渠道横断面设计及抗冻方案比选

□图尔迪麦麦提·麦麦提（新疆和田地区墨玉县水利局）

渠道横断面设计及抗冻方案比选

□图尔迪麦麦提·麦麦提（新疆和田地区墨玉县水利局）

吐孜乌达克支渠现状为土渠，主要存在如渗漏严重，渠系水利用系数低；断面不规则，输水效率低下，过流能力不足；渠系建筑物未配套致使项目区生态林不能有效灌溉等突出问题。其渠道断面型式的设计必须根据地质勘测成果、工程的实际运行与管理的需要进行选取，经过比选，综合考虑施工运行管理、建筑工程费以及建筑材料等因素，结构形式选用全断面现浇混凝土板方案，抗冻胀选择苯板防冻胀方案。

渠道；横断面；抗冻胀；设计

1 工程概况

喀瓦克乡吐孜乌达克支渠起始于喀瓦克干渠末端和吐孜乌达克水库放水渠交汇处，末端位于吐孜乌达克支渠TZ2#生态闸，全长9.51km。

本次对吐孜乌达克支渠0+000-2+200段进行防渗改建，设计流量4.31m3/s。本工程断面形式采用梯形断面，选用C20现浇混凝土，断面厚度约为8cm，由于工程为吐孜乌达克支渠进行改造的工程，所以工程改造后约能实现466.67hm2农业灌溉和4026.67hm2生态林的有效灌溉，大大提高了灌溉面积和经济效益。工程生态用水由喀瓦克干渠生态引水口（吐孜乌达克生态引水口）提供，农业用水由吐孜乌达克水库提供。故吐孜乌达克支渠起点为吐孜乌达克水库放水渠末端。

2 渠道横断面设计

2.1 糙率的确定

不同的渠道断面衬砌材料会影响糙率的确定，按照本工程渠道断面所采用的衬砌材料，其现浇砼和预制板糙率均取0.02。

2.2 边坡系数m的确定

结合本工程地质、水文、土壤等资料及工程规范的要求，渠道混凝土板边坡系数应为1：1.50。

2.3 横断面的设计

2.3.1 横断面尺寸的计算

横断面的设计一般可以根据明渠等流速公式进行。

式中：Q—流量；A—断面面积；V—流速；C—糙率系数；R—水力半径；i—渠底坡降。可以通过如下步骤进行设计。

2.3.1.1 流量与渠底坡降已知的情况下

作为一名女性，碧翠丝·莱姆沃卡时刻记住自己要为这个国家的女性发声。这一点，在她的《烟草皇后》和《市场小贩》中体现得非常明显。这两篇小说中，莱姆沃卡提到了诸如毒品、暴力和战争等乌干达以及其他非洲比较落后国家的女性要面临的严峻问题。莱姆沃卡说：“乌干达是一个家长化的社会，作为一个女人，我每天都面临着不同的问题。但这就是我写作的动机：我面对的挑战或女性面临的挑战。”[1]在整个社会男性至上而忽视女性的氛围中，莱姆沃卡希望通过自己的方式来为女性发声，争取权益。

根据经验，假设过水断面的尺寸、渠底宽度与水深等量都为已知，利用上述公式计算流速。加入计算所得流速符合不冲刷与不淤积的要求，便可以通过求得流量。用此流量与拟设计流量进行比较，如果两者差距很小，说明上述计算的断面尺寸可以采用，相反，需要重新进行断面尺寸的计算或者是将上述计算过程进行调整。

2.3.1.1.1调整渠底坡降

在求得的流速较大时，应该改用较小的坡降则可以降低流速；相反如果流速过小，则可以增大坡降，能起到提高流速的作用。但是调整渠底坡降这种做法，会受到地形及渠道水位等的限制，所以这是一种相当有限的调整方法。

2.3.1.1.2调整过水断面尺寸

在求得的流速较大时，可以将渠道断面设计成宽而浅的形式，加大底宽便可以降低渠道流速。相反，如果流速过小，则可以将渠道断面设计成深而窄的形式，以提高流速。

2.3.1.2 渠岸超高的确定

鉴于工程属于生态供水工程，而且按照渠道设计流量确定渠道规模，并根据设计流量的水深加安全超高以确定渠道超高，按照《灌溉排水渠系设计规范》，并考虑渠道的安全超高要求，渠道超高的确定采用h加/4+0.20m。

2.3.2 衬砌结构的比选

在采用全断面预制混凝土板方案情况下，可以选择边坡及底板都采用6cm预制六棱块的横断面结构型式，而砂浆找平层则采用2cm的M10型式。结合本项目工程实际情况及1：1.05的边坡系数，可以选取堤顶宽度为1m，出于安全考虑，在渠到顶端混凝土板边缘必须设置30cm×6cm、C15型号的封顶板。

2.3.2.2 方案二：底板现浇混凝土板、边坡预制板方案

方案二可以选择的横断面结构型式为：最外层是6cm厚的预制六棱块板，里层为2cm厚的M10型号砂浆找平层。最上面为8cm厚的C20现浇混凝土板，边坡系数仍采用1：1.05，堤顶宽及封顶板尺寸及厚度同方案一。

2.3.2.3 方案三：全断面现浇混凝土板方案

该方案横断面型式为8cm现浇混凝土板边坡及底板，渠道顶端边缘设置尺寸为30×6cm、C15的封顶板。其余参数同方案一。

对上述三种不同方案，从建筑工程费用、运行管理的便利程度、施工难易等方面进行综合比较，不难发现方案三在各个方面均具有较为突出的优势，投资少、运行管理较容易且施工便利，所以工程应该选择方案三进行施工，具体情况见表1。

表1 各方案比较情况分析表

2.3.3 抗冻胀设计

2.3.3.1 抗冻材料的选择

根据本工程渠道地层岩性剖面揭示，本灌区土壤部分段属冻胀性土，必须考虑冻害影响因素。针对本灌区的特点，渠道抗冻材料有两种可供选择：砂砾石和苯板。根据现状调查，离渠道平均运距5km处，库山河河床有可利用抗冻体料场，储量十分丰富，经筛分试验，符合换填材料的指标要求，可用来做为抗冻胀材料。

2.3.3.2 抗冻胀设计

经工程地质人员沿线取原状土样的实验结果及地质剖面揭露图显示，渠道边坡坐落在粘粒含量＞6%的砂壤土层，地基土属于冻胀土。因此渠道横断面设计中，对该渠道须考虑防止冻胀破坏的工程措施。

本次设计根据建材分布情况，拟采用换填含粘粒量＜6%的砂砾石作为防冻胀换填建材。本设计中，抗冻层厚度根据中华人民共和国行业标准《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-98）计算。

该地区属温带大陆性气候，渠床各部位换填深度（即抗冻层厚度）Zn可按下式计算：

式中：ε—置换比（%）由表查得坡面顶部ε=60%、坡面下部和渠底取ε=80%；δ0—衬砌板厚度（m）；Zd—置换部位的设计冻深。-Z

式中：φf—冻深年际变化的频率模比系数，经查图取为1.18；φd—日照及遮荫程度影响系数；φw—地下水影响系数；Zk—标准冻土深度（m）；φi—典型断面某部位的日照及遮荫程度修正系数。阴阳面即左右侧和渠底φi=1.15。a、b—系数，据建筑物所在的气候区，建筑物计算断面的轴线走向、断面形状及计算点位置可分别查表得。ZW0—邻近气象站的地下水位深度（m），ZW0=1.50m；α—系数，α=0.79；ZWi—计算点的地下水深度（m），可取计算点设计渠底线到当地冻结前地下水位的距离；e—常数，e=2.72。现将计算结果列于表2。

表2 渠床置换深厚度计算表

由于每条渠道与表中所列方向不一致，故将渠道依据走向、地下水位埋深、建筑物级别、土质4个条件对抗冻厚度进行确定，确定本工程防渗改建工程各渠道的抗冻层厚度。

3 结语

本项目实施后，水资源的利用率提高，减少水资源无效浪费，使绿洲范围扩大，生态环境得到改善。工程的实施可有效地保证吐孜乌达克地区生态林及经济林的需水要求，增加幼苗的成活率，项目的实施，有良好的社会、经济、生态效益。工程兴建对环境的有利影响大于不利影响，通过对不利影响采取环保措施后，影响可降至最低，本工程的改建可行，而其渠道断面型式的设计必须考虑地质、工程管理和运行等实际情况，因地制宜。

TV671

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1673-8853（2016）09-0063-02

；2016-07-12

（责任编辑：刘青）

图尔迪麦麦提·麦麦提，（1974-）男，新疆墨玉县人，高级工程师，主要从事水利工程规划、设计、招投标及建设管理工作。