張辛洋

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 114000)

1 工程背景

東港灌區(qū)位于遼寧省丹東市的西南部，地處鴨綠江和大洋河的下游、黃海沿岸。灌區(qū)的總控制面積為1352km2，其中耕地面積為6.996萬hm2，由于灌區(qū)雨量豐富，溫度適宜，土質(zhì)肥沃，是遼寧丹東地區(qū)的稻米主產(chǎn)區(qū)[1]。目前，灌區(qū)內(nèi)有各型水庫17座、提水站59座，已建成鐵甲和友誼主干渠2條、總長度為72.1km，共有分干渠11條、總長度85.85km，支渠233條、總長333.28km。有效灌溉面積3.83萬hm2，實際灌溉面積3.71萬hm2[2]。由于灌區(qū)已經(jīng)運行了幾十年，工程老化失修現(xiàn)象比較嚴重，不僅導(dǎo)致水資源浪費比較嚴重，灌溉的供水質(zhì)量也難以有效保證。因此，灌區(qū)開始實施續(xù)建配套和改造工程[3]。在工程的渠系改造過程中，有部分渠道靠近河道，地下水位較高，在襯砌施工過程中不僅要注意開源節(jié)流，還應(yīng)該防止渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞，給工程的設(shè)計和建設(shè)造成了一定的困難。以鐵甲干渠的4號分干渠為例，其位于大洋河南岸的階地上，地表分布有厚度不均的沖積細顆粒地層，下部存在厚度較大的砂卵石層。渠線通過區(qū)域地勢平坦，地下水位較高，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。為了保證渠道的安全運行，在工程設(shè)計中借鑒其他灌區(qū)的成功經(jīng)驗，采用透水襯砌方式，將地下水引入灌區(qū)，解決渠道冬季凍脹問題[4]。

2 透水襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.1 原始方案

研究渠段的橫斷面為梯形，采用透水襯砌方式。渠坡和渠底采用的厚度為8cm的C15混凝土預(yù)制塊和厚度為10cm的混凝土框架預(yù)制件襯砌，在框架中采用干砌塊石襯砌，實現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)的透水性。在襯砌結(jié)構(gòu)的下部鋪設(shè)一定厚度的墊層料，用于緩解冬季凍脹作用對上部襯砌體的變形張力[5]。根據(jù)地下水的回歸規(guī)律，充分利用地下水，由于混凝土框架磚和干砌石之間屬于柔性連接，可以對凍脹變形有一定的適應(yīng)力，從而保證渠道襯砌斷面在凍融作用下的規(guī)則性，從而提高渠系水的利用率，延長渠道的使用壽命[6]。具體的設(shè)計參數(shù)如下：渠道襯砌斷面的底寬為3.0m，口寬為6.5m，渠深為1.75m，水深為1.28m。渠道的縱坡為1/645～1/820，設(shè)計流量為2.1m3/s。C15混凝土框架預(yù)制件之間干砌塊石的厚度為30mm。根據(jù)抗凍脹的要求確定墊層厚度：陰坡頂部和底部分別為50和60cm；陽坡的頂部和底部分別為50和40cm；渠底的厚度為40cm。渠底每20m設(shè)置一道寬度為1.0cm的伸縮縫。坡腳上的第一批磚使用C15混凝土框架預(yù)制件襯砌，混凝土框架以上為方磚襯砌，預(yù)制塊之間用C15細?；炷凉纯p，寬度為2.5cm，渠坡襯砌結(jié)構(gòu)每5m設(shè)置一道寬度為2cm的伸縮縫。坡腳結(jié)合處為漿砌石設(shè)計。

2.2 比選方案

根據(jù)原始設(shè)計方案，干砌石透水體分布在渠坡底部。顯然，透水體的分布位置會對渠道的工程經(jīng)濟性造成一定的影響[7]。同時，透水襯砌也會對渠道的滲流及冬季的凍脹造成一定的影響。由于渠道透水，會造成渠坡地下水位的降低，渠道襯砌結(jié)構(gòu)的冬季凍脹會有所改善，但是在灌溉期會損失部分灌溉水量，進而影響到渠道的輸水效率[8]?；诖?，本研究在渠底中部、渠底邊部以及渠坡底部3種不同的位置設(shè)置干砌石透水體，通過對比分析，獲得最佳設(shè)計方案。方案的具體設(shè)計見表1。

表1 比選方案設(shè)計表 單位：m

3 方案的比選

3.1 技術(shù)性分析

在工程設(shè)計和施工建設(shè)中，工程技術(shù)性指標是設(shè)計方案評價的關(guān)鍵性指標。針對背景工程而言，對其影響最大的指標為渠道的滲流和冬季的凍脹影響?；诖?，研究中利用有限元數(shù)值模擬的方法，針對上文提出的3種不同的設(shè)計方案進行研究渠段的滲流和凍脹計算。根據(jù)計模擬結(jié)果，計算出渠道的節(jié)水系數(shù)和凍脹減輕度，結(jié)果見表2。

表2 不同方案的節(jié)水系數(shù)和凍脹減輕程度計算結(jié)果 單位：%

從計算結(jié)果來看，節(jié)水系數(shù)最大的是方案1，其次是方案2，最小的是方案3。由此可見，在采用透水襯砌結(jié)構(gòu)時，將透水體設(shè)置在渠坡底部有利于提高渠水利用系數(shù)。從凍脹減輕度的指標來看，效果最好的是方案1，其次是方案2，最差的方案3。透水襯砌結(jié)構(gòu)的的主要作用是給渠道周圍的地下水創(chuàng)造排水通道，讓渠道周邊的地下水可以自由出流，進而降低地下水的水位。由于透水體的位于渠坡底部和渠底邊部時，兩側(cè)地下水的滲流路徑相對較短，更有利于地下水的滲流從而降低地下水水位，從而減輕冬季的凍脹破壞作用，而渠道由于滲流地下水的補充，其節(jié)水系數(shù)也有所提高。同時，由于混凝土屬于剛性結(jié)構(gòu)，而干砌石屬于柔性結(jié)構(gòu)，2種剛?cè)岵煌慕Y(jié)構(gòu)相互作用和配合，也可以有效克服混凝土抗彎、抗拉能力差的問題，使襯砌結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性。因此，綜合考慮節(jié)水情況和凍脹控制作用，干砌石透水體宜布置在渠坡底部。

3.2 經(jīng)濟性分析

根據(jù)工程設(shè)計思路，透水襯砌渠道的主要施工材料為混凝土預(yù)制塊、混凝土框架預(yù)制件、干砌石和砂礫石墊層料。根據(jù)本文模擬的渠道襯砌形式，對施工中的主要材料的用量進行計算，獲得3種不同方案的材料用量，見表3。

表3 材料用量表

由表3可知，不同方案的材料用量并沒有顯著的差異，但是由于透水體部分所處的位置不同，在人工、機械和間接費用等方面存在一定的差異。

按照當前市場價格，對不同方案的單位渠長襯砌的造價進行計算，結(jié)果見表4。

表4 單位渠長工程造價 單位：元

由計算結(jié)果可以看出，造價最高的為方案3，其次為方案1，造價最低的方案2。因此，從工程經(jīng)濟性的視角來看，最優(yōu)方案為方案2。

3.3 綜合評價

綜合渠道的節(jié)水效果、減輕冬季凍脹損害程度以及工程的造價，對3種不同方案進行對比，結(jié)果見表5。

表5 不同方案的經(jīng)濟技術(shù)綜合對比

由表5可知，如果北方寒區(qū)的高地下水位渠道采用透水襯砌結(jié)構(gòu)，不僅可以減輕凍脹的不利影響，同時還可以起到一定的節(jié)水效果。研究中設(shè)計的3種方案在節(jié)水效果、凍脹減輕度和工程造價方面均有所不同。方案3的工程造價最高，且節(jié)水效果與防凍脹效果最不理想，因此為最不理想方案。從方案1和方案2的對比來看，方案2的工程造價最低，但是在節(jié)水系數(shù)和凍脹減輕度不及方案1；方案1不僅有利于渠道節(jié)水，同時也可以獲得較好的防凍脹效果，但是造價稍微偏高，但是兩者的工程造價差距并不大。因此，綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟兩方面的因素，推薦方案1作為工程設(shè)計方案，也就是將透水體設(shè)置在渠底中部。

4 結(jié)語

合理的襯砌結(jié)構(gòu)形式對保證工程建設(shè)的順利進行和工程效益的發(fā)揮具有重要的意義和作用。此次研究以具體工程為背景，探討高地下水位渠道透水襯砌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計問題。結(jié)果顯示，將渠道襯砌的透水體結(jié)構(gòu)設(shè)置在渠底中部，不僅可以消減一定的凍脹量，還可以有效提高水資源的利用效率，工程造價也相對較低，更適合北方季凍區(qū)的高地下水位渠道襯砌，具有一定的工程應(yīng)用和推廣價值。當然，受到篇幅和研究條件的限制，此次研究沒有考慮透水體材料和結(jié)構(gòu)以及地下水位等因素的影響，需要在今后進行更為深入的探索，以獲取更為科學(xué)的研究成果。