农田水利工程灌溉防渗渠道衬砌施工技术研究

贾存超

（宁夏建工集团有限公司，宁夏 银川）

1 防渗渠道衬砌施工的截面计算

1.1 防渗渠道混凝土标号与衬砌厚度的确定

根据《防渗渠道工程技术规范》GB/T50600-2020附表规定，确定常规基本农田混凝土强度标号为C25，抗冻标号为F100，抗渗标号为W4，混凝土防渗结构渠道厚度为8 cm。具体防渗渠道衬砌厚度如表1 所示。

表1 不同类别防渗结构的衬砌厚度

在施工方案设计中，确定水泥强度等级与衬砌厚度，同时需要要求施工人员熟悉混凝土标号最小允许范围，具体如表2 所示。

表2 不同地区渠道混凝土标号最小允许范围值

表3 防渗渠道配筋参数

1.2 不同类型防渗渠道断面计算

防渗渠道的设计不仅是参考输水用量，同时还应该考虑到防渗渠道非冲洗与非开裂条件下的水流量以及糙率等参数[1]。因此，在同一个截面上渠床表面粗糙程度相同时，施工过程中能够更好的保证水流平稳。参照渠道的同截面上均匀流动公式计算防渗渠道的断面尺寸，具体如下公式所示：

式中：h 为防渗渠道水深,m；b 为防渗渠道宽度,m；β为防渗渠道断面宽深比；m 为防渗渠道边坡系数比。防渗渠道的断面设计主要目的是为实现在安全工作条件下允许通过的最大流量，防渗渠道断面设计安全系数直接影响到农田在灌溉中的面积与用水量[2]。

1.3 防渗渠道施工中的水流量计算

防渗渠道断面设计在接近最优用水量时，可以借助明渠均匀流速公式计算，具体如公式（4）所示：

由于在实际施工技术设计中，考虑到输水损失流量，将公式（4）引入防渗渠道损失流量公式，得到公式（5）：

由此，在衬砌施工渠道设计时要考虑到防渗措施，那么渗漏损失量可以作为流量参照的依据。

2 防渗渠道衬砌施工结构的载荷计算

2.1 防渗渠道冻胀环境下的渠坡内力计算

防渗渠道的施工设计考虑到冻胀性破坏因素，首先保证渠道结构安全性与耐用性，在新建工程施工时，分别针对阳坡与阴坡在同等条件下受力进行载荷分析[3]。参照当前研究成果，防渗渠道衬砌主要基于截面尺寸的计算，同时考虑边坡承载力，根据《水工混凝土结构设计规范》（NB/T11011-2022），结合载荷计算的基本原理分别就渠坡与渠底内力进行计算。支座反力具体如公式（7）所示：

2.2 防渗渠道冻胀环境下的渠底内力计算

由于防渗渠底所受到的约束来源于渠坡板，根据上述式中对渠坡的计算，左右两侧承受地板压力呈现对等的比例。设定渠底板为q0、渠坡约束力为N、支座反力为RA，在三者共同作用力条件下趋于平衡。可以得到平衡方程为公式（10）：

在X 与Y 方向上分别得到渠底的最大轴力，可得到公式（11）：

将公式（10）引入到公式（11）得到最大弯矩与最大剪力，具体如公式（12）所示：

2.3 防渗渠道施工中的配筋计算

通过对防渗渠施工设计中渠坡与渠底的内力计算，在所得到的最大弯矩与剪力进而可以更好的验证渠道的防渗截面承载力。由于防渗渠道底板一般较薄，衬砌施工中多采用单层钢筋，考虑变形的状态下衬砌板最大弯矩承载力逐渐增大，衬砌胀裂程度则取决于是否达到最大拉力系数。变形条件下截面配筋的计算如公式（13）所示：

式中：h 为受压区高度；fy为钢筋抗拉强度值；fc为混凝土抗压强度值；b 为衬砌板宽度；As为受压区钢筋断面面积；h0为系数参数。

通过上述公式计算，根据《水工混凝土结构设计规范》（NB/T11011-2022）参照系数取值h 满足于h≤α1h0，且α1=0.85。根据截面塑性系数公式（14）所示：

3 防渗渠道衬砌施工技术分析

3.1 防渗渠道衬砌施工工序分析

在防渗渠道进入施工进度前，上述文中计算了渠坡与渠底的受力，分别得出了截面的压力与弯矩，由此准确的给出防渗渠道所需的配筋参数值。由于衬砌施工受到季节、气候、作物属性以及工程分布环境等影响，对施工工序与进度尤为重要[4]。参照1958 年美国海军军械局特种工程处布兹艾伦提出的理论，分别采用最优时间估值完成基本工序，具体计算如公式（16）所示：

式中：Te为预计完成所需时间；T0为最早完成所需时间；Tm为估计完成时间；Tp为最晚完成所需时间。考虑到实际施工过程中，由于检查、汇报等影响因素，时间调整如公式（17）所示：

式中：D 为持续时间值；K 为综合修正参数；k1为自然条件下影响系数；k2为施工技术熟练程度下影响系数；k3为不同工种协同作业条件下的修正系数。当系数值≥1 时，则表明满足于预期进度。根据时间计算，结合所需进度值，由此可得到衬砌施工过程中每公里工期如表4 所示。

表4 农田防渗渠道衬砌施工每公里进度值

3.2 防渗渠道衬砌施工布置

参照同地区已经完成的衬砌渠道具体计算方法，即主渠衬砌高=渠设水位+0.4 m；支渠衬砌高=支渠设水位+0.3 m。根据谢才计算方法2,将公式（1）引入并推导得到公式（18）

式中：Q 为均匀流量；A 为过水断面面积；C 为谢才系数；R 为水力半径；i 为坡底。

3.3 防渗渠道基土的抗冻胀性分析

在衬砌防渗渠道施工中，防渗渠道的冻胀一般主要是指基土的冻胀，当环境条件达到冻胀时，则会出现渠底坍塌、裂缝等破坏现象。根据据《水工建筑物抗冻张设计规范》NB/T 35024-2014 相关要求，具体冻胀量计算如公式（19）所示：

式中：h 为渠道地表冻胀量,cm；Zd为冻深,cm；e 为指数；Zw为地表高程算起的地下水深度,cm。

根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》NB/T 35024-2014 附录表查询得知，当黏土＞300 cm，粉土=250 cm，砂=200 cm 时，在梯型、矩型、U 型防渗渠道的系数分别0.79、0.63、0.42，将系数值引入公式（19）可以得到不同类型防渗渠道参数与冻胀量，具体如表5 所示。

表5 不同类型防渗渠道参数与冻胀量

防渗渠道要求满足农田作物的用水需求，避免导致水流过大或过小冲洗防渗渠、累积沉积物等现象发生，必须具备足够输用水的能力和合适的水流速。因此，在初砌施工过程中防渗渠道的设计尤为重要。因此，防渗渠道衬砌断面所包含梯形、U 型等，在施工布置中根据渠道水位来确定导流水位，从而得到灌溉用水的利用系数与渠内水流量，更好的实现节水以及农田灌溉的科学性。

注释

①严寒地区最冷月的平均气温低于-10 ℃，寒冷地区为-10～-3 ℃，温暖地区高于-3 ℃。

2谢才公式表达形式：Q=AC R，1769 年由法国工程师A·de 谢才提出，是计算明渠和管道均匀流平均流速以及沿程水头损失的主要公式。