季冻区高地下水位地区渠道透水衬砌结构方案经济技术分析

张辛洋

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 114000)

1 工程背景

东港灌区位于辽宁省丹东市的西南部，地处鸭绿江和大洋河的下游、黄海沿岸。灌区的总控制面积为1352km2，其中耕地面积为6.996万hm2，由于灌区雨量丰富，温度适宜，土质肥沃，是辽宁丹东地区的稻米主产区[1]。目前，灌区内有各型水库17座、提水站59座，已建成铁甲和友谊主干渠2条、总长度为72.1km，共有分干渠11条、总长度85.85km，支渠233条、总长333.28km。有效灌溉面积3.83万hm2，实际灌溉面积3.71万hm2[2]。由于灌区已经运行了几十年，工程老化失修现象比较严重，不仅导致水资源浪费比较严重，灌溉的供水质量也难以有效保证。因此，灌区开始实施续建配套和改造工程[3]。在工程的渠系改造过程中，有部分渠道靠近河道，地下水位较高，在衬砌施工过程中不仅要注意开源节流，还应该防止渠道衬砌结构的冻胀破坏，给工程的设计和建设造成了一定的困难。以铁甲干渠的4号分干渠为例，其位于大洋河南岸的阶地上，地表分布有厚度不均的冲积细颗粒地层，下部存在厚度较大的砂卵石层。渠线通过区域地势平坦，地下水位较高，工程地质条件复杂。为了保证渠道的安全运行，在工程设计中借鉴其他灌区的成功经验，采用透水衬砌方式，将地下水引入灌区，解决渠道冬季冻胀问题[4]。

2 透水衬砌结构设计方案

2.1 原始方案

研究渠段的横断面为梯形，采用透水衬砌方式。渠坡和渠底采用的厚度为8cm的C15混凝土预制块和厚度为10cm的混凝土框架预制件衬砌，在框架中采用干砌块石衬砌，实现衬砌结构的透水性。在衬砌结构的下部铺设一定厚度的垫层料，用于缓解冬季冻胀作用对上部衬砌体的变形张力[5]。根据地下水的回归规律，充分利用地下水，由于混凝土框架砖和干砌石之间属于柔性连接，可以对冻胀变形有一定的适应力，从而保证渠道衬砌断面在冻融作用下的规则性，从而提高渠系水的利用率，延长渠道的使用寿命[6]。具体的设计参数如下：渠道衬砌断面的底宽为3.0m，口宽为6.5m，渠深为1.75m，水深为1.28m。渠道的纵坡为1/645～1/820，设计流量为2.1m3/s。C15混凝土框架预制件之间干砌块石的厚度为30mm。根据抗冻胀的要求确定垫层厚度：阴坡顶部和底部分别为50和60cm；阳坡的顶部和底部分别为50和40cm；渠底的厚度为40cm。渠底每20m设置一道宽度为1.0cm的伸缩缝。坡脚上的第一批砖使用C15混凝土框架预制件衬砌，混凝土框架以上为方砖衬砌，预制块之间用C15细粒混凝土勾缝，宽度为2.5cm，渠坡衬砌结构每5m设置一道宽度为2cm的伸缩缝。坡脚结合处为浆砌石设计。

2.2 比选方案

根据原始设计方案，干砌石透水体分布在渠坡底部。显然，透水体的分布位置会对渠道的工程经济性造成一定的影响[7]。同时，透水衬砌也会对渠道的渗流及冬季的冻胀造成一定的影响。由于渠道透水，会造成渠坡地下水位的降低，渠道衬砌结构的冬季冻胀会有所改善，但是在灌溉期会损失部分灌溉水量，进而影响到渠道的输水效率[8]。基于此，本研究在渠底中部、渠底边部以及渠坡底部3种不同的位置设置干砌石透水体，通过对比分析，获得最佳设计方案。方案的具体设计见表1。

表1 比选方案设计表 单位：m

3 方案的比选

3.1 技术性分析

在工程设计和施工建设中，工程技术性指标是设计方案评价的关键性指标。针对背景工程而言，对其影响最大的指标为渠道的渗流和冬季的冻胀影响。基于此，研究中利用有限元数值模拟的方法，针对上文提出的3种不同的设计方案进行研究渠段的渗流和冻胀计算。根据计模拟结果，计算出渠道的节水系数和冻胀减轻度，结果见表2。

表2 不同方案的节水系数和冻胀减轻程度计算结果 单位：%

从计算结果来看，节水系数最大的是方案1，其次是方案2，最小的是方案3。由此可见，在采用透水衬砌结构时，将透水体设置在渠坡底部有利于提高渠水利用系数。从冻胀减轻度的指标来看，效果最好的是方案1，其次是方案2，最差的方案3。透水衬砌结构的的主要作用是给渠道周围的地下水创造排水通道，让渠道周边的地下水可以自由出流，进而降低地下水的水位。由于透水体的位于渠坡底部和渠底边部时，两侧地下水的渗流路径相对较短，更有利于地下水的渗流从而降低地下水水位，从而减轻冬季的冻胀破坏作用，而渠道由于渗流地下水的补充，其节水系数也有所提高。同时，由于混凝土属于刚性结构，而干砌石属于柔性结构，2种刚柔不同的结构相互作用和配合，也可以有效克服混凝土抗弯、抗拉能力差的问题，使衬砌结构具有良好的稳定性。因此，综合考虑节水情况和冻胀控制作用，干砌石透水体宜布置在渠坡底部。

3.2 经济性分析

根据工程设计思路，透水衬砌渠道的主要施工材料为混凝土预制块、混凝土框架预制件、干砌石和砂砾石垫层料。根据本文模拟的渠道衬砌形式，对施工中的主要材料的用量进行计算，获得3种不同方案的材料用量，见表3。

表3 材料用量表

由表3可知，不同方案的材料用量并没有显著的差异，但是由于透水体部分所处的位置不同，在人工、机械和间接费用等方面存在一定的差异。

按照当前市场价格，对不同方案的单位渠长衬砌的造价进行计算，结果见表4。

表4 单位渠长工程造价 单位：元

由计算结果可以看出，造价最高的为方案3，其次为方案1，造价最低的方案2。因此，从工程经济性的视角来看，最优方案为方案2。

3.3 综合评价

综合渠道的节水效果、减轻冬季冻胀损害程度以及工程的造价，对3种不同方案进行对比，结果见表5。

表5 不同方案的经济技术综合对比

由表5可知，如果北方寒区的高地下水位渠道采用透水衬砌结构，不仅可以减轻冻胀的不利影响，同时还可以起到一定的节水效果。研究中设计的3种方案在节水效果、冻胀减轻度和工程造价方面均有所不同。方案3的工程造价最高，且节水效果与防冻胀效果最不理想，因此为最不理想方案。从方案1和方案2的对比来看，方案2的工程造价最低，但是在节水系数和冻胀减轻度不及方案1；方案1不仅有利于渠道节水，同时也可以获得较好的防冻胀效果，但是造价稍微偏高，但是两者的工程造价差距并不大。因此，综合考虑技术和经济两方面的因素，推荐方案1作为工程设计方案，也就是将透水体设置在渠底中部。

4 结语

合理的衬砌结构形式对保证工程建设的顺利进行和工程效益的发挥具有重要的意义和作用。此次研究以具体工程为背景，探讨高地下水位渠道透水衬砌结构的优化设计问题。结果显示，将渠道衬砌的透水体结构设置在渠底中部，不仅可以消减一定的冻胀量，还可以有效提高水资源的利用效率，工程造价也相对较低，更适合北方季冻区的高地下水位渠道衬砌，具有一定的工程应用和推广价值。当然，受到篇幅和研究条件的限制，此次研究没有考虑透水体材料和结构以及地下水位等因素的影响，需要在今后进行更为深入的探索，以获取更为科学的研究成果。