合山市东亭、南洪两水库连通渠防渗设计

李 玉

（广西桂禹工程咨询有限公司，南宁 530023）

1 工程概况

东亭水库位于合山市北泗镇东亭村以北2 km处，所在河流为东亭溪，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养殖等综合利用的小（1）型水利工程。东亭水库由1 座主坝、1 座放水设施、1 座溢洪道、1 座连通渠放水闸等建筑物组成，大坝为均质土坝，最大坝高13.2 m，坝顶长179.0 m。水库总库容116.6万m3，兴利库容为38.80万m3，调洪库容为77.80万m3。水库设计灌溉面积0.03 万亩，实际灌溉面积0.03 万亩，是下游农业灌区及南洪水库的主要水源之一。

南洪水库位于合山市北泗镇南洪村旁的红水河左岸小支流桃花岭河上游，于1957 年始建，1958年建成并投入使用。水库距离合山市约8.0 km，距柳邕公路0.5 km，与东亭水库坝址的直线距离为3.5 km。南洪水库由1 座主坝、3 座副坝、1 座溢洪道、1座泄洪闸、3座输水设施等建筑物组成，是一座以灌溉为主、兼顾养殖的综合利用工程，属小（1）型水利工程。水库总库容614 万m3，兴利库容为477万m3，原设计灌溉面积1.21 万亩，实际灌溉面积仅0.717万亩，未能充分发挥水库的灌溉功能。

当地水利部门在东亭水库至南洪水库之间修建了一条连通渠道长4.09 km，将东亭水库多余水量引至南洪水库。渠道建成初期，南洪水库由于得到东亭水库的补水，水库下游农田灌溉面积增加，粮食产量增加，对当地农业的发展起到了一定的促进作用。

目前两座水库均已经完成除险加固，不存在安全隐患，大坝运行安全可靠。

2 渠道工程设计

2.1 渠道现状

项目区内渠道设计流量均小于5 m3/s，为5级建筑物。

东亭水库至南洪水库连通渠总长4.09 km，渠底宽2～6 m，渠高1～3.5 m，设计流量1.76 m3/s。连通渠建于20世纪五六十年代，干渠总长4.09 km，其中桩号0+000～0+036 段为混凝土渠道，现状完好；桩号0+036～4+090段基本为土渠，局部渠段挡墙为浆砌石，现状全段淤积严重，部分渠段内已种植桉树。主要存在的问题有:①连通渠工程都是当时群众运动的产物，工程质量差，渠道的水力坡降大多数都没按设计要求施工，引起渠道壅水，泥沙淤积，渠道过水能力不能达到设计要求，导致对灌区供水不足；②工程运行时间长，设备老化，由于资金问题未能及时进行加固和维修；③由于渠道的大量渗漏，造成渠道沿线的田地，渠道上游因为渗漏而长期被水浸泡形成涝渍地，作物生长缓慢，甚至涝死；渠道下游因为无水浇灌，无法种植作物；④干渠目前渗漏严重，渠道边墙坍塌，严重变形，土渠更是淤积渗漏严重。

2.2 设计方案选择

本设计对东亭水库至南洪水库连通渠进行整治、清淤、衬砌、防渗和加固，对渠系建筑物根据实际情况进行维修、重建，渠线、渠道纵坡原则上与现状一致，渠系建筑物大部分在原址维修或重建。

渠道防渗衬砌的方法有很多，如现浇混凝土、浆砌块石、浆砌条砖、塑性水泥土及土工膜加混凝土保护层等。从项目区土壤构造出发，结合近几年渠道防渗与施工的实践，考虑到工程材料的来源、渠道现状断面基本为矩形等条件，本项目渠道两侧采用水工挡土墙，底板采用120 mm厚的C15砼。以0+036～3+000渠段为例，拟选定重力式浆砌块石、重力式埋石混凝土、衡重式埋石混凝土等3 种挡墙设计方案作为本次设计的比较方案（见表1）。各方案横断面图分别见图1～图3。

表1 渠道防渗工程设计方案比较表（按1000 m计算）

由表1可知，3种防渗型式各有优缺点，从技术及施工角度看都是可行的，本项目渠道基本是在原渠道上衬砌加固，原渠道地质条件较好，边坡也较稳定，为了节约投资，本次设计拟采用方案三（衡重式C15埋石砼挡墙）。

图1 方案一：重力式浆砌块石挡墙

图2 方案二：重力式C15埋石砼挡墙

图3 方案三：衡重式C15埋石砼挡墙

2.3 渠道水力计算

（1）计算公式。渠道水流按明渠均匀流考虑，根据《水力计算手册》（第二版），计算公式如下:

式中:Q 为各渠段过流流量，m3/s，渠首设计流量1.76 m3/s；A 为过水断面面积，m2；R 为水力半径（R=A/x）；x为湿周，m，x=b+2 h（1+m2）0.5，b为渠道底度，h为渠道设计水深，m为边坡系数；C为谢才系数；n为糙率（《水力计算手册》第二版，P45，表2-2-10，抹面浆砌石:n=0.017）；i为渠道坡降（i按渠道现状、渠道首尾衔接、挖填方量等因素综合考虑选取）。

（2）加大流量Qn。根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB50288-2018）P46中表6.1.8:

式中:Qn为渠道加大流量，m3/s；a为渠道流量加大系数；Q为渠道设计流量，m3/s。当Q＜1 m3/s时，a取值为0.35；当1 m3/s＜Q＜5 m3/s时，a取值为0.30。

（3）安全超高Δh（《水力计算手册》第二版，P43）。

式中:Δh为渠道岸顶超高，由于渠道断面较小，可根据实际情况综合确定；hj为渠道通过加大流量时的水深。

（4）不冲流速（《水力计算手册》第二版，P48，表2-2-15）。

浆砌石渠道，不冲流速取3.5 m/s；现浇混凝土渠道，不冲流速取6 m/s。

（5）不淤流速。根据《农田水力学》第三版（中国水利水电出版社，P113）中公式:

式中:Vcd为渠道不淤流速；C0为不淤流速系数，随渠道流量和宽深比而变，查表4-14，Q＜5 m3/s 时，C0=0.4；Q为渠道设计流量，m3/s。

（6）渠道沿线水深及渠底高程计算。在确定渠道沿线水深及其相应的渠底高程时，考虑以下两个基本因素:①本项目实施防渗衬砌的渠道沿线水深及渠底高程按整条渠道考虑；②满足过流水深要求的渠底高程不低于渠道上原有附属建筑物过流底部高程（尽量避免拆除原有附属建筑物底板）。

根据各渠段的设计流量，断面型式、渠道纵坡以及渠道的工作制度等因素计算确定渠道的设计水深，加上安全超高即得混凝土防渗顶部高程。项目区渠道的水力计算成果见表2。

表2 渠道水力计算成果表

2.4 渠道边墙计算

本工程干渠渠道边墙采用水工挡土墙的型式加固，考虑到尽量减少占地面积，采用衡重式挡土墙。根据水力学计算成果及现状，干渠分为两种断面型式。挡土墙依据《水工挡土墙设计规范》（SL 379-2007）验算挡土墙的抗滑稳定、抗倾覆稳定和地基承载力的验算。

2.4.1 计算断面

两种尺寸的挡墙均考虑基本荷载组合与特殊荷载组合，各组合均选一个土质基础、一个岩石基础上的断面作为典型计算断面，进行稳定计算及应力分析，每类基础断面按荷载组合对应以下两种计算工况:

（1）基本荷载组合。工况①:完建工况，此工况下挡墙前后无水；工况②:设计水位工况，此工况下渠道外侧无水，渠道内侧为设计水位。

（2）特殊荷载组合。工况③:水位骤降工况，渠道内侧无水，渠道外侧水位为距离墙基础底部1/3墙高度处；工况④:暴雨工况，渠道内、外侧水位均达到挡墙顶部。

2.4.2 计算方法

根据《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）的抗滑稳定计算采用抗剪公式，抗倾稳定及应力采用一般重力法及材料力学法。

（1）抗滑稳定安全系数按下式计算:

式中:Kc 为挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；∑G 为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；∑H 为作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载（kN）；f为挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数。

（2）抗倾覆稳定安全系数按下式计算:

其实在我看来，全新航海家最大的改变，不是外形和配置，而是名字。作为由第二代林肯MKX改款而来的新车型，全新航海家也是林肯首款依照全新命名规则更名的车型，“Nautilus”在古希腊语中的含义是“水手”，而用在舰船上最著名的则是美国海军的“鹦鹉螺”号核潜艇—世界上第一艘核潜艇。更名之后，人们更容易将航海家和MKC区别开来。

式中:K0为挡土墙抗倾覆稳定安全系数；∑MV为挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩，kN·m；∑MH为挡土墙基底前趾的倾覆力矩，kN·m。

（3）基底压应力按下式计算:

式中:Pmaxmin为挡土墙基底应力的最大值或最小值，kPa；∑G 为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；∑M 为作用在挡土墙上的全部荷载对于水平面平行前墙墙面方向形心的力矩之和，kN·m；A为基底面的面积，m2；W 为基底面对于基底面平行前墙墙面方向形心轴的截面矩，m3。

2.4.3 计算简图

计算简图见图4～11。

图4 完建工况（2.12 m墙高断面，土基2+400、岩基0+800）

图5 设计水位工况（2.12 m墙高断面，土基2+400、岩基0+800）

图6 水位骤降工况（2.12m墙高断面，土基2+400、岩基0+800）

图7 暴雨工况（2.12 m墙高断面，土基2+400、岩基0+800

图8 完建工况（1.62 m墙高断面，土基3+050、岩基3+900）

图9 设计水位工况（1.62 m墙高断面，土基3+050、岩基3+900）

图10 水位骤降工况（1.62 m墙高断面，土基3+050、岩基3+900）

图11 暴雨工况（1.62 m墙高断面，土基3+050、岩基3+900）

2.4.4 计算结果

计算采用北京理正岩土软件6.5版挡土墙设计软件。

表3 挡墙稳定计算结果

由表3可知，挡土墙抗滑、抗倾覆稳定安全系数均满足《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）要求，基底最大压应力均小于基础容许承载力。因此，挡墙满足设计要求。

2.5 渠道设计成果

本项目主要是对干渠损毁、淤积等问题较严重的渠段进行防渗加固衬砌，通过现场勘察和调查，本次渠道加固或防渗衬砌共4.09 km。各防渗渠段根据现状渠道断面、渠道沿线地质、土壤及渠坡稳定情况，确定渠道断面采用矩形断面，挡墙采用C15埋石砼，底板采用C15混凝土防渗。

（1）0+036～3+000渠段。本渠段的渠道设计断面3000 mm×2000 mm，挡墙采用衡重式C15 埋石砼，顶宽400 mm，底宽640 mm，高2120 mm，内侧迎水面铅直，外侧上墙高度1000 mm，坡度为1∶0.2，外侧下墙高度1120 mm，坡度为1∶0.5，中间平台宽800 mm；底板采用120 mm厚的C15混凝土，典型衬砌断面见图12。若设计渠底高于现状渠底，清淤后，回填粘土压实，再铺砂砾石垫层；渠道每隔5 m设一分缝，采用沥青木板填缝，缝宽20 mm，采用铝片止水，挡墙及底板分缝下方需沿缝依次铺设400 mm宽油毛毡和防渗塑料膜，油毛毡在上，防渗塑料膜在下，分缝两侧每边各宽200 mm。

（2）3+000～4+090渠段。本渠段的渠道设计断面3000 mm×1500 mm，挡墙采用衡重式C15 埋石砼，顶宽400 mm，底宽640 mm，高1620 mm，内侧迎水面铅直，外侧上墙高度750 mm，坡度为1∶0.2，外侧下墙高度870 mm，坡度为1∶0.5，中间平台宽675 mm；底板采用120 mm厚的C15混凝土，典型衬砌断面见图13。若设计渠底高于现状渠底，清淤后，回填粘土压实，再铺砂砾石垫层；渠道每隔5 m设一分缝，采用沥青木板填缝，缝宽20 mm，采用铝片止水，挡墙及底板分缝下方需沿缝依次铺设400 mm宽油毛毡和防渗塑料膜，油毛毡在上，防渗塑料膜在下，分缝两侧每边各宽200 mm。

图12 典型衬砌断面（0+036～3+000）

图13 典型衬砌断面（3+000～4+090）

3 结语

渠道设计主要是解决灌渠水资源浪费、渠道渗漏问题，以提高灌溉保证率。在渠道设计中应注意以下几方面:

（1）满足设计功能及规模要求，与原工程较好的衔接性。

（2）方便施工，确保能安全可靠地正常运行。

（3）方便管理操作和维护。

（4）能保护周边生态环境，不干扰或尽量少干扰社会经济环境等，最终达到技术可靠、经济合理、环境改善、社会满意的效果。