新疆YL河BA干渠工程矩形槽设计关键技术研究

李燕波

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

随着我国国民经济的飞速发展和工程技术的不断进步，区域水资源分布不均的矛盾逐渐凸显。为解决用水矛盾，长距离输水干渠工程逐渐成为水利工程建设的主体之一[1]。目前，国内外学者针对渠道工程已进行了大量的研究，但针对矩形槽设计关键技术的研究鲜见于国内外期刊文献。

鉴于此，本文以新疆YL河BA干渠工程为例，主要介绍矩形槽段结构形式选择、防渗排水措施、基础处理方式、沉降计算、稳定计算等设计关键技术，以期为其他类似工程提供借鉴。

1 工程概况

新疆YL河拦河引水及BA干渠工程位于伊宁县与察布查尔县交界的YL河干流段，设计流量为60 m3/s，加大流量为68 m3/s，为I等大(I)型工程。干渠及渠系防洪建筑物工程按30年一遇(P=3.33%)设计，工程区地震动峰值加速度为0.15 g，地震基本烈度Ⅶ度，渠系建筑物按7度地震设防。

2 矩形槽布置及设计难点

BA干渠工程全线布置3处矩形槽，分别是界梁子沟矩形槽(0.29 km)、达达木图矩形槽(0.29 km)和陶瓷厂矩形槽(1.43 km)。界梁子沟和达达木图矩形槽长度较短，且地质条件相对较好。为减小工程占地面积、节省移民征地投资，经梯形渠道方案和矩形槽方案比选，均推荐工程投资小、安全性高的矩形槽方案。

陶瓷厂矩形槽南侧紧邻已建清伊高速公路，渠道中心线距公路围栏平均距离仅为17.75 m，北侧为已建南台子排洪渠，渠道中心线距排洪渠堤顶平均距离仅为12.28 m，工作面狭窄且移民征地难度大，渠线选择困难大；由于工作面狭窄，只有选择合适的结构形式，才能尽量避免施工干扰、降低移民征地费用、保证工程安全、节省工程投资；该段渠线地层岩性主要为低液限粉土夹含砂粉土，地质条件较差；由于渠线两侧均为已建并正在运行的工程，选择合适防渗排水方式和地基处理方案，保证本工程自身和周边建筑物的运行安全至关重要。

针对上述设计难点选择合适设计方案，不仅能加快工程建设速度、节省工程投资，而且能避免在实施阶段工程方案变更，减少运行期工程隐患。

3 结构形式选择

结合水力学计算，陶瓷厂段布置梯形渠道至少需要40 m净宽，而排洪渠与高速路之间的平均宽度仅为30 m，工作面狭窄，不具备布置梯形渠道的条件。考虑到此段渠线距已运行的高速、排洪渠及陶瓷厂厂房较近，对基础湿陷性黄土若采取浸水法、挤密法、翻填法、夯实法和砂砾石换填法等湿陷性土处理方法，施工时均会影响到附近的建筑物运行安全，而且也得不到当地相关部门的认可。结合《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[2-4]以及当地水利主管部门对南台子排洪渠改建的要求，针对渡槽方案、矩形槽方案进行比选。

3.1 渡槽方案

渡槽方案建筑物主要由槽身、支承结构(盖梁和立柱)、进出口连接段、进口扭面段等组成，由于该方案下部支承结构尺寸小，适于布置在工作面狭小的地区。渡槽典型横断面见图1。

图1 渡槽典型横断面图

3.2 矩形槽方案

矩形槽方案矩形槽为填方基础、填筑高度6～13 m，为减小填筑基础占地面积，在基础填筑坡脚增设重力式、悬壁式挡墙，挡墙高2.4～6.5 m，矩形槽断面尺寸b×h=5 m×4.1 m，底板及边墙厚均为50 cm。矩形槽典型横断面见图2。

图2 矩形槽典型横断面图

渡槽方案和矩形槽方案对比见表1。

表1 渡槽方案与矩形槽设计方案对比表

渡槽方案与矩形槽方案均可行，渡槽方案施工难度大、施工周期长，虽然其安全可靠性略高于矩形槽方案，但矩形槽方案通过设置防渗+排水措施，也能保证工程安全性的需求且易于检修。经综合考虑推荐矩形槽方案，该方案施工周期短、安全可靠、便于检修且工程造价较低，可有效规避运行风险、保障工程自身及周边建筑物安全。

4 矩形槽基础设计

4.1 沉降计算

沉降计算包括填筑体及基础沉降，填方矩形槽为减小沉降变形所带来的安全隐患，本工程填筑料采用砂砾石，最大填筑高度7.75 m，基础地层为含砂粉土。结合疆内砂砾石填筑坝体沉降实测成果，由于填筑高度较低,其沉降量可忽略不计，故仅对基础进行沉降计算，基础均按含砂粉土层计算，以最大填筑高度7.75 m为例进行计算分析。土体压缩特性统计见表2，土料密度统计见表3。

表2 土体压缩特性统计表

表3 土料现场控制密度及饱和密度统计表

计算假定土层中任意一点的垂直压应力等于该点以上的土柱重量，且土料在压缩时不产生侧向膨胀，土体的压缩是由于土料中孔隙体积的压缩，土粒的体积在受压前后保持不变。计算公式如下：

式中：s为计算断面的填筑体沉降量，cm；hi为所计算的第i层土层的厚度，cm；ei0为第i层土层的初始孔隙比，cm；eit为最终或竣工时，第i层土层在竖向有效应力作用下的孔隙比，cm；为土层分层数。

土层总计算厚度，根据上部填筑土体产生的附加应力等于渠基自重应力的20%确定。计算结果见表4。

表4 断面1沉降计算表

根据计算成果可知，最大填筑高度断面总体沉降量为41.42 cm，但在上部土体填筑完成沉降已基本完成。结合施工进度的安排，在砂砾石基础填筑完成后预留半年的沉降期，再进行上部混凝土施工，不增设沉降超高。

4.2 填筑基础边坡稳定计算

陶瓷厂段矩形槽采用下部砂砾石填筑、上部矩形槽结构，填筑土体顶宽10.0 m，砂砾石填筑边坡1∶1.5，基础为含砂粉土。在工程设计中遇到高填方问题，填筑高度在5.92～7.75 m之间，根据工程布置选取5.92、6.45、7.25和7.75 m共4种典型断面，按照《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)的要求[5]，采用简化毕肖普法，分别应用STAB软件、理正岩土和PC1500软件计算矩形槽段填筑边坡在自重、孔隙压力和外荷载等作用下抗滑稳定最小安全系数，地震情况采用拟静力法，并使用迈达斯软件、采用强度折减法验证计算结果的可靠性[6-7]。

边坡稳定计算中使用的各种参数，采用技施阶段工程地质勘察成果，各种土体的物理力学参数见表5。

表5 边坡稳定计算土体参数

边坡抗滑稳定安全系数计算结果见表6。

表6 边坡抗滑稳定安全系数计算结果表

续表6

根据计算结果可知，4种软件计算的边坡抗滑稳定安全系数较为接近，其中理正岩土软件的计算结果最大，而PC1500软件的计算结果最小，STAB和迈达斯软件的计算结果较接近。但考虑到迈达斯软件建模难度大且其计算方法未见于现行国家、行业规范，故除非特别重要工程采用该软件复核计算成果，一般可采用建模速度快、计算精度高的STAB软件，可极大提高工程设计速度。

5 湿陷性土处理

5.1 防渗措施

综合分析，引起矩形槽基础湿陷沉降变形水的来源有3处：①矩形槽结构或止水破坏引起渠内漏水；②渠线右岸排洪渠未铺设防渗膜，渠道表面仅采用现浇砼板衬砌，会有水渗入基础；③矩形槽与高速及排洪渠之间雨水、融雪产生的地表水下渗。由于基础表层5～9 m为中～强湿陷性土，必须采取有效的防渗措施才能保证建筑物安全。

矩形槽漏水应对措施：矩形槽基础采用砂砾石填筑，此外还在沿线布置渗漏、变形监测措施。排洪渠渗水应对措施：改建排洪渠，渠底建基面先铺设一布一膜(膜厚0.6 mm)，再衬砌10 cm的现浇砼板，砼板采用C25、F200、W6现浇砼衬砌。明水下渗及地基处理措施：为清基0.5 m压实后，换填0.5 m灰土(石灰：土=3∶7)，灰土上表面铺设一布一膜(膜厚0.4 mm)，该防渗体系与右岸排洪渠、左岸清伊高速公路排水沟形成整体，以保障无明水下渗。

5.2 排水措施

排水措施主要有两类：①雨水、融雪等明水渗入砂砾石填筑基础，因左右岸挡墙的存在导致排水不畅、危机建筑物安全；②由于渠线与高速公路之间无排水出路，导致明水汇集下渗引起粉土地基湿陷变形。

为保证排水通畅，在渠线左右岸挡土墙与基础一布一膜相交部位埋设Φ150PVC排水管、间距5 m，管内塞填粒径20～40 mm反滤料，排水管出口加设Φ6@15钢筋网并包裹无纺布；在矩形槽与高速路之间设置排水沟，排水沟沿渠线方向布置，结合地形变化在低洼处通过DN200钢管横穿矩形槽底部基础，将水排入排洪渠。

6 结语

本文以新疆YL河拦河引水及BA干渠工程为例，着重介绍了该工程矩形槽段设计关键技术。该工程矩形槽段的设计和布置是结合工程实际、节省工程投资、确保运行安全的新设计思路，工程竣工通水后还有待检验，以供广大水利工程设计同行参考。