地下水位埋深渠道横断面设计分析

□段 斌（喀什地区水利水电勘测设计院阿克苏分院）

地下水位埋深渠道横断面设计分析

□段 斌（喀什地区水利水电勘测设计院阿克苏分院）

在进行渠道断面设计时必须综合考虑渠道地层岩性特征、地下水位埋深、渠床糙率、边坡系数、渠道不冲不淤流速等方面，力求保证工程质量的同时，降低工程费用，文章基于某渠道工程地下水位较深，扬压力较大，渠底必须有透水性能的实际情况，进行了渠道横断面设计，并提出“全断面梯形渠道，底板、边坡板为C20现浇混凝土，砂砾石垫层方案”和“全断面梯形渠道，底板现浇、边坡板为预制六棱混凝土板，砂砾石垫层方案”，进行了方案的综合比选。

埋深；渠道；横断面；设计

1 渠道横断面设计与比选

在进行地下水位埋深较深渠道横断面设计时必须综合考虑渠道断面形状、尺寸、结构与位置，并体现安全经济原则，既保证渠道水位高程符合要求，不冲不淤周期性平衡性，保持边坡稳定。采用水力计算并按照明渠均匀流进行渠道横断面尺寸的确定。公式如下：

其中，Q——渠道流量（m3/s）；ω——过水断面面积（m3）；C——利用曼宁公式计算的谢才系数（）；R——水力半径（m）；i——水力比降，同渠底比降。

1.1 水力比降

水力比降即为单位渠长所对应的渠底降落具体值，在渠道流量既定情况下，渠底比降增大时，过水断面面积将减小，渠道水位落差增大，可能加速渠道冲刷。总之，水力比降对渠道输水能力、工程规模、渠道冲淤积、渠道稳定运行等有直接影响。在确定渠道水力比降时，应防止深挖与高填，为防止渠道冲刷，可考虑增加比降。

1.2 渠床糙率

渠床糙率的大小与C值有关，C较大则渠道过水能力强，渠床糙率小，反之则反是。如果在渠道设计时糙率较大，但实际建成运行后糙率减小，则会因为渠道实际过水能力的增大而加速冲刷，并影响下级渠道引水，造成渠道断面的闲置浪费。又如果设计渠床糙率值小于实际值，则渠道实际过水能力明显偏小，则反而会因流速降低而导致淤积［2］，可见，选用与实际糙率值接近的科学合理的渠床糙率值相当重要。

1.3 边坡系数

渠道倾斜程度往往通过边坡系数的大小反映，边坡系数过大则会加大渠道工程量，并引起输水损失，而过小又容易导致边坡坍塌与不稳定，为此必须结合渠道地形地质、挖填深度、流量流速等情况并通过土工试验进行边坡稳定分析以确定恰当的边坡系数，详见表1和表2。

表1 挖方渠道边坡系数参照表

表2 填方渠道边坡系数参照表

1.4 渠道不冲不淤流速

进行渠道流量设计时，如果渠道实际流速小于不冲不淤流速，则淤积的发生是必然的，如果渠道实际流速大于不冲不淤流速，则会加速渠道冲刷，所以渠道设计流速必须满足：

随着渠道中水流速的增加，其所包含的能量会逐渐增大，并带动渠床土粒的移动，通常情况下影响渠道不冲流速的因素包括：渠床土壤黏性与密度、水力半径、渠床糙率、水流含沙量、泥沙粒径、渠道弯直程度等。此外随着水流流速增加，其携带泥沙的能力也会随之变化，当流速减缓，一部分泥沙便会沉积在渠底，造成淤积，影响渠道不淤流速的因素主要有：渠道含沙量、断面水力要素、水沙运动规律等。

表3 不冲不淤流速系数C值参照表

2 工程实例

2.1 工程简介

工程渠道横断面采用梯形断面形式，内边坡1∶1.75，外边坡 1∶1.5，9+028～10+047段左侧渠顶宽 4 m，右侧渠顶宽为2.50m。渠堤采用当地土筑堤，压实度≥0.95。全断面采用刚性衬砌结构型式，渠段现状为砂砾石加塑膜防渗渠（于2002年竣工），本段地下水位较深，扬压力较大，渠底必须有透水的性能。

2.2 渠道横断面设计与比选

因渠道纵坡相对较缓，流量较大，为能满足渠道抗冲刷、防扬压力、防冻胀要求，并考虑当地已有的天然材料，混凝土将作为护砌的首选材料。设计过水能力采用明渠均匀流公式计算，其横断面尺寸在实用经济断面范围内，超高按1/4加大水深加0.20 m取整确定。由于渠道流量大，纵坡缓，采用U型渠道不太合适，所以本次设计横断面采用全断面梯形方案。在本地区混凝土板防渗主要采用预制六棱混凝土板和现浇混凝土板两种型式，故对这两种衬砌型式进行方案比选。

2.2.1 方案设计

方案一：全断面梯形渠道，底板、边坡板为C20现浇混凝土，砂砾石垫层方案

渠道为梯形渠道，内边坡系数m=1.75（1.5），外边坡系数m=1.50，渠堤顶宽度为2 m。底板、边坡板采用C20现浇混凝土板衬砌，底板现浇混凝土板厚8 cm，下铺设砂砾石垫层防冻体。边坡现浇混凝土板厚8cm，下铺设砂砾石垫层防冻体。堤顶采用C20现浇混凝土板封顶，宽度30 cm，厚度8 cm。渠道边坡纵向每2.50 m设一道伸缩缝，渠底纵向每2.50 m设一道伸缩缝，伸缩缝缝宽为2.00 cm，缝高为8 cm，分缝材料迎水面填筑2 cm厚聚氨酯密封胶，下6 cm采用2 cm厚闭孔板填筑，封顶板纵向每1.50 m设一道伸缩缝，填缝材料为2 cm厚闭孔板。

方案二：全断面梯形渠道，底板现浇、边坡板为预制六棱混凝土板，砂砾石垫层方案

渠道为梯形渠道，内边坡系数m=1.75（1.5），外边坡系数m=1.50，渠堤顶宽度为2.00～2.50 m。底板为C20现浇混凝土板，厚8 cm，下铺设砂砾石垫层防冻体。边坡板为C20预制六棱混凝土板，预制混凝土板厚6 cm，下铺设砂砾石垫层防冻体。堤顶采用C20现浇混凝土板封顶，宽度30 cm，厚度8 cm。C20预制六棱混凝土板采用M10砂浆勾缝。渠底每2 m设一道伸缩缝，封顶板每1.50 m设一道伸缩缝，封顶板分缝材料采用2 cm厚闭孔板填筑。渠道纵向每7.20 m设一道伸缩缝，缝宽2 cm，分缝材料采用2 cm厚闭孔板及聚氨酯密封胶。

2.2.2 方案比选

综合考虑各种影响因素，将两方案进行综合比较如下。

通过各方案优缺点综合比选，方案一具有工程施工简单、整体性能好、运行管理成熟、整体性抗冲性能较好及投资较低等基本优点，虽然施工工期较长，但从整体考虑，本次设计将方案一（全断面梯形渠道，底板、边坡板为C20现浇混凝土，砂砾石垫层方案）为推荐方案。

表4 渠道横断面方案比选表

3 结论

综上所述，由于该渠道工程地下水位较深，扬压力较大，渠底必须有透水性能，工程渠道横断面设计必须综合考虑渠道地层岩性特征、地下水位埋深、渠床糙率、边坡系数、渠道不冲不淤流速等方面，经比选，“全断面梯形渠道，底板、边坡板为C20现浇混凝土，砂砾石垫层方案施工简单、抗冲抗淤性能较好且投资较省，故选择该方案为推荐方案。

［1］阿扎提古丽·扎克，灌区节水改造工程渠道横断面设计及方案比选［J］，水利技术监督，2016，24（5）：95-97.

［2］冉玉容，麦盖提支渠防渗改建工程渠道横断面结构形式的比选［J］，陕西水利，2015（4）：171-172.

TV672

B

1673-8853（2017）10-0059-02

段斌（1980.12—）男，工程师，主要从事水利水电工程设计咨询工作。

2017-8-15

编辑：刘长垠 韦诗佳