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        山東聊城位山灌區(qū)干渠防滲工程設(shè)計分析

        2020-06-08 09:10:00郎言豹
        陜西水利 2020年1期

        郎言豹,張 元,張 偉

        (山東省聊城市位山灌區(qū)管理處,山東 聊城 252000)

        自新中國成立以來,我國修建了大量的引水灌區(qū),促進了當?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展、提高了農(nóng)民的收入、也對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境起到了一定的改善作用。引水渠道是灌區(qū)的“血管”[1],是將水資源輸送至農(nóng)田的重要水利建筑物,影響灌區(qū)水資源的利用效率[2-3]。在使用過程中,引水渠道會發(fā)生破損,降低了水資源利用率,造成水資源嚴重浪費,引水渠道改造工程是確保引水干渠長期高效運行的重要手段[4],而渠道改造工程設(shè)計需要合理選擇渠道斷面型式[5-6]、襯砌結(jié)構(gòu)[7-8],并在寒冷地區(qū)考慮凍脹[9-10]的影響。

        本文結(jié)合位山灌區(qū)節(jié)水配套改造項目,從干渠渠道斷面型式和襯砌設(shè)計方案兩方面探討分析渠道防滲問題。

        1 灌區(qū)概況

        位山灌區(qū)始建于1958年,并于1981年進行了改建。黃河水為位山灌區(qū)主要的水資源來源,設(shè)計灌溉面積36萬hm2,其中有效灌溉面積為34.4萬hm2。改建后位山灌區(qū)渠首的引水流量為240 m3/s,有東西兩個渠道,其中東渠引水流量為80 m3/s。目前,位山灌區(qū)正在進行節(jié)水改造工程,主要是對已有結(jié)構(gòu)的襯砌改造,提升防滲效果,截至目前,共襯砌渠道247.2 km,其中干渠139.7 km,分干87.2 km,支渠20.3 km,引黃濟津襯砌67 km。干渠襯砌率為:50.98%,灌溉保證率為50%,田間工程配套率91%,排澇達標率94%;灌溉水利用系數(shù)0.54,節(jié)水灌溉面積率73%。

        2 渠道改造工程設(shè)計

        2.1 斷面型式比選

        引水渠道改造工程設(shè)計需要全面考慮原有渠道特征,選取水力條件好、耐沖刷、抗凍脹能力強的橫斷面。

        根據(jù)位山灌區(qū)渠道特點,設(shè)計渠道縱坡降為1/6000(地面自然坡降),斷面型式有3種:直立墻式斷面、梯形斷面、弧形底梯形斷面。其中:直立墻式斷面占地面積最小,但邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較低;梯形斷面具備水力條件好、抗沖刷能力強、施工簡便等優(yōu)點,但占地面積較大;弧形底梯形斷面上口較窄,占地面積介于直立墻式和梯形斷面之間,缺點也較為明顯,水流速度快、沖刷力強,施工難度較高。由于渠道周圍農(nóng)田較多,占地費用相對較低,采用梯形斷面作為渠道斷面型式,優(yōu)勢較為明顯。設(shè)計渠道渠底寬為2.0 m,左堤堤頂寬2.0 m,內(nèi)邊坡系數(shù)為1∶2.0,外邊坡系數(shù)為1∶1.5,設(shè)計水深為1.45 m,安全加高為0.55 m,渠道總高2.0 m。設(shè)計渠道左堤斷面示意圖見圖1。

        圖1 梯形斷面示意圖

        2.2 渠道襯砌方案比選

        現(xiàn)狀渠道設(shè)計灌溉流量為2.0 m3/s,加大設(shè)計流量為2.6 m3/s。由于設(shè)計流量、加大流量值均較小,可不考慮糙率系數(shù)較大的漿砌卵石襯砌,渠道全斷面可采用混凝土襯砌?,F(xiàn)有兩種方案進行對比:(1)全斷面現(xiàn)澆混凝土襯砌;(2)M10砂漿砌筑預制混凝土板+土工布。兩種方案對比見表1。

        表1 兩種渠道斷面襯砌方案對比

        從表1可以看出,采用方案二:M10砂漿砌筑預制混凝土板+土工布具有工程投資低、維護簡便、工期短、抗凍脹能力強等特點,綜合考慮,采用方案二作為位山灌區(qū)干渠襯砌方案。

        3 凍脹計算及處理措施

        3.1 凍脹計算

        3.1.1 模型建立及參數(shù)選取

        根據(jù)渠道斷面建立數(shù)值模擬模型,渠道底寬2 m,高2 m,邊坡系數(shù)為1∶1.5~1∶2.0。使用C25混凝土襯砌,襯砌厚度6.0 cm。地下水與渠道底板距離為0.20 m。依據(jù)臨沂冬季環(huán)境氣候特征設(shè)計溫度場。

        表2 凍土彈性模量

        表3 巖土體及襯砌材料參數(shù)

        3.1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

        (1)位移分析

        根據(jù)數(shù)值模擬模型,研究渠道襯砌結(jié)構(gòu)法向凍脹變形量在不同區(qū)域的分布特征,結(jié)果見圖2。由圖2可知,在渠底,襯砌結(jié)構(gòu)法向凍脹變形量最大值位于渠底中部,為2.2 mm。渠坡部位,最大變形量發(fā)生于距離渠底垂直距離約0.67 m處,此處最大法向凍脹變形量為5.4 mm。

        圖2 渠道襯砌結(jié)構(gòu)法向凍脹量分布圖

        (2)應力分析

        由于凍脹作用在渠道襯砌結(jié)構(gòu)中形成兩個方向作用力:法向凍脹力和切向凍脹力。

        1)法向凍脹力

        由于凍脹作用形成的垂直于襯砌結(jié)構(gòu)的應力稱之為法向凍脹力,沿襯砌結(jié)構(gòu)展開方向,法向凍脹力分布情況見圖3,由圖可知,渠底與渠坡連接部位法向凍脹力最大,左、右兩側(cè)差值主要是由于光照因素的影響,渠底中部為法向凍脹力最小的部位,向兩側(cè)擴展,法向凍脹力逐漸增大。

        圖3 襯砌結(jié)構(gòu)展開法向凍脹力分布圖

        2)切向凍脹力

        由于凍脹作用形成的平行于襯砌結(jié)構(gòu)的應力稱之為切向凍脹力,沿襯砌結(jié)構(gòu)展開方向,切向凍脹力分布情況見圖4,由圖可知,切向凍脹力在渠道左側(cè)主要為拉應力,在渠道右側(cè)為壓應力,左、右兩側(cè)渠坡與渠底接觸部位切向應力最大,切向凍脹力在襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)呈線性分布。

        圖4 襯砌結(jié)構(gòu)展開切向凍脹力分布圖

        根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知,渠底和渠坡接觸部位為凍脹應力集中區(qū),在進行渠道施工時,應當重點注意對該部位施工質(zhì)量的控制。

        3.2 抗凍脹措施

        根據(jù)3.1研究結(jié)果可知,在凍脹作用下,渠道襯砌材料沿著法向方向會產(chǎn)生約5.0 mm的凍脹變形量,因此,需要采取相應的措施防止因凍脹變形導致渠道的整體破壞。

        (1)沿著渠道輸送水流方向,在渠道邊坡與齒板接觸部位布置伸縮縫(左、右渠坡均需布置1條);同時在封頂板與渠道邊坡接觸部位布置1條伸縮縫。

        (2)渠底齒墻間隔10 m布置一條伸縮縫,設(shè)計縫寬為2 cm,內(nèi)部采用高壓聚乙烯塑料板充填。同時,在渠坡布置與水泵輪廓一樣的橫向收縮縫,伸縮縫寬2 cm,充填材料為高壓聚乙烯塑料板并使用瀝青砂漿封縫。

        4 結(jié)論

        (1)通過位山灌區(qū)渠道改造工程,探討該灌區(qū)干渠的防滲形式和襯砌方法。通過方案比選,確定渠道采用梯形斷面,用“M10砂漿砌筑預制混凝土板+土工布”作為渠道防滲襯砌方案,較為符合當?shù)氐膶嶋H。

        (2)使用數(shù)值模擬方法研究襯砌結(jié)構(gòu)在冬季的凍脹變形量和凍脹應力,最大凍脹變形量為5.4 mm,最大凍脹應力位于渠坡與渠底接觸部位。通過設(shè)計收縮縫降低渠道凍脹的影響。

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