孟 奇

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 石河子 836800)

0 引 言

灌區(qū)渠道工程作為灌區(qū)工程的“血管”對(duì)灌區(qū)水利用效率有較大的影響。早期修建的渠道工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低下，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)嚴(yán)重[1-3]。為了提高灌區(qū)水資源利用效率，對(duì)該部分渠道工程進(jìn)行改造是十分必要的。地基土凍脹是影響上部結(jié)構(gòu)安全的一個(gè)重要因素，在凍土地區(qū)凍土的處理是非常重要的[4-5]。

渠道現(xiàn)狀為土渠，渠道深1.2m-2.5m，邊坡1∶0.5-1∶1.5，縱坡0.7‰。渠道堤頂寬0.4m-5.0m，由于多年的清淤物直接堆積于渠頂，渠頂高低不平，寬窄不一。渠道左右岸大部分為耕地，間歇夾有部分荒地。渠道存在滲漏、沖刷；大部分分水閘為臨時(shí)分水口，無閘門，交通設(shè)施簡(jiǎn)陋，管理道路不通。防滲渠全長(zhǎng)2.5km，控制灌溉面積1873畝，主要提供農(nóng)業(yè)灌溉用水，兼具防洪。上游段保護(hù)對(duì)象為耕地2萬畝，保護(hù)人口0.4萬人；下游段保護(hù)對(duì)象為耕地1.3萬畝，保護(hù)人口0.4萬人。

1 渠道橫斷面設(shè)計(jì)

1.1 斷面形式

目前，灌區(qū)內(nèi)渠道主要采用梯形斷面形式。該斷面類型運(yùn)行管理方便，施工質(zhì)量容易控制，施工技術(shù)相對(duì)成熟，因此本次設(shè)計(jì)采用梯形斷面。

圖1 梯形渠道典型橫斷面示意圖

1.2 渠道經(jīng)濟(jì)斷面

梯形渠道實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面的計(jì)算方法，及多泥沙渠道的寬深比斷面兩種方法，并結(jié)合現(xiàn)渠道斷面尺寸，最終確定本次改造渠道的斷面結(jié)構(gòu)尺寸。

(1)

b0=2[(1+m2)1/2-m]h0

(2)

A0=b0h0+mh02

(3)

x0=b0+2(1+m2)1/2h0

(4)

R0=A0/x0

(5)

V0=Q/A0

(6)

式中：h0、b0、x0、R0為斷面水深、底寬、濕周、水力半徑，m；n綜合糙率；取0.016；Q為渠道設(shè)計(jì)流量，m3/s；m渠道內(nèi)邊坡系數(shù)，取1.5；i為渠道比降；A0為斷面面積，m2；V0為斷面流速，m/s。

水力最佳斷面計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 防滲渠水力最佳斷面計(jì)算表

實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面底寬和水深，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 防滲渠實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面水力計(jì)算表

通過比較，在滿足渠道每個(gè)分水口取水要求的前提下，渠道采用的橫斷面應(yīng)該采用渠底寬與渠深相差不大的寬淺式渠道。在此情況下，從經(jīng)濟(jì)、實(shí)用方面均是適當(dāng)?shù)?、合理的。鑒于防滲渠水源為河水，泥沙含量多，渠道縱坡較緩，在0.5‰-0.8‰之間，渠道流速也不大，多段渠道流速<不淤流速，造成渠道泥沙沉積，進(jìn)而影響渠道正常運(yùn)行。

按照工程量最小且對(duì)渠道抗凍較為有利的原則，結(jié)合現(xiàn)狀渠道斷面和渠道已改建實(shí)施段斷面，本次采用窄深式渠道，0+000-2+500段渠道設(shè)計(jì)底寬取0.5m、邊坡1∶1.5、渠深1.4m。

3 襯砌形式選擇

根據(jù)渠道沿線渠基土地層巖性，項(xiàng)目區(qū)渠基巖性為主要為含細(xì)粒土砂及黏土，滲透性強(qiáng)，抗沖性能弱，需采取防滲防沖襯砌。

根據(jù)本地區(qū)已建防滲渠的運(yùn)行情況，由于渠道坡度小，漿砌石襯砌形式過流能力低，流速較混凝土襯砌形式小，易造成渠道淤積，故本次設(shè)計(jì)僅進(jìn)行全斷面現(xiàn)澆混凝土板襯砌形式和邊坡預(yù)制、底板現(xiàn)澆兩種方案進(jìn)行比較：

方案一：全斷面現(xiàn)澆混凝土板襯砌

渠道底寬0.5m，渠深1.4m，邊坡坡比1∶1.5。渠道堤頂寬2m，渠底8cm現(xiàn)澆混凝土板+35cm砂礫石墊層，邊坡8cm現(xiàn)澆混凝土板+35cm砂礫石墊層，邊坡頂設(shè)封頂板，封頂板寬30cm，厚8cm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，抗凍等級(jí)為F200。單位投資130.41萬元

方案二：底板現(xiàn)澆混凝土、邊坡預(yù)制混凝土板襯砌方案

渠道底寬0.5m，渠深為1.4m，邊坡坡比1∶1.5。渠底采用8cm現(xiàn)澆混凝土板+35cm砂礫石墊層，邊坡采用6cm預(yù)制混凝土板35cm 砂礫石墊層，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，抗凍等級(jí)為F200。單位投資153.60萬元

從經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果可以看出，預(yù)制混凝土板襯砌方案比全斷面現(xiàn)澆混凝土襯砌投資高23.20萬元，因此本次設(shè)計(jì)采用全斷面現(xiàn)澆混凝土板形式。

4 抗凍脹設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)凍深為0.8m，根據(jù)渠道沿線機(jī)井的多年水位變化觀測(cè)，地下水一般>3 m，工程區(qū)內(nèi)地下水位每年3 月份達(dá)到全年最高，11-12月最低，地下水年內(nèi)變化幅度為0.5-1.0m。渠道沿線的地基土巖性主要為含細(xì)粒土砂、黏土為主，由顆分實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知其粒徑<0.075mm 顆粒含量分別為5.2-8.3%、88.4-97.5%。工程區(qū)渠道沿線黏土為凍脹性土(渠基土)，建議渠道設(shè)計(jì)中對(duì)黏土應(yīng)采取抗凍脹的措施。

工程設(shè)計(jì)凍深見表3：

表3 設(shè)計(jì)凍深Zd 計(jì)算表

4.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深按下式計(jì)算：

Zf=Zd-0.35δc-1.6δw

(7)

式中：Zf為設(shè)計(jì)凍深，m；δw為基礎(chǔ)上面冰厚；本項(xiàng)工程取值為0；δc為基礎(chǔ)板厚。

基礎(chǔ)下土的凍深按下式計(jì)算：

Zb=Zf-δc

(8)

式中：Zb為基礎(chǔ)下凍深，m。

基礎(chǔ)下土的凍脹量按下式計(jì)算：

hf=h·Zf/Zd

(9)

式中：hf為基土凍脹量，mm；Zw為地下水水位埋深。

基礎(chǔ)下土凍脹量見下表4：

表4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深Zf、基礎(chǔ)下土凍脹量計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算結(jié)果，可以看出基礎(chǔ)下土的凍脹位移量均超出梯形斷面混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)和梯形斷面混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)的位移量范圍，該渠道應(yīng)采取抗凍脹措施。

4.3 渠道抗凍脹措施中材料的選擇

渠道抗凍脹設(shè)計(jì)采用渠基換填法和苯板保溫法進(jìn)行比較如下：

1)渠基換填法

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過計(jì)算，渠底和陰坡?lián)Q填層厚度取20-35cm，為了減少工程量，節(jié)約投資，渠坡?lián)Q填層厚度根據(jù)水份運(yùn)移情況做成變厚形式，渠頂部和陽坡?lián)Q填層20cm。

2)保溫法

近十幾年來，在國(guó)內(nèi)外有應(yīng)用聚苯乙烯板解決渠道基土凍結(jié)和襯砌板凍脹破壞問題，效果良好。工程設(shè)計(jì)凍深為陰坡86cm，陽坡69cm，則苯板厚度陰坡為8.6cm-5.7cm，陽坡為6.9cm-4.6cm，結(jié)合已有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，陽坡苯板厚度為5cm，陰坡為6cm。

3)材料的選定

以砂礫石換填每公里換填量為1660m3，以苯板換填每公里換填量為160m3，砂礫石32.16元/m3，苯板400元/m3，則砂礫石換填5.33萬元/km，苯板換填6.4萬元/km。

通過對(duì)上述兩種方案的投資、施工、運(yùn)行安全及建筑材料等方面的比較，砂礫石方案具有投資少、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行管理及其它方面無可比性，比選內(nèi)容如表5。

綜上所述，選擇砂礫石換填為本工程的抗凍脹設(shè)計(jì)推薦方案。

5 結(jié) 論

新疆地區(qū)水資源較為短缺，為了提高灌區(qū)水資源利用效率，對(duì)既有老化渠道進(jìn)行改造。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取梯形斷面適用性較強(qiáng)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算確定渠道的經(jīng)濟(jì)斷面。通過比選采用全斷面現(xiàn)澆混凝土板型式投資低。由于渠道地基土具有較強(qiáng)的凍脹性，為保證渠道的安全，采用砂礫石換填對(duì)凍脹土進(jìn)行處理。

表5 兩方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表