混凝土U型渠道外倾角设计的实践与探索

刘定民

(陕西省渭南市石堡川水库灌溉管理局，陕西澄城715200)

石堡川水库位于陕西关中东部，水源以洛河一级支流石堡川河径流为主。大坝地处洛川县石头乡盘曲河村东500 m处，是一座以灌溉为主，兼有防洪、供水等功能的Ⅲ等中型水利工程。坝址以上控制流域面积820 km2，设计总库容6375万m3。灌区设干渠一条，总长38.71 km，设计流量9 m3/s;支渠8条，分支12条，总长215 km，设计流量在1～5 m3/s之间。主要灌溉澄城、白水两县的32万亩农田。

灌区开灌以来，累计引水4亿m3，灌地450万亩次，灌区农业生产得到了极大的改善，对当地的经济发展和社会进步起到了举足轻重的作用。但由于灌区位于渭北黄土塬区，气候条件恶劣，加之受原技术水平和施工经济条件限制，工程设计标准不高，衬砌率低，渠道经过几十年运行，原衬砌渠道大部分遭到破坏，致使渠道渗漏严重。因此，有效提高水利用系数，保护输水工程安全运行至关重要。近年来，随着灌区续建配套与节水改造项目、陕西省关中九大灌区世行项目、农业综合开发项目等工程相继实施，根据灌区工程运行的实际情况，在支渠改造中推广了U型衬砌，采用了合理的外倾角的设计，取得了非常显著的成效，渠道面貌焕然一新，节水效果十分显著。现就外倾角的技术问题和大家做一探讨。

1 灌区历年支渠设计与运行情况

1999年以前，灌区就对支渠进行了的U型衬砌改造，当时考虑到外倾角越小，施工越方便，对提高表面质量及内在质量效果越明显，故所有改造的U型渠道外倾角均采用8.5°。但由于灌区所处的特殊地理位置，冬季气温低，冻胀破坏力强，实践证明外倾角8.5°的U型渠道在运行2～3年后，衬砌板直线段在冻胀力及外力作用下，基本从衬砌底部向上1/3高度处内倾倒塌。经过多年的运行，原衬砌渠道仅能保存圆弧段的混凝土衬砌，衬砌板后的土方也随之倒塌，淤积于渠道中，严重影响灌溉效益的发挥。

1999年世界银行贷款项目工程实施以后，灌区对一支渠、四、五、六支渠道进行了U型衬砌改造;2001年续建配套节水改造工程项目开始实施，先后对四、五支渠下段、六支及六支二分支、七支一分支、八支正支及二分支进行了U型衬砌改造。改造项目的外倾角调整为12°，截止目前，外倾角为12°的所有渠道现状良好，无衬砌板内倾和冻胀破坏现象。

2 衬砌渠道破坏的根由及措施

2.1 主要原因

1)冻胀破坏

灌区冬寒、夏热。根据黄龙气象站资料统计，年平均气温 12.2℃，绝对最高温度 36.9℃，绝对最低温度 －25.1℃。，属寒温带半干燥气候区，最大冻土深度为0.4 m左右，因灌区主要为小麦冬灌及玉米夏灌，按照往年惯例冬季灌溉时间为每年11月20日左右开始，历时30天左右，春季灌溉时间为每年3月10日左右开始，历时50天左右，夏季灌溉时间为每年6月10日至8月20日左右开始，灌溉历时30天左右。冬灌时渠道存在冻胀现象，过去设计只注重考虑了防冲和防渗问题，对渠道冻胀考虑不周、重视不够，导致大部分渠道因外倾角小而造成冻胀破坏、渗漏、淤积严重。根据工程现场调查发现，凡冻胀破坏渠道都明显有裂缝和下部混凝土隆起现象。破坏渠道达80%以上。

2.2 工程老化失修

工程在运行其间受资金等条件的制约得不到及时的维修和养护，加之农民不合理浇灌、取土等人为破坏，加剧了渠道防渗工程的老化进程。

2.3 预防破坏的措施

1999年以后的支渠改造.所有结构形式统一为U型断面。为了减小渠道破坏渗漏，首先将外倾角加大至12°，在现浇板后铺设了防渗膜，根据渠道流量适当加大衬砌厚度，厚度为8～10 cm。同时加大了渠道管理及日常养护。

3 选择12°外倾角的理由

根据过去灌区渠道衬砌的断面型式，主要有梯形、8.5°外倾角的U型渠道。渠道边坡的破坏主要在衬砌下部的1/3处，而U型渠道的U型部位抗冻胀能力最强，因此在合理的选择外倾角及直线段长度的同时，直线段与弧段的连接必须在衬砌高度底向上的1/3以上。而理论上渠道的外倾角越大，渠道越稳定，但在实际施工过程中，外倾角越大，施工难度越大，蜂窝、麻面、表面平整度愈难控制，占地面积也越大;外倾角小，虽然能有效的降低施工和质量控制的难度，但直线段的抗冻胀及抗内倾能力降低，渠道结构稳定性相对较差。合理的选择外倾角度至关重要。

1999年世界银行贷款项目工程实施后，灌区在对四、六支渠改造采用了12°夹角，五支渠改造采用了15°夹角。在运行管理过程中观测，两种外倾角的渠道都比较稳定，改善水流条件，减少淤积，同时减轻冻胀破坏，延长工程寿命。但12°外倾角的渠道占地面积小;更加有效的减少了工程回填量，缩断了工期，降低了成本;外形美观，宽深比优于15°夹角。因此，灌区在所有的支渠衬砌中，都采用了12°的外倾角。

4 外倾角12°的优点

4.1 砼质量易于控制

在实际施工过程中，砼外倾角越小，边坡坡度越小，砼内气泡容易消除，蜂窝、麻面愈少，同时砼表面平整度愈易控制。

4.2 抗冻胀性效果好

12°外倾角U型断面较8.5°外倾角断面抗冻胀性能强。

在工程实践中发现，U型砼渠道冻胀破坏主要发生在阴坡衬砌下部的1/3处，12°外倾角U型断面将破坏位置放在了弧形断面处，有利于抵抗冻涨破坏，外倾角的加大增加了对破坏的抵抗力，增强了渠道抗冻胀的性能。

4.3 降低工程成本

根据计算，外倾角增大，渠道稳定性越好，但相应的占地

面积大，渠道土方工程量增大，砼工程量也有所增加，相应工程成本增大。为了合理的选择既经济又实用美观的U型渠道断面，我们通过工程实践、比较，认为12°外倾角的渠道在满足我灌区的具体情况的同时，有效的降低了工程成本。

4.4 节约水量、不易淤积

U型断面较梯形断面每公里输水损失可减少3.7%，防

渗效果最好，它近似于最佳水力断面，水流条件好，流速大，输水输沙能力强。通过以纵坡比1/2000，半径、斜坡长各为1 m的渠道为例(见下表)，只有12°外倾角的渠道既能满足强度要求，又能有效的增大过水流量。这样，只要选择合理的纵坡比，既能节约水量，渠道又不易淤积。

4.5 占地面积小

同样以纵坡比1/2000，半径、斜坡长各为1 m为例，灌区215 km的支渠，仅占地面积一项，15度比12°多占地25亩，18度比12°多占地48亩;同时由下表可以看出，过水面积也随着外倾角的加大而降低。

表1 断面计算表

4.6 美观大方

渠道夹角直接影响渠道的美观，无论渠道是宽浅式还是窄深式，都显得不美观大方，只有渠口宽度与渠道深度的比例在1.34～1.36之间，渠道才显得美观大方，同时还要满足直段长等于半径，而要满足以上条件，12°夹角时最理想的选择。

5 结语

石堡川灌区在U型渠道防渗衬砌工程中，针对过去U型渠道断面设计(8.5°外倾角)，在冻胀力作用下直线段易倾覆破坏的现象，我们积极选用12°和15°的外倾角，在实践中试验、探索，通过多年的总结，认为12°外倾角的U型渠道断面设计在我灌区应用效果良好。近年来累计衬砌支渠48 km，经过十年的运行管理，无一处发生内倾倒塌现象，大大提高了灌区渠系水利用系数及灌溉输水能力，节水效果十分显著。给灌区带来了巨大的社会效益，对提高灌区抗御自然灾害的能力、促进灌区农业结构调整和农业增产、农民增收，实现灌区水资源的合理配置，保障农村经济的可持续发展起到了一定的作用。另外，12°外倾角的U型渠道断面设计，对提高防渗工程质量、加快施工进度，降低工程造价和提高工程效益起到了良好的作用，为我灌区渠道防渗乃至灌区实现水利现代化奠定了坚实的基础。