灌溉渠道衬砌方案优化设计

刘会桥

(宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司广州分院，广东 广州 510000)

1 概述

灌区改造工程是一项重要的民生工程，可满足工农业以及居民生活用水需求，对地区经济发展和生态保持带来极大的促进作用。灌区改造工程中，工程量最大的部分为引水渠道改造，引水渠道是整个改造工程脉络，源源不断的向目的地输送水源。引水渠道工程的质量主要由衬砌结构控制，引水渠道衬砌结构也同其他的混凝土材料一样，容易产生裂缝，这在结构设计阶段就应当进行考虑[1- 5]。同时，渠道衬砌结构也应满足输水和稳定性需要[6- 10]。因此，要对渠道衬砌方案进行优化设计主要从以下几个方面进行：衬砌断面优化设计，衬砌结构优化设计，衬砌结构防裂缝优化设计。

2 工程概况

某工程主要任务是灌溉，通过对灌区进行续建配套与节水改造，消除灌区渠道及建筑物存在的安全隐患，提高灌溉水利用率，发挥灌区的灌溉效益。本次设计灌溉面积6.36万亩，灌区工程规模为中型，灌区灌排渠道工程级别为5级，渠系建筑物工程级别为5级。渠道总长45.32km(包括渠系建筑物的长度)，其中干渠改造长15.92km，支渠9条总长29.40km。

3 灌溉渠道衬砌方案

3.1 渠道横断面设计

3.1.1断面设计原则

对原有渠道结构的充分利用，尽可能减少占地需求的基础上进行渠道改造、加固。断面设计原则如下：

(1)最大程度的使用原有渠道，避免大规模的占地、开挖土石方等。

(2)将原有建筑物和新建建筑物作为控制点，采用分段设计的方式进行引水渠道纵坡降设计。

(3)在满足引水渠道不冲不淤流速要求的基础上，选择最小断面；同时避免上下游渠道水面产生大的变化，造成局部水头损失。

(4)引水渠道横纵断面应该统筹考虑、反复调整直至达到最佳的设计方案。

(5)根据加大流量，结合现状渠道，桩号7+450～11+050现状底宽为3～6m，本次改造根据现状，避免大量土方填筑确定设计底宽；桩号6+700～7+450根据设计流量确定设计底宽2m；桩号11+050～16+650根据设计流量确定设计底宽1.5m；桩号16+650～22+620渠道基本毁坏，已没有渠道形状，根据设计流量，采用最优化设计断面。

3.1.2断面形式比选

渠道断面的基本要求是满足设计输水流量。渠道两侧边坡应该具备较好的稳定性，渠道不冲刷和淤积。

灌区改造中拥有不同等级的引水渠道，每条渠道的设计流量均不相同。合理的断面结构形式可以降低成本也可以改善输水环境，延长使用寿命。引水渠道是水利工程的主要建筑物，引水渠道断面通常有梯形、矩形、多边形、U形或半圆形等多种形式。各断面特点对比见表1。

表1 不同断面特点

根据表1可知梯形断面的特点。已有渠道基本均采用明渠输送水源的方式，为减少土石方开挖方量，需要充分利用现有渠道及断面，在干渠设计时，基本维持原有的梯形断面引水渠道，有效减少了征地面积，在桩号18+700～22+620段无渠道或渠道基本毁坏，需要新建渠道，但此处设计流量较小，采用矩形断面。

不冲不淤流速V不淤：大型渠道的最小平均流速通常应大于0.50m3/s，小型渠道的最小平均流速不得小于0.3m3/s。

渠道不淤流速计算采用《水力计算手册》中经验公式，西北水利科学研究所公式：

(1)

设计横断面的基本断面采用梯形断面，部分地段采用矩形断面，断面宽度以现状宽度为基准，确定渠段的统一宽度，再按明渠均匀流计算。

计算公式为：

(2)

(3)

(4)

式中，V—平均流速，m/s；Q—设计流量，m3/s；W—过水断面，m2；R—水力半径,m；i—水面坡降；C—谢才系数；n—糙率。

梯形断面衬砌高度根据加大水位水面线齐平原则，分段确定衬砌高度。每段衬砌高度一样，同一段衬砌高度取最大水深。矩形断面衬砌高度为加大水位加安全超高0.2m。

桩号6+700～7+650加大水深0.73～0.87m，取衬砌高度0.9m；桩号7+850～11+050加大水深0.19～0.56m，渠道纵坡较大，取衬砌高度0.6m；桩号11+150～15+150加大水深0.22～0.68m，取衬砌高度0.7m。

3.2 渠道衬砌材料比选

渠道基底岩土体渗透性较强，一旦衬砌结构发生渗漏将会产生大规模的渗流。目前，常用的渠道衬砌材料为料、水泥土、砌石、防渗膜、混凝土及钢筋混凝土等。

根据渠道所在的地形、纵坡降以及当地的征地情况确定干渠采用梯形断面见表2，其他渠道使用矩形断面，现对两种断面衬砌材料从技术和经济角度进行比选。

矩形断面衬砌比较见表3。灌区矩形断面在满足结构安全的条件下，一般衬砌方式有：浆砌块石重力式边墙结构、混凝土重力式边墙结构、混凝土墙加撑梁结构、砌砖及预制渠道。砌砖及预制渠道一般用于小型农渠，本工程不建议采用。

根据以上梯形及矩形方案比较，根据干渠所在的地形条件，选择梯形断面，建议采用梯形断面方案三；支渠及干渠尾段现状无渠道或渠道基本毁坏，不需要大流量输送水源，因此，可以选择矩形断面，建议采用矩形断面方案三。

3.3 混凝土伸缩缝防渗结构优化设计

伸缩缝部位为混凝土结构连接的软弱部位，在该部位经常出现裂缝和渗水现象，情况较为严重时则会影响到引水渠道的输水效率和渠道结构的稳定性。因此，在工程经验的基础上提出一种新型的混凝土伸缩缝防渗结构。结构示意如图1所示。使用材料需要符合强度、耐久性以及环保要求。按要求完成施工后取得了较好的使用效果。

表2 梯形断面防渗形式方案比较表

注：断面工程造价为底宽1.5m、衬砌高度为0.7m的防渗工程造价(不含土方开挖回填)。

表3 矩形断面防渗形式方案比较表

注：断面工程造价为底宽1.3m、衬砌高度为1.5m的防渗工程造价。

图1 衬砌结构伸缩缝防渗示意图

4 结论

(1)分析了渠道衬砌断面设计过程中不同断面衬砌形式的优缺点，结合工程特点，选取了梯形断面和矩形断面相结合的引水渠道衬砌方式。

(2)从经济和技术角度出发，对衬砌材料选取进行了比选，梯形断面采用现浇混凝土作为衬砌材料，矩形断面采用混凝土墙加撑梁的衬砌方案。两种衬砌方案对混凝土防渗要求较高。

(3)针对混凝土结构在伸缩缝处易于产生渗漏的特点，提出了一种新型的伸缩缝防渗结构，通过工程检验取得了较好的防渗效果。