張軍明（原州區(qū)水務(wù)局，寧夏 固原 756000）

沈家河灌區(qū)弧形底梯形渠施工技術(shù)研究

張軍明
（原州區(qū)水務(wù)局，寧夏 固原 756000）

弧形底梯形渠是水力條件較好和經(jīng)濟(jì)實(shí)用型渠道斷面，它具有防滲漏效果好，輸水能力強(qiáng)，穩(wěn)定性強(qiáng)、抗凍脹，節(jié)省渠道占地少等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合在原州區(qū)沈家河水庫(kù)灌區(qū)改造工程中的廣泛應(yīng)用，重點(diǎn)對(duì)弧形底梯形渠道襯砌施工技術(shù)進(jìn)行了分析研究。

灌區(qū)；渠道；施工，技術(shù)

1 研究背景

寧夏固原市原州區(qū)沈家河水庫(kù)灌區(qū)位于清水河流域，距固原市區(qū)20km，地理位置為東徑106°15′～106°17′，北緯 36°04～36°08′。該灌區(qū)始建于1962年10月，屬于清水河上游的一座中型水庫(kù)灌區(qū)，渠道分為干、支、斗、農(nóng)四級(jí)渠道，干渠分總干渠、東干渠和西干渠，斗農(nóng)渠217條，灌區(qū)涉及頭營(yíng)、彭堡2個(gè)鎮(zhèn)，7個(gè)行政村，3811戶，1.73萬(wàn)人，控制灌溉面積4.0萬(wàn)畝，其中實(shí)灌面積2.0萬(wàn)畝，人均純收入3520元，屬于原州區(qū)中上等水平。灌區(qū)地勢(shì)較平坦，土壤肥沃，交通方便，適宜發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)，是原州區(qū)主要的糧油生產(chǎn)基地和發(fā)揮效益最好的灌區(qū)。

1.1 工程任務(wù)

沈家河水庫(kù)灌區(qū)節(jié)水改造項(xiàng)目于2009年列入第一批全國(guó)小型農(nóng)田水利重點(diǎn)縣項(xiàng)目建設(shè)，同年10月已建成配套干支渠11條28.6km，斗農(nóng)渠217條114km，建筑物 24658座。改造道路 26.2km，恢復(fù)灌溉面積2.0萬(wàn)畝，改善灌溉面積1.5萬(wàn)畝。

1.2 工程建設(shè)方案

該水庫(kù)灌區(qū)是在原老灌區(qū)上進(jìn)行節(jié)水改造工程建設(shè)，骨干渠道基本分干、支兩級(jí)渠道，完善增設(shè)農(nóng)渠。干渠大體上和等高線平行，以便自流控制較大的灌溉面積，斗渠基本垂直干渠布置，即垂直等高線布置。斗農(nóng)渠的布置滿足機(jī)耕要求，斗渠長(zhǎng)度在280～1500m之間，間距在200～800m；農(nóng)渠長(zhǎng)度為200～800m，間距100～200m。灌區(qū)保持原東、西干渠及西高支渠位置及長(zhǎng)度不變，總長(zhǎng)27.5km，共規(guī)劃布置斗渠83條，其中新增設(shè)斗渠9條，增設(shè)農(nóng)渠16條，東干渠增設(shè)5條斗渠，共45條斗渠，西干渠增設(shè)4條斗渠，共32條斗渠，斗、農(nóng)渠總長(zhǎng)84.07km。改造配套建筑物如支斗門、陡坡等，量水堰、跌水、車橋、生產(chǎn)橋、農(nóng)口等。干、支渠比降保持不變，干渠改造段采用弧形底梯形渠斷面，田間渠道按新設(shè)計(jì)“U”型斷面襯砌，田間采取小畦灌溉技術(shù)。下面著重介紹沈家河?xùn)|干渠改造段設(shè)計(jì)和施工過程。

2 渠道設(shè)計(jì)

工程設(shè)計(jì)的原則是“以節(jié)水增效為中心，以減淤防滲為重點(diǎn)”。沈家河?xùn)|干渠根據(jù)原有灌區(qū)實(shí)際控制面積和需水量來(lái)確定渠道設(shè)計(jì)流量，同時(shí)考慮防滲效果、不沖不淤、抗凍脹性能、施工便利等主要因素確定渠道斷面。

2.1 渠道縱斷面設(shè)計(jì)

經(jīng)過實(shí)地踏勘測(cè)量干渠現(xiàn)狀，對(duì)東干渠需要改造的長(zhǎng)度18km，進(jìn)行規(guī)劃推算，基本維持渠道現(xiàn)狀縱坡為1/1000，渠道現(xiàn)狀及今后改造高程相銜接。支渠取水口底高程均和干渠底齊平，改造段斗口底高程在滿足灌溉情況下，盡量與干渠底齊平，以滿足灌溉要求。

2.2 渠道橫斷面設(shè)計(jì)

2.2.1方案比較

為了提高干渠的輸水能力，對(duì)東干渠的原梯形斷面和U形斷面進(jìn)行比較，推薦U形斷面，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288-99）和2010年10月《寧夏灌區(qū)支斗農(nóng)渠襯砌定型圖集》要求4級(jí)以上渠道斷面宜采用弧形底梯形斷面（又稱弧形底斜直邊復(fù)合斷面），為此，我們選擇弧形底梯形與U形兩種斷面進(jìn)行比較。

渠道挾沙淤積能力采用《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288-99）中黃河中、下游地區(qū)，按黃委水利科學(xué)研究院公式計(jì)算:

式中:H——斷面平均水深（m）；

B——水面寬度（m）；

g——重力加速度（m/s2）；

ω——沉速（cm/s）（泥沙粒徑 d≤0.05m m）。

對(duì)弧形底梯形和U形兩種斷面形式進(jìn)行挾沙能力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1:

表1 沈家河?xùn)|干渠設(shè)計(jì)流量挾沙淤積能力表

從表1中可以看出，兩種斷面的挾沙能力基本接近，但弧形底梯形斷面較U形斷面，施工方便，回填量小，工期短；防滲時(shí)，其開挖土模相對(duì)容易，可用滑動(dòng)模板施工，大大提高了施工速度。沈家河水庫(kù)灌區(qū)灌溉歷時(shí)較長(zhǎng)，干渠改造的工期要求緊，因此推薦采用弧形底梯形斷面。

另外，該段干渠改造后，渠道口寬縮窄1.34m，渠堤加高0.4m，渠道堤頂寬度仍為現(xiàn)狀的一側(cè)4m和一側(cè)6m，盡量少占地。

2.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）渠堤穩(wěn)定分析

改造段設(shè)計(jì)渠深為2.2m，填土高度2.2m，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288-99），堤填土高度≤3m時(shí)，回填壤土?xí)r，內(nèi)坡取1∶1，外坡為砂土取1∶1.5?；⌒蔚滋菪瓮敛凼欠穹€(wěn)定與土壤ψ值和с值有直接關(guān)系，據(jù)該渠段地質(zhì)勘察報(bào)告可得:基土c值為20kpa、ψ值為25.4；渠堤土c值為25.5kpa、ψ值為23.7°，干容重為1.38t/m3。根據(jù)秦勒?qǐng)D表法求得坡角β值可取為90°，得弧形底梯形渠的坡角（即斜直邊外傾角）為45°，完全能夠滿足穩(wěn)定要求。

（2）襯砌厚度確定

弧形底梯形斷面襯砌厚度與渠中流速和斷面半徑有關(guān)，改造段半徑為2m，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288-99）和原州區(qū)中小型水庫(kù)灌區(qū)近多年的探索和已建成渠道運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本次改造渠段處于高填方段，襯砌厚度取10cm厚，每1m加一條尺寸為（10+20）×20cm的肋梁（在施工中，因肋梁不利于土工布鋪設(shè)被去掉），采用現(xiàn)澆200#混凝土防滲進(jìn)行澆筑收面。

（3）渠道抗凍脹計(jì)算

根據(jù)《固原市天氣預(yù)報(bào)氣象資料》1975～2008近33年資料統(tǒng)計(jì)，灌區(qū)最大凍土深度為150cm，多年平均凍深29cm。根據(jù)《渠道工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 23-91）要求，經(jīng)計(jì)算可得渠道向陽(yáng)面凍脹量h=0.067cm～0.335cm，底面h=0.12cm～0.627cm，遮陰面h=0.155cm～0.78cm。根據(jù)規(guī)定混凝土渠道邊皮允許位移值0.5～2cm，底部弧形段允許位移值4～5cm，計(jì)算值均在規(guī)范允許的范圍，滿足抗凍要求。

渠道凍脹量與其基土的含水量ω關(guān)系很大，若ω＞28%時(shí)，渠道遮陰面的凍脹量不能滿足規(guī)范要求。為了降低渠基土的含水量，防止土基凍脹破壞渠道，渠道斷面選為寬淺式。渠道防滲體采用現(xiàn)澆200#混凝土，抗凍標(biāo)號(hào)為 D100，同時(shí)每隔4m設(shè)一道橫向伸縮縫，因邊坡和弧形底凍脹位移不一致，在斜直邊與弧形底連接處設(shè)縱縫，縫寬均為2cm，縫內(nèi)采用聚氯乙烯膠泥填塞，臨水側(cè)用1∶1∶4瀝青水泥砂漿勾縫。因渠基土為自重濕陷性黃土，故渠道防滲體的抗?jié)B標(biāo)號(hào)取S40為了確保伸縮縫的防滲處理效果，在縱橫向伸縮縫底部鋪設(shè)80cm寬帶狀土工布，形成雙層防滲結(jié)構(gòu)。

2.2.3橫斷面設(shè)計(jì)圖

橫斷面設(shè)計(jì)圖見圖1。

圖1 橫斷面設(shè)計(jì)圖

3 工程施工

3.1 土模成型

為了保證質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)防渠道在運(yùn)行時(shí)沉陷和滲漏變形，將弧形底梯形渠土方回填分兩步進(jìn)行。一是在渠底弧段范圍內(nèi)清除表層腐殖土，將邊坡開挖成臺(tái)階狀，底部原土層用機(jī)械碾壓，分四層進(jìn)行全斷面回填1m高；二是兩側(cè)坡面采用分蹬方式分層貼坡，機(jī)械夯打而成，貼坡尺寸寬于設(shè)計(jì)尺寸25cm～30cm。土方回填到位后，按設(shè)計(jì)要求固定土模線架，線架間距4m，線架與線架間勾起施工線，人工開挖、精修到位，嚴(yán)防超挖或欠挖，如果出現(xiàn)超挖情況采用草泥補(bǔ)填。

3.2 混凝土工序板

土工布的鋪設(shè)及混凝土襯砌現(xiàn)澆，采用滑模間隔跳倉(cāng)，分一序板和二序板分步進(jìn)行，即:沿渠道軸線按結(jié)構(gòu)縫（間距4m）等距離劃分并編號(hào)，先橫向施工編號(hào)為1、3、5、7、9……的一序板，再進(jìn)行編號(hào)為2、4、6、8、10……的二序板，利用已凝固并且強(qiáng)度達(dá)到50%以上的一序板橫側(cè)緣做為二序板的滑道進(jìn)行混凝土澆筑，具體順序見圖2“混凝土工序板平面圖”。

圖2 混凝土工序板平面圖

3.3 土工布鋪設(shè)

按照土工布的幅寬，先鋪設(shè)一序板的土工布，寬于混凝土的分塊尺寸并留出粘接長(zhǎng)度（一般為15cm～20cm）。注意土工布的粘接必須密實(shí)牢靠。將土工布按設(shè)計(jì)尺寸提前裁好，沿渠道橫向鋪設(shè)，要求有一定的松馳度，并緊貼渠槽土模。鋪設(shè)速度應(yīng)與混凝土澆筑速度相配合，以免土工布裸露時(shí)間過長(zhǎng)風(fēng)耗日曬及人為損壞。切忌施工中在土工布上打眼。

3.4 模具加工

（1）滑道加工

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，滑道加工分為弧形段和斜直段兩部分?；⌒尾捎?m m厚的鋼板加工成滑道的上、下面，兩側(cè)用帶鋼與鋼板焊接，滑道成型后橫斷面是矩形；兩條滑道凈距4m（與橫向結(jié)構(gòu)縫尺寸相同），在弧形段上部（即縱向結(jié)構(gòu)縫尺寸位置）用2m m厚鋼板（做隔板用）用螺絲將其連接固定。斜直段滑道用10#槽鋼下面焊8m m厚鋼板加工成矩形斷面，下部與弧形段滑道用螺絲連接，上部用角鐵加工成的橫擔(dān)仍用螺絲固定。這樣弧形段和斜直段滑道是一完整的組合，保證了滑道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；滑道下部加工成平面，必須打磨光滑，保證滑道承壓時(shí)不損傷與其接觸的土工布。

（2）雙滾筒式振動(dòng)梁加工

為了保證弧形段混凝土振搗密實(shí)及表面平整度，經(jīng)精心研究，認(rèn)真設(shè)計(jì)，決定將原平板振搗器完成的振搗工作，改為用自制的雙滾筒式振動(dòng)梁。具體結(jié)構(gòu)是:用長(zhǎng)4.2m、φ 80的厚壁鋼管兩根，在兩端中心處焊接φ 20的圓心軸；用40×12cm的10m m厚鋼板鉆φ 22的孔固定兩端的圓心軸，軸間距32cm；鋼板塊與上部橫梁（用10#槽鋼加工而成）焊接，橫梁上中部安裝振力900kg、振幅15cm的2.2kw振搗器一臺(tái)；為了保證橫梁整體性和減少振力的損耗，提高振動(dòng)梁的振搗效果，用 φ 20鋼筋加工成加強(qiáng)梁，與橫梁焊接?！半p滾筒式振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)示意圖”見圖3。

圖3 雙滾筒式振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)示意圖

（3）斜直段牽引式滑動(dòng)模板加工

斜直段混凝土澆筑采用卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引滑動(dòng)模板施工?；ｉL(zhǎng)4.2m，寬60cm，選用8m m厚鋼板及∠70×70的角鋼組焊而成；填料口與模板成45°角，上部中間設(shè)吊環(huán)用鋼絲繩與卷?yè)P(yáng)機(jī)連接；模板上部設(shè)有操作平臺(tái)?！盎瑒?dòng)模板組合機(jī)具圖”見圖4。

圖4 滑動(dòng)模板組合機(jī)具圖

3.5 現(xiàn)澆混凝土襯砌施工

（1）現(xiàn)澆弧形段混凝土

根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，在土工布上將弧形段滑道固定好，將砼入倉(cāng)內(nèi)，用人工進(jìn)行平整；起動(dòng)雙滾筒振動(dòng)梁，在滑道上來(lái)回拖動(dòng)，速度要慢而穩(wěn)，振過一兩遍后要認(rèn)真補(bǔ)平缺料部位，保證砼將液飽滿、表面平整；用人工將面層壓實(shí)趕光，必須保證原漿作業(yè)。

（2）現(xiàn)澆斜直段混凝土

首先將斜直段滑道與弧形段滑道連接固定，卷?yè)P(yáng)機(jī)在渠頂適當(dāng)位置錨固就位，將滑動(dòng)模板安放在滑道下部。機(jī)具就位后，給滑模中填裝混凝土，第一次將料填滿，用插入式振搗器認(rèn)真振搖，之后要控制滑模的提升高度，每次為滑模寬度的1/3，振搗時(shí)要將捧頭插入下層10cm左右，防止施工縫銜接不良。注意，提升滑模時(shí)要緩慢均勻，防止混凝土斷裂。面層隨打隨抹，原漿作業(yè)。

（3）伸縮縫施工

一序板施工時(shí)，在混凝土澆筑完畢后，將固定弧形段滑道的2cm厚隔板取出，用聚氯乙烯膠泥填塞縱縫下部，上部用1∶1∶4瀝青水泥砂漿封填，隨整體面層壓實(shí)趕光；橫縫在二序板施工時(shí)，將準(zhǔn)備好的2cm厚、10cm寬聚氯乙烯膠泥板固定在一序板的側(cè)緣，隨二序板的混凝土施工一次成型。

4 工程效益

沈家河干渠改造前，淤積厚度達(dá)1-1.5m，每年清淤1-2次，耗資近24萬(wàn)元。目前改造后干渠的挾沙淤積能力明顯減少，弧形底梯形渠比梯形渠減少淤積量提高2倍左右，尤其是小流量運(yùn)行優(yōu)勢(shì)更大；改造后，年節(jié)約清淤費(fèi)用3萬(wàn)多元，東干渠渠系水利用系數(shù)提高了1.83%，年節(jié)約水方50萬(wàn)m3，年節(jié)約水費(fèi)15萬(wàn)元；干渠全部防滲后，年節(jié)約清淤費(fèi)用20多萬(wàn)元，年節(jié)約水量140萬(wàn)m3，年減少水費(fèi)支出42萬(wàn)元。

施工工藝的改進(jìn)，不僅提高了工程進(jìn)度，而且保證了工程質(zhì)量；原漿收面不僅提高了渠道的外觀質(zhì)量，而且提高了渠道的抗沖刷能力，降低了渠道糙率系數(shù)；雙滾筒振動(dòng)梁不僅創(chuàng)新了施工工藝，而且探索出了一條大型渠道施工的新路子，節(jié)省工程施工費(fèi)用約5萬(wàn)元/km。

5 結(jié) 語(yǔ)

固原市原州區(qū)屬于黃土丘陵干旱山區(qū)，水資源缺乏，干旱缺是水嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要因素，而農(nóng)業(yè)灌溉用水量占全區(qū)總用水量的90%以上，因此大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)，提高灌溉水利用效率是緩解我區(qū)水資源供需矛盾的必由之路。水庫(kù)灌區(qū)改造中渠系配套工程占重要部分，渠道砌護(hù)防滲工程技術(shù)，是節(jié)水灌溉技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，原州區(qū)水庫(kù)灌區(qū)已建成混凝土梯形、弧形底梯形斷面、U形等形式的支、斗、農(nóng)渠防滲工程，為灌區(qū)節(jié)水發(fā)揮了巨大作用，通過實(shí)踐應(yīng)用過程和調(diào)查中總結(jié)出弧形底梯形，不論從力學(xué)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，還是設(shè)計(jì)、施工技術(shù)和運(yùn)行管理方面，詳細(xì)研究了各種襯砌渠道在凍脹作用下的受力狀態(tài)進(jìn)行比較，干支渠采用弧形底梯形渠斷面形式是最佳斷面，從設(shè)計(jì)到施工技術(shù)已經(jīng)成熟，近幾年已在原州區(qū)水庫(kù)灌區(qū)改造配套中進(jìn)行推廣應(yīng)用，深受廣大用水戶贊同，渠道工程節(jié)水效益明顯。

［1］寧夏灌區(qū)支斗農(nóng)渠襯砌定型圖集［M］.寧夏人民出版社，2010.

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：1672-2469（2015）03-0067-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.024

張軍明（1965年—），男，高級(jí)工程師。