陸偉剛，姚天雯，尹靈艷，徐 波

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引 言

農(nóng)田灌溉渠系作為田間地頭的“毛細(xì)血管”，是當(dāng)前的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的重要組成部分，由于涉及面廣，渠道的斷面、襯砌方式和材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致工程投資的浪費(fèi)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。針對(duì)上述問題，國內(nèi)外水利工程專家進(jìn)行了廣泛研究。

目前，矩形渠道具有占地面積小、適用范圍廣、工期短等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)田水利基本建設(shè)中仍有重要地位。在矩形渠道的斷面計(jì)算上，趙延風(fēng)[1,2]通過對(duì)矩形斷面明渠均勻流水力計(jì)算公式進(jìn)行恒等變形，得到渠道水深與底寬的直接計(jì)算公式，又簡化了矩形渠道收縮斷面水深的基本方程，得到無量綱水深迭代方程，為特殊工況下的矩形渠道斷面水深計(jì)算提供了新的思路；同時(shí)趙瑞娟[3]、于佳[4]分別對(duì)矩形斷面的流速分布及矩形渠道半圓柱形量水槽做了數(shù)學(xué)分析。而關(guān)于矩形渠道斷面及渠道襯砌材料的研究主要集中在新型防滲材料的應(yīng)用及襯砌材料的經(jīng)濟(jì)性上。何武全[5]論述了目前我國渠道襯砌與防滲技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展方向。李波等[6]介紹了應(yīng)用于灌區(qū)渠道的三種生態(tài)襯砌的方法及其應(yīng)用前景。張文淵[7]結(jié)合江蘇省節(jié)水改造的工程經(jīng)驗(yàn)，研究了渠道進(jìn)行混凝土襯砌后所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。Prabhata K. Swamee[8]提出了最低襯砌成本下矩形及梯形渠道的斷面設(shè)計(jì)方法。岳小松[9]具體針對(duì)土地整理項(xiàng)目中出現(xiàn)的梯形、U型、矩形三種渠道斷面，進(jìn)行了現(xiàn)澆、預(yù)制、磚砌等五種襯砌方案的比選設(shè)計(jì)，通過每米渠道單價(jià)的對(duì)比，得出耕地項(xiàng)目中可優(yōu)先選用的襯砌渠道種類。楊謝蕓[10]等對(duì)混凝土渠道的施工方案也做了相關(guān)研究。

從上述分析可以看出，矩形渠道的研究內(nèi)容較為豐富，但在襯砌材料的經(jīng)濟(jì)性研究上，矩形渠多作為一個(gè)比較類別出現(xiàn)，與其他斷面形式渠道的橫向?qū)Ρ容^多，缺少矩形渠自身襯砌材料的比選研究。而矩形渠在末級(jí)渠道建設(shè)中應(yīng)用仍十分廣泛，因此本文主要研究小型混凝土矩形渠襯砌材料的選擇，在滿足結(jié)構(gòu)受力要求的基礎(chǔ)上給出了材料比選設(shè)計(jì)的方法，并運(yùn)用到江蘇省小型灌溉渠道的設(shè)計(jì)中，提出了不同側(cè)墻高度下農(nóng)田小型混凝土矩形渠襯砌材料的選用建議，為矩形渠道襯砌材料的選擇提供參考。

1 比選設(shè)計(jì)方法

本文討論的矩形渠是一種側(cè)墻與底板整體連接的矩形斷面槽型建筑物[11]，主要適用于平原地區(qū)小型農(nóng)田水利灌溉工程，填土高程考慮與渠頂齊平，渠道深度一般較淺，地下水位較低，故不考慮地下水的影響，渠道尺寸示意圖如圖1所示。本文荷載計(jì)算原則及混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算系數(shù)均按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL191-2008確定。

H-側(cè)墻高度，D1-側(cè)墻厚度，D2-底板厚度。圖1 渠道斷面示意圖Fig.1 Canal Section Diagram

1.1 內(nèi)力計(jì)算

1.1.1 側(cè)墻內(nèi)力計(jì)算

側(cè)墻內(nèi)力按底端固結(jié)的懸壁板受彎構(gòu)件計(jì)算，混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不考慮墻身的自重作用。完建期側(cè)墻僅受墻后土壓力作用，墻后土壓力對(duì)側(cè)墻底端的彎矩設(shè)計(jì)值為M1，此時(shí)側(cè)墻底部截面彎矩值Mq=M1；運(yùn)行工況下，側(cè)墻受墻后土壓力與渠道內(nèi)水壓力共同作用，渠道內(nèi)水壓力對(duì)側(cè)墻底端的彎矩設(shè)計(jì)值為M2，此時(shí)(側(cè)墻底部截面彎矩值)M′q=M1+M2。

1.1.2 底板內(nèi)力計(jì)算

底板按受彎構(gòu)件計(jì)算。完建期作用于渠道底板的荷載包括：底板自重(方向朝下)、地基反力(方向朝上)的均布荷載和兩端側(cè)墻自重為P的集中荷載。考慮到底板自重與其產(chǎn)生的地基反力相抵消，故在計(jì)算地基反力時(shí)底板自重可不計(jì)，同時(shí)在內(nèi)力計(jì)算時(shí)也不考慮底板自重的作用。即作用于底板上的均布荷載可只計(jì)向上作用的地基反力q2。根據(jù)截面法，由式(1)、(2)可分別算得完建期底板端部的截面彎矩Md及跨中截面彎矩Mz：

(2)

式中：B為渠口寬度；D1為渠道側(cè)墻厚度。

運(yùn)行期作用于渠道底板的荷載包括：底板自重(方向朝下)、渠內(nèi)水重(方向朝下)、地基反力(方向朝上)和兩端自重為P的集中荷載。與完建期相同，作用于底板上的均布荷載可只計(jì)向下作用的槽內(nèi)水重q′1及向上作用的地基反力q′2。運(yùn)行期底板端部的截面彎矩M′d及跨中截面彎矩M′z按式(3)、(4)計(jì)算：

(4)

1.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

1.2.1 素混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算

素混凝土矩形渠的側(cè)墻及底板厚度可根據(jù)矩形截面純彎構(gòu)件的正截面承載力公式得：

(5)

式中：K為承載力安全系數(shù)；M為彎矩設(shè)計(jì)值，N·mm；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；b為矩形截面寬度，mm；γm為截面抵抗矩塑性系數(shù)。

1.2.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算

鋼筋混凝土矩形渠道的計(jì)算內(nèi)容是根據(jù)擬定的截面尺寸，進(jìn)行側(cè)墻及底板截面承載能力極限狀態(tài)計(jì)算。

鋼筋混凝土矩形渠在進(jìn)行配筋計(jì)算時(shí)，側(cè)墻、底板均按照受彎構(gòu)件正截面承載能力極限狀態(tài)計(jì)算公式(6)(7)，解得需配的鋼筋面積 。

(6)

fcbx=fyAs

(7)

式中：K為承載力安全系數(shù)；M為彎矩設(shè)計(jì)值，N·mm；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)值；fy為鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；As為縱向受拉鋼筋的截面面積，mm2；h0為截面有效高度，mm；b為計(jì)算截面的寬度，取單位寬度1 000 mm。

1.3 材料費(fèi)用計(jì)算

考察渠道的造價(jià)可發(fā)現(xiàn)，同一規(guī)格矩形渠道的人工費(fèi)、施工機(jī)械使用費(fèi)等差別不大，影響同種規(guī)格渠道造價(jià)的主要因素是材料費(fèi)用，在滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的情況下，材料費(fèi)越省則造價(jià)越低[12]。

對(duì)照矩形渠側(cè)墻內(nèi)力計(jì)算公式，可知側(cè)墻的受力情況以及結(jié)構(gòu)計(jì)算與渠道寬B無關(guān)，而與渠道側(cè)墻高H及墻內(nèi)水深h有關(guān)；再分析底板內(nèi)力計(jì)算公式，底板彎矩主要決定于側(cè)墻底端彎矩，同樣與側(cè)墻高度關(guān)系較大。因此本文以渠道側(cè)墻高度的變化為主，不同側(cè)墻高度選取常見的幾種底板寬度與之對(duì)應(yīng)，由結(jié)構(gòu)計(jì)算得到不同襯砌材料的渠道尺寸，然后結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄖ牧现笇?dǎo)價(jià)，對(duì)比得出不同側(cè)墻高度矩形渠經(jīng)濟(jì)的襯砌材料類型。具體比選設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 矩形渠襯砌材料比選流程圖Fig.2 Flow Chart of comparison and selection in rectangular canal lining material

2 工程應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)江蘇省小型農(nóng)田渠道灌溉工程中常見的小型渠道實(shí)際斷面尺寸，本文選取側(cè)墻高度為0.6～1.2 m的矩形渠道進(jìn)行襯砌材料經(jīng)濟(jì)比選設(shè)計(jì)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算公式(考慮渠道安全超高為0.2 m)可求得各型號(hào)矩形渠在不同工況下側(cè)墻、底板內(nèi)力，具體結(jié)果如表1所示。

分析表1中計(jì)算結(jié)果可知，側(cè)墻、底板的完建期為最不利工況，底板最大彎矩為端彎矩且底板寬度對(duì)底板端彎矩的影響較小?？紤]到鋼筋混凝土耐久性的要求，二類環(huán)境下混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)為C25，故混凝土型號(hào)選用C25、C30；素混凝土受彎構(gòu)件承載力安全系數(shù)K取2.0，根據(jù)式(5)進(jìn)行不同襯砌材料的渠道結(jié)構(gòu)計(jì)算，具體結(jié)算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》GB/T50600-2010的相關(guān)規(guī)定，本文所計(jì)算的渠道處于溫和環(huán)境，混凝土渠道防滲層最小厚度是4 cm，鋼筋混凝土防滲層的最小厚度是7 cm[13]。分析表2中側(cè)墻、底板厚度計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)渠道側(cè)墻高度小于0.8 m時(shí)，C25、C30混凝土用量相同，顯然C25型號(hào)的混凝土更節(jié)省投資；當(dāng)渠道高為0.9 m時(shí)，配筋僅能降低少許C25素混凝土側(cè)墻的襯砌用量，故不進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。當(dāng)渠道側(cè)墻高度大于等于1.0 m的時(shí)，素混凝土矩形渠道側(cè)墻、底板厚度均大于7 cm，這時(shí)可通過配筋減小側(cè)墻、底板厚度以節(jié)約工程造價(jià)。因此，對(duì)側(cè)墻高度小于0.8 m的渠道，可直接選擇C25素混凝土襯砌；對(duì)于側(cè)墻高度大于0.8 m的渠道進(jìn)行素混凝土襯砌材料經(jīng)濟(jì)比選，其中側(cè)墻高度大于1.0 m的渠道還需加入配筋設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選。考慮渠道斷面較小，本文配筋設(shè)計(jì)中取混凝土厚度為7 cm，鋼筋間距為200 mm，根據(jù)受彎構(gòu)件的結(jié)構(gòu)計(jì)算公式進(jìn)行配筋計(jì)算，各渠道配筋結(jié)果如表3所示。

表1 渠道側(cè)墻、底板內(nèi)力計(jì)算表Tab.1 Calculation of internal force of side walls and floors

由此得到各型號(hào)矩形渠的結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)材料單價(jià)參照《江蘇省2015年1-12月份建設(shè)工程材料指導(dǎo)價(jià)》，預(yù)拌混凝土(普通)的指導(dǎo)價(jià)：C25用387 元/m3，C30用398 元/m3，HPB235采用3 220 元/t，HRB335采用3 010 元/t，可計(jì)算出單位長度渠道的材料費(fèi)用表，具體見表4。

由表4可知，側(cè)墻高大于1.2m時(shí)，可通過配筋實(shí)現(xiàn)降低材料費(fèi)用的目的。側(cè)墻高度為0.9～1.1m時(shí)，仍是采用C30素混凝土的襯砌方式材料費(fèi)較低。

表2 不同襯砌材料側(cè)墻及底板厚度計(jì)算表Tab.2 Thickness calculation of side walls and floors in different lining materials

表3 配筋計(jì)算結(jié)果表Tab.3 Reinforcement design of rectangular canals

表4 單位長度混凝土矩形渠材料費(fèi)用計(jì)算表Tab.4 Calculation of material cost for concrete rectangular channel with unit length

注：表中Φ6和Φ8鋼筋的重量分別按照0.222 kg/m，0.395 kg/m計(jì)算。

3 結(jié) 語

針對(duì)目前農(nóng)田灌溉渠系整理項(xiàng)目中出現(xiàn)的各級(jí)混凝土矩形渠道型號(hào)繁多、襯砌材料使用雜亂的現(xiàn)象，本文研究了不同規(guī)格矩形渠常見襯砌材料的比選方法，并應(yīng)用到江蘇省小型灌溉渠道的設(shè)計(jì)中，取得了如下結(jié)論：

(1)計(jì)算了小型矩形渠道側(cè)墻、底板的內(nèi)力，分析得到渠道內(nèi)力計(jì)算時(shí)完建期為最不利工況，且側(cè)墻與底板的最大彎矩主要與側(cè)墻高度有關(guān)。

(2)根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，按矩形渠道側(cè)墻高度變化計(jì)算了不同型號(hào)矩形渠在C25、C30素混凝土以及C25鋼筋混凝土三種不同襯砌材料下的結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)合江蘇省建筑材料單價(jià)，計(jì)算得到了單位長度各襯砌材料所需的材料費(fèi)。

(3)總結(jié)出側(cè)墻高度與襯砌材料之間的選用關(guān)系，推薦了小型混凝土渠道襯砌材料的選擇方法：側(cè)墻高度小于0.8 m適宜選擇C25素混凝土襯砌；側(cè)墻高度在0.9～1.1 m之間時(shí)，C30素混凝土材料費(fèi)更低；當(dāng)側(cè)墻高度大于1.2 m時(shí)，選擇C25鋼筋混凝土的襯砌方式更為經(jīng)濟(jì)。

□

[1] 趙延風(fēng)，張寬地，蘆 琴．矩形斷面明渠均勻流水力計(jì)算的直接計(jì)算公式[J]．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008,(9)：224-228．

[2] 趙延風(fēng)，洪安宇，王正中．基于公式覆蓋度的矩形渠道收縮斷面水深計(jì)算[J]．人民長江，2016,(6)：92-94．

[3] 于 佳，呂宏興．矩形渠道半圓柱形量水槽數(shù)值模擬研究[J]．節(jié)水灌溉，2010,(8)：8-10．

[4] 趙瑞娟，劉鴻濤，呂宏興．矩形斷面渠道流速分布與測(cè)流方法探討[J]．人民黃河，2008,(3)：33-34．

[5] 何武全，劉群昌．我國渠道襯砌與防滲技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]．中國農(nóng)村水利水電，2009,(6)：3-6．

[6] 李 波，洪 林，李瑞鴻，等．渠道生態(tài)襯砌技術(shù)及其應(yīng)用前景[J]．節(jié)水灌溉，2010,(10)：64-65,71．

[7] 張文淵，李曉琴．灌溉渠道防滲處理經(jīng)濟(jì)分析[J]．節(jié)水灌溉，2001,(1)：25-26．

[8] Swamee, P.K.，Mishra, G.C.，Chahar, B.R．Comprehensive Design of Minimum Cost Irrigation Canal Sections[J]．Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2000，126(5)：322-327．

[9] 岳小松．土地整治項(xiàng)目灌溉渠道襯砌方案經(jīng)濟(jì)比選研究[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016(30)：236-238,254．

[10] 楊謝蕓，簡興昌，李 靜．南水北調(diào)中線工程大型渠道混凝土施工方案選擇[J]．人民長江，2010(16)：75-76,93．

[11] 熊啟鈞．灌區(qū)建筑物的混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算[M]．北京：中國水利水電出版社，2011．

[12] 尹靈艷．矩形渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D]．江蘇揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2016．

[13] GB/T50600-2010，渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范[S]．