工程质量难以控制、施工工序繁杂等情况。此外相比方案一在该渠段采用的梯形复式断面，矩形断面过水能力和抗磨损能力远不足梯形断面7。综上所述，通过对两个方案各方面的比选，并考虑到本工程停水期较短，没条件导流的实际情况，认为方案一便于停水抢修、可以保证施工进度和工程质量，因此我们选择方案一为推荐方案。4结语渠道断面形式的设计不仅要考虑本身的适宜性，更多地还应考虑施工过程进度控制的难易程度和工程材料的实用情况。渠道断面设计的好坏决定了水利工程运行期管理的难易程度，更与当地经济社会发展和生态环境挂钩。本次对克孜尔河中型灌区的渠道断面设计最大程度考虑到了流域土质特征、水流速度、坡度及地下水情况，该项目实施后，可极大地提高项目区的渠道水利用系数，增大渠道输水能力，科学配置水资源，提高水的利用效率。此外，该渠系经过改造后水资源利用系数显著提高，可实现年节水量 231 5 万m3，对缓解水资源供需矛盾起到促进作用。渠道通过衬砌防渗处理后，不仅能节约灌溉用水，有效减少渗漏损失水量，提高水资源利用效率和效益，还能有效解决项目区灌溉用水难的问题和绿洲外围生态林灌溉问题，真正达到节水增效、发展生产、社会稳 定、人民安居乐业的目的。参考文献 1何毅 灌区渠道防渗改建工程设计方案比选J 水利科学与寒区工程 2022 5(01):100 102 2单雪峰，李相莉，岳鹏 青龙山灌区灌排结合沟渠灌排反向断面设计方法J 水利科技与经济 2021 27(12):59 61 3钟元标 某水利工程建设水土流失预测及防护措施研究J 陕西水利 2021 243(04):128 129+132 4赵真，吕正勋，何芳婵 季节性冻土区渠道衬砌防冻胀措施试验研究J 水利科技与经济 2020 26(04):7 10 5姚治国 大中型灌区节水改造中防渗渠道断面优化设计J 陕西水利 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