孫 艾

(丹東市水務(wù)服務(wù)中心，遼寧 丹東 118000)

灌區(qū)工程建設(shè)是一項(xiàng)重要的民生工程，也是一項(xiàng)重要的生態(tài)改善工程。隨著近年來我國水利建設(shè)步伐的加快，各大水利樞紐灌區(qū)建設(shè)也越來越發(fā)達(dá)。灌區(qū)建設(shè)涵蓋水庫、渠道、農(nóng)田、耕作物，是一個(gè)綜合體[1]。水庫為灌區(qū)提供了重要的水源，是灌區(qū)的能量來源；渠道是能量的輸送通道；田地、耕植物則是能量的目的地。渠道作為水源運(yùn)輸?shù)闹匾蛩厥枪鄥^(qū)引水灌溉項(xiàng)目的關(guān)鍵一環(huán)。引水渠道具備長度大、防滲要求高等特點(diǎn)。引水渠道的建設(shè)直接關(guān)系到灌區(qū)工程建設(shè)的使用效果。引水渠道的長距離建設(shè)勢必會(huì)遇到復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件和外部建設(shè)場地的變化。目前，在灌區(qū)引水渠道建設(shè)中遇到的主要問題為：渠道基礎(chǔ)強(qiáng)度不足[2-3]、防滲不滿足要求[4-5]、渠道自身強(qiáng)度較低[6]以及渠道開挖的基坑穩(wěn)定性較低[7-8]等，在寒區(qū)還需考慮混凝土的凍融強(qiáng)度降低問題[9-10]。

1 灌區(qū)基本情況及渠道建設(shè)的問題

1.1 遼寧灌區(qū)基本情況

截至2011年底，遼寧省共有灌區(qū)45 628處，有效澆灌面積為32.38萬hm2，其中大型灌區(qū)11處，中型灌區(qū)67處，其余均為小型灌區(qū)。這些灌區(qū)分布在遼寧省不同區(qū)域，灌區(qū)基本條件各不相同。

1.2 引水渠道建設(shè)存在的問題

目前，寒區(qū)灌區(qū)引水渠道建設(shè)中經(jīng)常遇到的問題為：渠道地基凍脹作用強(qiáng)烈造成渠道底部開裂破壞、渠道開挖基坑破壞和渠道襯砌難以滿足防滲要求等。

2 引水設(shè)計(jì)方案研究

針對(duì)寒區(qū)引水渠道建設(shè)過程中所遇到的問題，在渠道設(shè)計(jì)時(shí)采用針對(duì)性的措施，保證在施工和后期的生產(chǎn)過程中引水渠道具備較高的可靠度。擬從渠道抗凍、渠道斷面設(shè)計(jì)、渠道開挖基坑穩(wěn)定性以及渠道襯砌四個(gè)方面對(duì)渠道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析。以遼寧省某灌區(qū)為例對(duì)灌區(qū)引水渠道方案設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。該灌區(qū)渠道設(shè)計(jì)方案如下：該灌區(qū)引水渠道的斷面設(shè)計(jì)為底板凈寬度0.8 m，引水渠凈深為0.8 m，渠道側(cè)墻的坡比為1∶1.25，設(shè)計(jì)邊墻和底板厚度為0.1 m，引水渠道使用C25混凝土進(jìn)行澆筑。結(jié)合引水渠道選址的工程條件設(shè)計(jì)的防凍措施如下：采取增加板膜復(fù)合結(jié)構(gòu)、增設(shè)伸縮縫、渠基土置換、加設(shè)苯板保溫結(jié)構(gòu)的防凍脹措施。

2.1 引水渠道基礎(chǔ)抗凍設(shè)計(jì)

巖土體凍脹特性主要是由于巖土體中存在水分子造成的，在凍結(jié)作用下，液態(tài)水變?yōu)楣虘B(tài)冰是巖土體凍脹的最主要原因，巖土體顆粒自身的體積變化與水結(jié)冰后的體積變化相比可以忽略不計(jì)。

因此，在渠道基礎(chǔ)抗凍設(shè)計(jì)中，首先需要根據(jù)建設(shè)地的設(shè)計(jì)凍深，確定可能發(fā)生凍脹土的范圍。目前，常用的凍脹土處理方式有四種：(1)換填，使用非凍脹土對(duì)凍脹性土進(jìn)行更換。(2)抗凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用剛性結(jié)構(gòu)或者柔性結(jié)構(gòu)。(3)保溫措施，采用合適的材料對(duì)渠底及邊墻巖土體進(jìn)行保溫。(4)排水，在水渠渠底加設(shè)排水溝。

由于該灌區(qū)引水渠道較長，針對(duì)渠道建設(shè)過程中的工程條件的變化，應(yīng)當(dāng)采取多種防凍措施。本次引水渠道防凍設(shè)計(jì)選擇了以上四種防凍措施。

2.2 渠道斷面形式設(shè)計(jì)

水渠斷面形式包括半圓形、梯形和矩形。在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，半圓形斷面的使用較少，主要因?yàn)椋喊雸A形斷面達(dá)到相同的過流斷面需要更多的占地面積；半圓形斷面施工難度大，兩側(cè)開挖基坑的穩(wěn)定性較低；半圓形斷面的寬淺形態(tài)導(dǎo)致其縱向的抗彎剛度小，自身強(qiáng)度較差。

在相同的底板寬度和渠深設(shè)計(jì)的情況下，梯形斷面與矩形斷面相比具有更大的過水?dāng)嗝婷娣e如圖1所示。當(dāng)梯形斜坡坡比為X，渠道凈深為H時(shí)，相同高度、相同底寬的情況下，梯形斷面的面積比矩形斷面面積大H2/X。同時(shí)梯形斷面開挖基坑穩(wěn)定性較好，易于采取各種形式的襯砌。

2.3 渠道開挖基坑穩(wěn)定性分析

針對(duì)不同形式的斷面使用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行渠道開挖過程中基坑穩(wěn)定性分析。擬采用FLAC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，F(xiàn)LAC軟件為一款有限元分析軟件，具有建模簡單，運(yùn)算效率高的特點(diǎn)。

建立模型長為10 m，高為5 m，厚為10 m，按照設(shè)計(jì)的引水渠道斷面形式進(jìn)行開挖處理，使用分級(jí)開挖的方式進(jìn)行開挖，共進(jìn)行兩步開挖分析，第一步開挖高度為0.4 m，第二步開挖高度為0.5 m，共開挖0.9 m。參數(shù)選取根據(jù)巖土工程勘察過程中的巖土體參數(shù)進(jìn)行選取。模型建立如圖2所示，計(jì)算分組從上至下依次表示第一步開挖、第二步開挖以及未開挖部分。

圖2 FLAC計(jì)算模型

數(shù)值模擬分兩步開挖，第一步開挖計(jì)算結(jié)果如圖3(a)所示，可知，開挖后最大位于位于基坑頂部，但變形相對(duì)較小，此時(shí)，基坑穩(wěn)定性系數(shù)為1.20。第二步開挖后計(jì)算結(jié)果見圖3(b)，可知，第二步開挖后位移明顯增大，最大位移位于基坑頂部，此時(shí)基坑穩(wěn)定性系數(shù)為1.15，兩步開挖后基坑穩(wěn)定性系數(shù)均滿足要求。因此，基坑設(shè)計(jì)較為合理，滿足要求。

圖3 基坑開挖后位移云圖

2.4 渠道襯砌設(shè)計(jì)

2.4.1 襯砌材料選擇

目前常用的襯砌材料包括土料、水泥土、砌石、防滲膜、混凝土及鋼筋混凝土等。不同材料的防滲參數(shù)如表1所示。

表1 不同材料防滲參數(shù)

通過對(duì)比不同襯砌材料的防滲效果以及工程造價(jià)，選取現(xiàn)澆混凝土作為襯砌材料，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C25。

2.4.2 襯砌施工工藝要點(diǎn)

基坑開挖后應(yīng)注意開挖土石方堆砌位置，避免堆放在開挖基坑旁邊，施加荷載造成基坑失穩(wěn)破壞。混凝土澆筑時(shí)，應(yīng)當(dāng)連續(xù)澆筑，避免混凝土澆筑過程中存在較大的時(shí)間間隔，若由于特殊原因?qū)е率┕らg隔過長時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照規(guī)范要求進(jìn)行施工縫的處理，混凝土應(yīng)當(dāng)振搗充分，避免過振或少振，同時(shí)模板應(yīng)當(dāng)在混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求時(shí)方可拆除?；炷帘砻鎽?yīng)該達(dá)到光滑的水平，按照需要可進(jìn)行多次抹面。

3 結(jié) 論

(1)以遼寧省灌區(qū)引水渠道建設(shè)為例，分析了寒區(qū)灌區(qū)引水渠道建設(shè)工程遇到的相關(guān)問題：地基凍脹、渠道滲漏、開挖基坑失穩(wěn)等。

(2)以寒區(qū)某灌區(qū)為例，研究了灌區(qū)引水渠道設(shè)計(jì)方案。針對(duì)地基凍脹問題提出了4種抗凍措施包括：換填、排水、保溫、抗凍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(3)從基坑開挖穩(wěn)定性和過流斷面流量方面選擇了梯形斷面作為引水渠道設(shè)計(jì)斷面形式。使用數(shù)值模擬的方法對(duì)基坑開挖后的穩(wěn)定性情況進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)基坑穩(wěn)定性較好。