弧底梯形渠道横断面的优化设计及施工技术

蔺红军 马向红

（1.凤翔县水土保持工作站 陕西 凤翔 721400；2.凤翔县城关镇水务管理站 陕西 凤翔 721400）

灌区是河库等水源工程发挥灌溉效益的末级水利设施，渠道是灌区水利设施重要的主体工程。U形断面渠道具有防渗效果好，水力条件优，技术更合理，抗破坏能力强，占地少，省工省料等优点，在实践中已被广泛应用。弧底梯形断面渠道是基于大U形断面渠道的下部圆弧部分和大梯形断面渠道的上部结构而形成的一种特殊断面形式的渠道，在灌区U型渠道改造中普遍使用。

东风水库灌区建成于1972年，为中型灌区，总灌溉面积6.86万亩，由两条干渠输水，两条干渠设计流量均为2m3/s。干渠均为梯形断面，砼预制板衬砌，经过40多年的运行后急需更新改造。2005年后逐步对两条干渠进行了改造，改造后的渠道断面均为弧底梯形，至今运行情况良好，节水效益显著。本文以此为例，就弧底梯形渠道横断面的优化设计与施工技术作一探讨。

1 U形断面的选定

U形断面的形式，可根据渠道设计流量、底部圆弧特征和上部直线的坡比选定：

当设计流量小于1m3/s或倾角在20°以内时，选择U形断面，常用倾角9°、12°、14°；

当设计流量在1m3/s～3m3/s或倾角大于30°时，选择弧底梯形断面或U形大倾角断面，常用倾角45°；

当设计流量大于5m3/s或地形地质条件要求宽浅式渠道时，选择弧底梯形断面。

图1 弧底梯形渠道横断面优化设计示意图

东风水库灌区地处黄土台塬区，地势起伏不大，灌区基本平整，土层以黄土为主。干渠工程（以下称东风干渠）坐落在黄土层上，地基良好。干渠上段为填方，下段为半挖半填状。根据其设计流量，渠道更新改造工程横断面选择弧底梯形断面。

2 弧底梯形渠道横断面的优化设计

2.1 复测确定原梯形横断面

原梯形渠道由于运行已久，横断面往往发生不同程度的变形，其底宽、口宽、高度与原设计一般都有5%左右的偏差，需重新复测来确定原梯形横断面尺寸。方法是：每50m～100m测定一个断面，然后取其平均值或取其出现概率较大的尺寸，并与原设计相比较，重新确定横断面，以使新设计的弧底梯形断面渠道最大程度地与现状渠道相符合，保证改造工程设计合理，易施工。经复测，东风干渠原梯形横断面尺寸为：底宽1.15m，渠深 1.25m，坡比 1∶1，底角 135°，断面面积2.7m2。

2.2 确定弦深比

弧底梯形渠道横断面理论设计的合理性，可以用弦深比表示：

式中，Kb——弧底梯形渠的弦深比；

b——弧底梯形渠的弦长（m）；

H——弧底梯形渠的设计最大水深（m）。

当水面线（水深）刚好通过弧底圆心时，设计的断面即为最佳水力断面。经计算，当梯形边坡系数m(1∶m)为常用的0.5与1.0时，其弧底梯形渠的最佳Kb值分别为1.79和1.41，最大允许值分别为3.22和3.25。Kb值愈大，则渠道断面愈宽浅，断面过水能力愈差。

2.3 确定圆弧尺寸

原梯形渠道更新改造成弧底梯形渠道时，因为依托原梯形渠，也不改变原梯形坡比，所以实际设计中必须抓住“一个中心、三个切点”。一个中心就是原渠道的中心线，三个切点即原梯形渠底的中点，拟设圆弧与原梯形渠斜边的两个交点。拟设弧底梯形渠道圆弧的圆心必定在原梯形渠道的中心线上，即原渠底边的垂直平分线上，圆弧底部的中点必定在原梯形渠底边的中点上，圆弧上部两个端点（圆弧与原梯形斜边交点）必定与原梯形斜坡紧切，即所设计的圆弧必须与原梯形的这三点相外切。这样，经分析推导，新设计的弧底梯形渠道的横断面尺寸公式为：

式中，R——设计圆弧半径（m）；

B——原梯形渠底宽（m）；

α——设计圆弧包心角（度），一般在100°左右；

m——原梯形坡比（1：m）；

θ——原梯形渠底角（度）。

h——新设计渠道衬砌超高，当流量为1m3/s～10m3/s时，取 0.2m～0.35m。

由此看来，原梯形渠底与边坡尺寸是圆弧设计的决定因素，渠底与边坡尺寸愈大，设计的圆弧愈大，反之愈小。这样设计的圆弧与原梯形斜坡过度自然，衔接平顺，符合实际需要。当圆心高度确定后，据此可设计最佳设计水深，达到最佳水力断面的理论要求。如果设计半径较大，则要削减原梯形渠道，增加土方开挖量；如果设计半径较小，则要回填土，增加土方填筑，既不经济也不合理。

根据上述公式，计算得东风干渠的R为1.39m，α 为 90°，b为 1.96m。

2.4 断面复核

底部圆弧设计好后，渠深等尺寸可按原渠不变，即可进行断面水力计算，复核流量。由于圆弧水力条件好，新设计的弧底梯形渠道的过水能力一般要比原梯形渠稍大，这时可不改变原渠道总高度，适当降低渠道衬砌高度，达到经济合理，费省效宏之目的。东风干渠更新改造后的弧底梯形断面尺寸最终确定为：圆弧半径1.4m，包心角90°，弦长2m，渠深1.45m（含超高0.2m），最大设计水深1.4m，弦深比1.6，符合最佳水力断面要求，达到了优化设计的目的。

3 施工技术

东风干渠更新改造工程在衬砌施工中，主要把握好以下关键技术：

3.1 土方施工做到“清、实、正”

渠道改造工程必须依靠原渠道固有基础，同时也为了节约工程投资。土方施工是在原有渠道梯形土方基础上进行，一般采用“椽帮堰”技术，做到“清、实、正”。清，就是要清基，掌握一个“净”字。原预制板拆除后，要将渠道内杂草、杂物清除干净，原土铲除10cm厚，必要时建台挖槽，使新老土紧密结合。实，就是土方夯实要达标，掌握一个“实”字。新土回填总高度控制在2/5渠高即可，即圆弧段高度内。这部分土方采用大面积人工夯实或机械碾压，须分层碾压，分层厚度15cm～20cm，干容重必须达到1.55g/cm3以上。剩余上部3/5高度内两侧土方使用下部圆弧段刻槽后的弃土，不足部分另拉新土，施工方法用椽帮堰，人工夯实。正，就是土渠形状要标准，掌握一个“正”字。渠道土方夯实后，就要刻制成设计尺寸的U形土渠槽。可事先用扁铁或圆钢做一个标准的U形土渠试模，以渠道中心线控制偏直度，用渠道高程控制比降，直到刻制修整的U形土渠槽与标准试模完全吻合为止。

3.2 砼施工把好模具关和振捣关

3.2.1 施工模具

施工砼呈流态状，要想将其固结成为特有的工程形状，必须制作一套适用的模具。实践中有两种模具施工法，一种是内外模人工施工法，另一种是滑模半机械施工法。

内外模施工就是用角钢各制作一套内模（挡头）和外模（挡头），外模边线尺寸与U形土渠槽尺寸一致，内模边线尺寸与设计U形渠内径尺寸一致，内外模（挡头）之间用窄面建筑钢模板（宽 10cm～15cm，长 150cm）作面板。实际施工中采用隔块跳仓浇筑法，即先用外模隔块跳仓（跳仓长度135 cm～140cm）浇筑砼U形渠段，等外模浇筑的U形渠凝固成形后，再用内模填空浇筑。此法适用于中小口径且倾角在15°以内的U形渠道（斗渠及以下）砼衬砌，以人工施工为主，群众易掌握，方便灵活，模具成本小，增加模具数量即可开设较多的工作面，施工质量也较好，但模具需频繁拆卸安装，重复工序多，进度较慢。

滑模施工法就是制作一套完整的全断面U形钢模具，利用传动系统将钢模具沿两边渠堤边施工边向前拉动滑行，一次性浇筑成型砼的一种施工方法。模具骨架以角钢为主，面板用整片薄钢板制作。此法人工、机械结合施工，砼浇筑速度快，施工质量好，模具摊销成本小，不用频繁拆卸安装，但模具制作要求高，一次性成本高，对施工人员操作要求高，适用于渠道口径大，内坡比较大的弧底梯形渠道。但不论采用哪种模具进行施工，模具制作都要正规、标准，满足刚度、强度、稳定性三要求。材料以角钢、圆钢、钢板为主，制作工艺要精细，尺寸准确，误差小，细部精确。

东风干渠2005年初期改造时，由东风水库灌溉管理处组织施工，采用的就是内外模人工施工法。2008年后，灌区干渠进入全面改造期，由县水电建筑公司施工，他们采用滑模施工法，既提高了工程质量，又保证了工程进度。

3.2.2 砼浇筑

不论采用哪种施工模具，砼浇筑除按设计标号严格拌制外，浇筑时都要把好振捣关。振捣必须密实，先底部后两侧，分层振捣，达到原浆收面。小断面渠道以人工用钢钎振捣为主，大断面渠道用振捣器振捣，底部圆弧段用平板振捣器振捣，坡面段用插入式振捣器振捣，边角、切点处要加强振捣。振捣时模具要固定牢靠，必要时加砂袋压重，切忌使模板“上浮”或“鼓肚”。同时，掌握好拆模时间，一般在砼初凝后，以不粘结、很利索、不影响砼质量为准。

3.3搞好渠道整修

砼浇筑完后，发现有漏石、蜂窝、麻面、鼓肚的地方，要及时修补处理。可凿除，用高标号水泥砂浆抹面，木抹打搓，后用钢模压光收平；渠口不平不直，可加做砼渠沿，即“封顶戴帽”；两侧渠堤培土整修，达到面平线直，有超高，宽度够，外坡均匀。

4 结论

灌区渠道改造基于原有基础，一般不改变原渠道布置和设计流量，弧底梯形断面渠道最适合于已成灌区中较大梯形渠道的更新改造，它具有与原梯形渠道符合性好，节省工程量（尤其是土方），水力条件优，投资省的特点。实际设计中只要把握住“一个中心、三个切点”，优化圆弧设计；施工中把好土方和砼浇筑关，就能取得理想的改造效果，使渠道面貌焕然一新，投入运行，继续发挥效益。陕西水利