南干渠渠道改造工程技术方案研究

(辽宁江河水利水电新技术设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110003)

1 概 述

浑北灌区地处沈阳市西北部，始建于1914年。全灌区东西长48km，南北宽22km。区内土地面积285.5km2，耕地面积33万亩，其中设计灌溉面积22.27万亩。浑北灌区是辽宁省的中型灌区之一，也是沈阳市重要的水稻产区。

灌区内各条渠道除输送灌溉用水、景观环境用水外，还承担沈阳北部城区排水任务。一方面渠道断面窄小，落淤严重，流速缓慢，堤身单薄，汛期各渠道常满负荷排洪，常会出现因排泄不畅而造成的漫堤、决堤等险情。另一方面，随着城市化发展和农村产业结构调整，水田面积大大减少，减少了排水出路。三面闸以下段渠道已成为城市排水的瓶颈。因此，研究如何利用现有渠道，减少征占地，通过工程措施提高渠道过流能力，解决城市排水出路问题显得十分必要。本文以南干渠改造为例，针对南干渠各段存在的不同问题，分段研究渠道改造工程技术。

2 南干渠现状及存在问题

南干闸至红旗闸段为南干渠，全长4019m，2011年实施整治，设计流量22m3/s，设计河底比降1/3500，梯形断面，设计渠深2.3m，设计渠底宽度13m，因征地困难、与建筑物平顺衔接等因素，实际渠底宽度9～17m，渠底铺设有天然钠基膨润土防水毯，两侧边坡采用钢筋混凝土板护坡，坡比1∶1.5，坡长3.42m，护坡中间设置一道纵缝，由于水位变化、冻胀，导致纵缝处混凝土板存在不同程度破损，特别是处于阴面的混凝土板破损严重。南干渠上现有5座公路桥和7座铁路桥，其中767铁路桥桥面底高程较低，桥面与渠顶齐平，制约了渠道水位，其余桥梁均能满足渠道排水要求。

根据城市总体规划，在原南干闸至二环桥段渠道所在地新建调蓄湖，受其影响，该段渠线须重新规划布置。根据浑北灌区渠系排水流量分配情况，要求南干渠渠道改造后南干闸至暗渠进口闸段设计流量达到34m3/s，过流能力须增大12m3/s，提高1.5倍。其中，新建暗渠分走流量23m3/s后，暗渠进口闸至红旗闸段设计流量为11m3/s(见图1)。利用明渠均匀流公式对南干渠现状渠道过流能力进行复核，南干渠渠道改造后南干闸至暗渠进口闸段渠道过流能力不足。

图1 南干渠平面位置示意图

3 常用渠道改造技术研究

由于南干渠土质主要是砂性土，渗流量较大，现由钢筋混凝土板护坡，防水毯护底，结合东北地区气候、土壤等条件，本次改造主要对干砌石、浆砌石、连锁砖、钢筋混凝土等技术进行了研究分析。

3.1 干砌石

干砌石护坡一般用于坡比在1∶2.5～1∶3区间、坡度较缓、受水流冲刷较轻的坡面。干砌石护坡应由低向高逐步铺砌，要嵌紧、整平，铺砌厚度一般采用30～50cm。干砌石护坡应选择材质坚实新鲜，无风化剥落层或裂纹，表现无污垢、水锈等杂质的石块。石块应大致方正，上下面大致平整无尖角，石料的尖锐边角应凿去。干砌石护坡层下铺设10cm以上厚度的碎石、粗砂或砂砾作为反滤层，封顶用平整块石砌护。

3.2 浆砌石

浆砌石是使用胶结材料的块石砌体。浆砌石护坡一般应用于坡比在1∶1～1∶2之间，或坡面下部可能遭受强烈水流冲刷的河段。浆砌石护坡由面层和起反滤层作用的垫层组成，面层铺砌厚度为25～35cm，垫层厚度一般采用10～25cm。与干砌石相比，浆砌石护坡堵水性能较好，对边坡坡比要求不高，使用范围相对较广。缺点是造价较高、生态性较差。

3.3 联锁砖

铰接式联锁砖是一种由绞索穿孔连接的联锁型护坡系统。该系统是由一组尺寸、形状和重量一致的混凝土块用若干绞索相互连接在一起形成的联锁矩阵，使相邻单元连接为一体，共同抵御波浪和水流的冲击。该系统外形美观，具有一定的柔性，能较好地适应温度变化，自行调整冻胀变形。厚度在0.1～0.3m左右，适用于小水流情况下的土壤侵蚀控制。缺点是运行管理难度较大，一块脱落后会引起周边大面积脱落。

3.4 钢筋混凝土

钢筋混凝土的主要材料有砂、石、水泥和钢筋。混凝土具有很好的抗压性，植入钢筋弥补其抗弯性缺陷。钢筋混凝土板具有强度高、糙率小、防风浪效果好、防渗效果好、耐久性好等优点，在渠道衬砌中应用广泛。钢筋混凝土板护坡厚度在0.1～0.12m左右，底板厚度在0.3～0.5m左右。混凝土板下层铺设10cm素混凝土垫层。为适应沉降变形，须设置伸缩缝。钢筋混凝土材料缺点是造价高、生态效果差。

各方案技术经济比较详见表1。

表1 方案技术经济比较成果

4 渠道改造技术确定

4.1 渠道改造基本思路

本次渠道改造一是要尽量利用现有渠道，减少工程征占地；二是要降低渠道水深，确保767铁路桥扩孔后，能满足排水要求。

从表1可知，钢筋混凝土技术投资较其他改造技术投资高，但考虑到混凝土渠道糙率小，水流速度快，可有效降低渠道水深，提高排水能力；对坡比要求不高，通过变化渠道断面型式，能减少占地，减少工程实施难度；防渗效果好，渠道水量损失小，可极大地提高工程灌溉效益；根据工程现场实际和工期要求，工程布置受渠顶宽度、渠内水深制约，加之现浇混凝土具有整体性好的优点，本次南干渠改造优选现浇钢筋混凝土技术。

4.2 分段确定改造技术

针对南干渠各段存在的不同问题，分段确定改造技术方案。

4.2.1 南干闸至二环桥段

该段渠道现状过流能力22m3/s，小于设计流量34m3/s，因新建调蓄湖，该段渠道须北移。受地形及现有建筑制约，须选择糙率小、占地面积小、施工作业面小的技术方案，因此确定该段采用现浇钢筋混凝土矩形槽，槽深2.30m，底板厚0.40m，边墙顶宽0.30m，矩形槽净宽15m，二环桥上游30m渠底宽度由15m渐变到25m。矩形槽上口较窄，其占地面积与相同流量的梯形断面渠道相比减少约50%，施工作业面小，能很好地解决工程占地问题，节约土地资源，为工程顺利实施创造条件。

4.2.2 二环桥至暗渠进口闸段

该段渠道现状过流能力22m3/s，小于设计流量34m3/s，因此须增大渠道排水能力。767铁路桥桥面底高程较低，现状桥梁最大过流量20m3/s，受工程投资和工期限制，767桥不能抬高，只能扩宽，以满足过流要求。该段通过减小糙率来降低水位，改造时将原钢筋混凝土板护坡全部拆除，采用现浇钢筋混凝土板全断面衬砌渠道，设计渠底宽度13m，因部分渠段底宽不足13m，须将其进行扩宽，渠底采用30cm厚C25钢筋混凝土板防护，每隔12m设置一处伸缩缝。边坡采用10cm厚C25钢筋混凝土板护坡，坡比1∶1.5，顶部设0.30m水平压顶。为解决纵缝处混凝土板破损问题，本次改造坡面不设置纵缝，每隔4m设置一道横缝。混凝土护坡以上按照坡比不陡于1∶2修坡整形，撒播草籽。

4.2.3 暗渠进口闸至红旗闸段

暗渠进口闸至红旗闸段现状过流能力大于设计流量11m3/s，因此仅对现状破损的混凝土板护坡进行改造。本次改造取消原设计混凝板纵缝，避免水位变化对坡面的影响，采用10cm厚C25钢筋混凝土板对两岸边坡进行防护，顶部设0.3m宽压顶，边坡坡比、护坡长度与原设计一致，每隔4m设置一道沥青木板伸缩缝，护坡下设10cm厚C15素混凝土垫层。混凝土护坡以上按照坡比不陡于1∶2修坡整形，撒播草籽。

5 结 语

本文以南干渠改造工程为例，在设计和实施过程中以少占地、少动迁，充分利用现有渠系工程为原则，统筹地上、地下空间布局，选择梯形、矩形两种断面型式，采用钢筋混凝土技术来降低渠道糙率，加大流速，减小水深，大大提高了渠道排水能力，同时保障了现有渠系交叉建筑物的安全，改善了民生，对于保障人民群众生命财产和安全具有重要作用。研究成果可为灌区改造工程规划设计提供参考，为寻找城市排水出路提供方向，为解决老城区内涝问题提供思路，具有一定的理论价值和应用价值。

受实际情况制约，文中推荐的钢筋混凝土技术虽能解决排水工程问题，但其生态性较差，随着新产品、新材料的日益发展，相信会有更生态，防渗、抗冲、抗冻胀、耐久性好的材料应用于渠道改造工程。同时，随着施工工艺的不断优化，渠槽表面的粗糙程度也会得到控制，表面更光滑，相同过流量条件下可采用更小的渠道断面，更利于节约土地，改善沿岸宜居的生态环境。