浑沙灌区渠道衬砌型式比选与设计

王颖秋 崔克胜

(1.沈阳市苏家屯区八一灌区管理处，辽宁 沈阳 110115；2.沈阳市苏家屯区水利工程建设质量与安全监督站，辽宁 沈阳 110101)

浑沙灌区渠道衬砌型式比选与设计

王颖秋1崔克胜2

(1.沈阳市苏家屯区八一灌区管理处，辽宁 沈阳 110115；2.沈阳市苏家屯区水利工程建设质量与安全监督站，辽宁 沈阳 110101)

浑沙灌区是辽宁省的大型灌区，一直发挥着当地粮仓的作用。由于灌区渠道及建筑物老化失修，渠道漏水，渠道输水损失大，渠系水利用系数低，引起灌区供水不及时等一系列问题。本文通过对不同渠道衬砌形式进行方案比选，考虑工程量及工程造价等多方面因素，确定重力式浆砌石挡土墙为适合浑沙灌区的渠道衬砌型式，并对选定的结构型式进行设计和稳定性等验算。

灌区；渠道衬砌；挡土墙

1 浑沙灌区自然状况

浑沙灌区位于沈阳市西南部，东界沈大高速公路，东南及南为北沙河及太子河，西及北为浑河。灌区从抚顺大伙房水库下游浑河引水，渠首位于浑河谟家堡闸，引水方式为有闸控制自流引水。灌区总面积608km2，灌溉作物主要为水稻，设计灌溉面积60万亩，有效灌溉面积38.2万亩。

浑沙灌区为浑河冲积平原，地势平坦，自东北向西南倾斜，自南北向地面坡降为1/2000～1/3700，东西向坡降为1//1400～1/3800，北部较陡，南部较缓。根据30m土层钻探资料，在此层内主要由第四系疏散堆积物构成。灌区土质基本属于粉质黏性土，约占灌区面积的97%，其他为砂壤土，主要分布于浑河地段，区域内土壤有机质含量在1.65%以上。

2 项目建设的必要性

浑沙灌区实施续建配套与节水改造，发展高效农业、精品农业，是实现农业现代化和保障粮食安全的迫切需要[1]。项目建设的必要性主要表现在以下方面：

a.实施项目建设是实行节水增效、提高农业生产水平的迫切需要。

b.实施项目建设是强化水利行业管理、实现水利产业化发展的迫切要求。

c.实施项目建设，对保障粮食安全，实现全面建成小康社会的目标、构建社会主义和谐社会和推进社会主义新农村建设具有十分重要的意义。

d.实施项目建设是实现水资源优化配置和高效利用的需要。

e.实施项目建设是保障灌区水土资源合理开发利用与保护、实现生态环境与社会经济协调发展的需要。

综上所述，由于灌区渠道及建筑物老化失修，渠道漏水，渠道输水损失大，渠系水利用系数低，造成灌区供水不及时，既耽误农时又影响了灌区农业生产的发展。为了保证灌区的正常供水、适时灌溉、提高粮食产量、增加居民收入，灌区的改造势在必行。

3 渠道衬砌型式选择与设计

3.1 渠道存在的问题

此期浑沙灌区节水改造的为挖方渠道，渠道两侧地面与渠道底高差在2～4m之间，灌溉期渠底临近或低于地下水位，两侧水田的旁渗水大部分时间处于补给渠道状态，自然渠坡在扬压力和冲刷力作用下，造成了严重的坍塌破坏，冬季渠道属于强冻胀，在春融期，渠道边坡经常出现冻融滑塌，目前已危及护渠林和渠侧道路的安全，其治理目的应是以护坡、固脚和减糙为主。

3.2 渠道衬砌型式的方案比选

渠道衬砌结构型式有重力式结构和护面式结构[2]，衬砌材料有浆砌石、混凝土和沥青混凝土，综合考虑渠道护坡、固脚、防冻胀和降低扬压力等因素，渠道衬砌型式采用重力式砌石结构和重力式混凝土结构。考虑到浑沙灌区第二节制闸以下有一段200m长的浆砌石挡墙，依然发挥着护坡、固脚的功能[3]，此次渠道衬砌型式提出了五种方案：垂直重力式浆砌石挡土墙、仰斜重力式浆砌石挡土墙(两个方案)、重力式钢筋混凝土挡土墙、重力式素混凝土挡土墙。

3.2.1 方案一：垂直重力式浆砌石挡土墙

垂直重力式浆砌石挡土墙结构型式见图1，该灌区在10+866～11+091段，两侧均有重力式浆砌石护坡，已运行近20年未出现裂缝，在工程技术上是合理的，从工程造价角度分析，在基础埋深1.2m、墙高超过设计水深0.75m的情况下，造价为4910.72元/m。

图1 渠道衬砌型式方案一断面

3.2.2 方案二：仰斜重力式浆砌石挡土墙(一)

仰斜式浆砌石挡土墙(一)结构型式见图2，该灌区采用仰斜式浆砌石挡土墙护坡，在工程技术上是合理的，从工程造价角度分析，在基础埋深1.2m、墙高超过设计水深0.75m的情况下，造价为4156.34元/m。

图2 渠道衬砌型式方案二断面

3.2.3 方案三：仰斜重力式浆砌石挡土墙(二)

仰斜重力式浆砌石挡土墙(二)结构型式见图3，该灌区采用浆砌石基础和护坡组合，基础底宽2.5m，墙高4.17m，埋深1.2m，露出地表部分迎水坡坡比为1∶1.2，重力式浆砌石挡土墙以上部分采用浆砌石防渗，护坡挡墙顶厚60cm，经过稳定计算，满足工程要求，在工程技术上是合理的，从工程造价角度分析，造价为3604.07元/m。

图3 渠道衬砌型式方案三断面

3.2.4 方案四：重力式钢筋混凝土挡土墙

重力式钢筋混凝土挡土墙结构型式见图4，该灌区采用重力式钢筋混凝土挡土墙护坡，趾墙底宽3.05m，趾墙高0.4m，挡墙下底宽1.05m，挡墙上顶宽0.3m，背坡比为1∶0.2，埋深1.2m，重力式钢筋混凝土挡土墙经过稳定计算，满足工程要求，在工程技术上是合理的，造价为5611.55元/m。

图4 渠道衬砌型式方案四断面

3.2.5 方案五：重力式素混凝土挡土墙

重力式素混凝土挡土墙结构型式见图5，该灌区采用重力式素混凝土挡土墙护坡，趾墙底宽3.3m，趾墙高0.6m，挡墙下底宽2.2m，挡墙上顶宽0.4m，背坡比为1∶0.5，埋深1.2m，重力式素混凝土挡土墙经过稳定计算，满足工程要求，在工程技术上是合理的，造价为6432.93元/m。

图5 渠道衬砌型式方案五断面

3.2.6 渠道衬砌型式的方案确定

从方案一至方案五比较来看，五种结构型式均满足护坡、固脚和减糙的功能要求[4]，方案一、四和五较方案二工程造价高，考虑到经济性要求，这三个方案应予以舍弃；方案三衬砌结构型式由浆砌石基础和浆砌石护坡构成，不但土方开挖量较小，且工程造价低，所以此次渠的衬砌主要采用方案三。10+866～11+091段受渠堤的限制，且该段原有仰斜式浆砌石挡土墙，该段渠道衬砌采用方案二。

3.3 渠道衬砌工程设计

3.3.1 桩号10+866～11+091段渠衬砌设计

该段位于第二节制闸下游，目前两侧均为浆砌石护坡，此次设计拆除现有砌石护坡，重建为仰斜式挡土墙[5]。墙顶宽为0.5m，底宽2.53m，墙底设0.4m厚C20素混凝土底板，墙身高4.17m，内边坡系数为0.7，背坡比为1∶0.2，挡土墙趾墙厚0.9m，挡土墙埋深1.2m，底部铺设20cm的砂砾料垫层，块石饱和抗压强度不小于40MPa，砂浆为M7.5，每隔10m设置一沉降缝，缝宽2cm，外侧采用沥青缝板，内侧填充苯板。每隔10m设置一φ50排水管，排水管下口距设计渠底0.5m以上，墙顶以上边坡整形，播撒草籽，堤顶为现状自然堤顶。

该段位于第二节制闸下游，目前第二节制闸下游为干砌石海漫，海漫长度仅为10m，现状干砌石已被冲刷破坏，渠道现有两侧浆砌石挡墙墙基已经裸露。可见水流出消力池后紊动仍然较为剧烈，且底部流速较大，对渠道底部仍有较大冲刷能力，故此次采用下列公式重新计算海漫长度：

(1)

式中Lp——海漫长度，m；

K——系数，视消能状况和河床土质的允许流速而定；

q——消力池出口单宽流量，m3/(s·m)；

ΔH——水闸上下游水头差。

考虑工况为上游渠道达到设计流量，即上游水深一定(上游渠道设计水深2.84m)，节制闸开启，计算在闸门开启过程中不同开度对应的流量及上下游水位差，由此计算在闸门开启过程中所需最大海漫长度。

计算得Lp=56.54m，两断面处现状渠底高差近1m，为确保工程安全，海漫长度按照70m考虑。根据上述计算结果，10+866～11+091桩号225m范围内渠道底部铺设涂塑格网石笼，石笼厚0.5m。

此外该段墙基遭冲刷裸露严重，因此该次设计重新计算墙基处局部冲刷深度，采用下式计算：

(2)

式中hB——局部冲刷深度，从水面算起；

hp——冲刷处水深，2.63m；

vcp——平均流速,m/s；

v允——渠道允许不冲流速，0.8m/s；

n——与防护岸在平面上的形状有关的指数，取0.25。

经计算hB=3.77m，冲刷深度为3.77m-2.63m=1.14m，此处基础埋深1.2m。

该段衬砌结构型式见图2。

3.3.2 桩号11+091～15+531段渠衬砌设计

该段全长4440m，由于为未衬砌段，现状渠道边坡坍塌较为严重，边坡较缓，为减小工程量，遵循“少填少挖”的原则，此次设计该段采用浆砌石仰斜式挡墙型式进行边坡衬砌。衬砌内边坡尽可能贴合现状渠坡线，采用1∶1.2边坡，墙顶宽0.8m，墙底宽2m，墙底设0.4m厚C20素混凝土底板，下设0.2m厚砂砾料垫层。块石饱和抗压强度不小于40MPa，砂浆为M7.5，每隔10m设置一沉降缝，缝宽2cm，外侧采用柞木板，内侧填充苯板。每隔10m设置一排水管，排水管下口距设计渠底0.5m，墙顶以上边坡整形，播撒草籽。

该段衬砌结构型式见图3。

3.4 挡土墙稳定复核验算

3.4.1 计算方法

挡土墙复核计算内容为：抗滑稳定性验算，倾覆稳定性验算，墙底偏心距及压应力验算[6]。计算方法参照《水工挡土墙设计规范》(SL 379—2007)的规定。

滑动稳定性验算：

(3)

式中Kc——挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；

f——挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数；

倾覆稳定性验算：

(4)

式中K0——挡土墙抗倾覆稳定安全系数；

墙底偏心距及压应力验算:

(5)

式中e——偏心距；

B——挡土墙底面宽度,m；

(6)

式中A——单位长度挡土墙底面积；

(7)

式中η——不均匀系数。

3.4.2 结构尺寸及计算参数

根据工程需要及实际情况拟定两种型式的挡土墙，计算参数及结构尺寸列表说明如下：

参数取用说明：

a.根据地勘资料及土层特性，墙后填土为粉质黏土，根据《水工挡土墙设计规范》(SL 379—2007)一般黏性土天然重度γ=17～18kN/m3，此次挡土墙验算选用17kN/m3。

b.根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)的规定，当挡土墙墙高H≤6m时，内摩擦角φ=35°～40°。

c.根据《水闸设计规范》(SL 265—2001)的规定，当地基为中等坚硬黏土时，墙底摩擦系数f取值范围为0.25～0.35，此次复核取0.3。

3.4.3 计算软件

采用北京理正岩土系列软件5.11版计算。

3.4.4 计算结果

计算结果见下表。

稳定计算结果表

3.4.5 计算结果分析评价

根据《挡土墙设计规范》(SL 379—2007)，在基本荷载条件下，挡土墙的抗倾覆安全系数不应小于1.5，抗滑安全系数允许值为1.2。上表中抗滑安全系数均大于1.2，抗倾覆安全系数均大于1.5，故可知上述挡土墙尺寸满足稳定要求。

4 结 语

渠道衬砌是灌区田间配套工程的主要建设部分，通过比较分析几种常见的渠道衬砌型式，仰斜重力式浆砌石挡土墙型式的渠道衬砌具有土方开挖量小、工程造价低且结构稳定性强等特点，因此该项目在技术上是可行的，在经济上也是合理的，适合在浑沙灌区进行修建。渠道衬砌工程的建设提高了渠道水利用系数，节约了水资源，使有限的耕地发挥了最大的经济效益，提高了农业综合生产能力和农产品的市场竞争力。

[1] 尚关蕾.江川灌区建设模式优化研究[D].东北农业大学,2016.

[2] 杨璘.灌区渠道衬砌型式设计选择[J].吉林水利,2016(7):19-22.

[3] 赵小川.土渠防渗衬砌技术初探[J].科技创新导报,2015(11):68.

[4] 肖海军.小型渠道防渗衬砌型式的探讨[J].北京农业,2015(9):207.

[5] 谭海森,赵保华,王瑞光.不同渠道衬砌型式在鹤岗市应用中的比较[J].黑龙江水利科技,2010(1):235-236.

[6] 何宏顺.不同渠道衬砌型式在实际中的应用[J].现代农业科技,2008(3):207,209.

Comparison and Design of Canal Lining Patterns in Hunsha Irrigation Area

WANG Yingqiu1, CUI Kesheng2

(1.ShenyangSujiatunBayiIrrigationAreaAdministrativeOffice,Shenyang110115,China;2.ShenyangSujiatunDistrictWaterConservancyProjectConstructionQualityandSafetySupervisionStation,Shenyang110101,China)

Hunsha irrigation area a large irrigation area in Liaoning Province, which has been playing the role as a granary in local area. A series of problems are caused such as delayed water supply in the irrigation area, etc. due to the aging and disrepair of canal and buildings in the irrigation area, leakage of canal, large conveyance loss of wter in canal and low canal water utilization coefficient. In the paper, plans of different canal lining forms are compared, factors engineering quantities, engineering cost, etc. are considered for determining that gravity slurry masonry retaining wall is a canal lining mode suitable for Hunsha irrigation area, and the selected structure models are designed, the stability, etc. are checked.

irrigation area; canal lining; retaining wall

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.06.013

TV91

A

1673-8241(2017)06- 0053- 06