曾祥磊，黃 晶，郭 斌，李 密

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）

1 工程概況

貴州省夾巖水利樞紐及黔西供水工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)夾巖水利工程）位于貴州省畢節(jié)市及遵義市境內(nèi)，是一座以供水和灌溉為主兼顧發(fā)電的大（1）型水利樞紐工程。工程總體布局以新建夾巖水庫(kù)為集中供水水源，以已建附廓水庫(kù)為反調(diào)節(jié)水庫(kù)，并利用灌區(qū)現(xiàn)有小型水庫(kù)屯蓄。工程由水源工程、畢大供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程三部分組成，總投資186.49億元，水庫(kù)庫(kù)容13.23 億m3，多年平均供水量6.88 億m3，總供水人口267 萬(wàn)人，電站總裝機(jī)容量90 MW。灌區(qū)骨干輸水工程設(shè)計(jì)線(xiàn)路總長(zhǎng)648.0 km，明渠設(shè)計(jì)長(zhǎng)度96.1 km，以渠身斷面呈下窄上寬的倒梯形結(jié)構(gòu)型式為主。金沙分干渠為夾巖水利工程灌區(qū)骨干輸水工程中較為重要的標(biāo)段之一，主要向貴州省金沙縣城禹龍片區(qū)（部分）、安嵐源片區(qū)及化沙官片區(qū)供水，年輸水量5062 萬(wàn)m3，總長(zhǎng)34.586 km，其中渠道長(zhǎng)14.986 km；渠道渠身完全置于基巖內(nèi)的渠段為窄深式，斷面為梯形，渠高2.30～2.90 m，渠底寬1.6～2.0 m，渠頂開(kāi)口寬2.98～3.74 m；渠堤采用M7.5 漿砌石砌筑，迎水面邊坡1∶0.3，采用C15混凝土防滲。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水安全的要求不斷提高，合理選擇渠道結(jié)構(gòu)型式對(duì)于確保后期渠道水質(zhì)安全、運(yùn)行管理方便和控制運(yùn)行管理成本等尤為重要。金沙分干渠渠道處于半山腰，植被茂盛，上部巖體風(fēng)化脫落及周邊枯枝落葉可能會(huì)造成敞口渠道在運(yùn)行過(guò)程淤積，受洪水等自然災(zāi)害影響渠道常因邊坡垮塌等因素造成破壞，如圖1—2 所示；渠道沿線(xiàn)產(chǎn)業(yè)園、居民房屋和公路較多，渠線(xiàn)穿過(guò)鄉(xiāng)村果園、人畜活動(dòng)密集區(qū)，造成管理不便和后期運(yùn)行成本增加；部分渠道邊坡較高且覆蓋層較厚，部分渠道軸線(xiàn)與巖層走向成交角較小（即順層坡），且靠山側(cè)邊坡傾角較大，開(kāi)挖切腳后極易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)滑塌，基礎(chǔ)及邊坡處理工作量大。結(jié)合以上情況分析，認(rèn)為進(jìn)一步研究渠道結(jié)構(gòu)型式是有必要的。

圖1 已建渠道受損情況

圖2 已建渠道受枯枝爛葉影響現(xiàn)場(chǎng)

2 工程地質(zhì)條件

金沙分干渠所在工程區(qū)地形地貌主要為溶蝕-侵蝕地貌淺切中山地形，海拔1050～1200 m，依次穿過(guò)T1m-∈1q 地層，工程區(qū)地震動(dòng)加速度為0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，地震基本烈度為Ⅵ度，無(wú)活動(dòng)性斷裂帶通過(guò)，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定較好；渠道多采用傍山布置，沿線(xiàn)地形坡度一般為30～40°，其走向與巖層走向小角度相交，部分邊坡為順向坡，覆蓋層0～5 m 不等，局部段覆蓋層埋深較大，下伏地層巖性有中厚層灰?guī)r、薄層泥質(zhì)白云巖、薄層泥質(zhì)粉砂巖等，地下水埋深較大；部分渠道邊坡為順向坡，受層面、節(jié)理切割影響，開(kāi)挖后易失穩(wěn)滑塌破壞，需作加強(qiáng)支護(hù)處理；部分渠道邊坡為土質(zhì)邊坡，自然邊坡穩(wěn)定，開(kāi)挖后雨季易失穩(wěn)滑動(dòng)，需作加強(qiáng)處理。

3 方案比選

3.1 方案擬定

根據(jù)實(shí)際情況，擬定4個(gè)方案進(jìn)行比選。

3.1.1 方案1：漿砌石明渠方案

漿砌石明渠方案及原設(shè)計(jì)方案渠身斷面呈下窄上寬的倒梯形。渠道渠身完全置于基巖內(nèi)的渠段為窄深式，斷面為梯形，渠高2.30～2.90 m，渠底寬1.6～2.0 m，渠頂開(kāi)口寬2.98～3.74 m；渠堤采用M7.5 漿砌石砌筑，迎水面邊坡1∶0.3，采用C15 混凝土防滲。渠身處于強(qiáng)風(fēng)化巖層時(shí)，渠道直接開(kāi)挖石槽成形，采用C15混凝土防滲；渠身處于巖層較為破碎地段，可根據(jù)實(shí)際情況采用M7.5 漿砌石襯砌，采用C15 混凝土防滲。渠道基礎(chǔ)不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求時(shí)，同樣采用M7.5 漿砌石進(jìn)行換填處理。渠道邊坡采用噴C20素混凝土進(jìn)行支護(hù)，局部高邊坡段增加鋼筋網(wǎng)片及C25 錨桿支護(hù)，錨桿長(zhǎng)3.0 m。漿砌石明渠方案標(biāo)準(zhǔn)斷面，如圖3所示。

圖3 漿砌石明渠方案標(biāo)準(zhǔn)斷面

3.1.2 方案2：漿砌石明渠加蓋板方案

鑒于金沙分干渠承擔(dān)有集鎮(zhèn)及農(nóng)村人口供水任務(wù)，在方案1基礎(chǔ)上增設(shè)鋼筋混凝土蓋板，其標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖4所示。

漿砌石明渠加蓋板方案渠道橫斷面結(jié)構(gòu)尺寸和原設(shè)計(jì)方案相同，結(jié)構(gòu)尺寸詳見(jiàn)表1（受力筋選配C16@200，分布筋選配C10@200）。

表1 漿砌石明渠加蓋板方案渠道結(jié)構(gòu)尺寸擬定成果m

3.1.3 方案3：鋼筋混凝土箱涵方案

為更好保證渠道安全穩(wěn)定以及運(yùn)行過(guò)程中水質(zhì)問(wèn)題，將渠道結(jié)構(gòu)型式調(diào)整為鋼筋混凝土箱涵，箱涵邊墻及底板厚度擬采用與已變更部位相同厚度25 cm，頂板取15 cm，箱涵底部設(shè)置6 cm 厚素C25 混凝土墊層；箱涵斷面底寬為2.0～2.5 m，高為2.15～2.6 m，如圖5所示。

圖5 鋼筋混凝土箱涵方案標(biāo)準(zhǔn)斷面

通過(guò)對(duì)比漿砌石明渠和鋼筋混凝土箱涵方案發(fā)現(xiàn)，渠道結(jié)構(gòu)調(diào)整后水深變化不大，可通過(guò)進(jìn)出口部位進(jìn)行微調(diào)，保證水面線(xiàn)順接，不影響上下游建筑物銜接，計(jì)算成果詳見(jiàn)表2。

表2 渠道各斷面水力計(jì)算成果

3.1.4 方案4：鋼管方案

為更好保證渠道安全穩(wěn)定以及運(yùn)行過(guò)程中水質(zhì)問(wèn)題，渠道大流量部位（設(shè)計(jì)流量大于3.2 m3/s）改為鋼筋混凝土箱涵，小流量部分（設(shè)計(jì)流量小于3.2 m3/s）改為螺旋鋼管，因各渠道前后建筑物已施工，經(jīng)水力計(jì)算復(fù)核后無(wú)法采用有壓管進(jìn)行布置，故采用無(wú)壓流管道布置。螺旋鋼管（初擬管壁厚10 mm）方案管道底部采用C15 混凝土墊層，管槽采用土石回填，并在轉(zhuǎn)彎處采用布置鎮(zhèn)墩或者包管處理；部分陡峭段及管道高于原地面線(xiàn)的部分采用支墩進(jìn)行支撐。螺旋鋼管標(biāo)準(zhǔn)斷面，如圖6所示。

圖6 螺旋鋼管方案標(biāo)準(zhǔn)斷面

考慮到同等條件下方案4 螺旋鋼管造價(jià)較高且施工難度較大，不利于現(xiàn)場(chǎng)施工，而且其投資遠(yuǎn)大于其余方案，故在后續(xù)的方案比選中僅對(duì)方案1、方案2、方案3進(jìn)行比較研究。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)擬定比較的3 種方案，按照相同原則計(jì)算出各方案工程量，結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 3種方案工程量對(duì)比

根據(jù)以上情況，對(duì)3 種方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 3種方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

鑒于金沙分干渠承擔(dān)有集鎮(zhèn)及農(nóng)村人口供水任務(wù)且社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水安全的要求不斷提高，并從后期渠道水質(zhì)安全、運(yùn)行管理方便和控制運(yùn)行管理成本等角度出發(fā)，推薦采用方案3 即鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)型式。

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)合對(duì)比情況，現(xiàn)對(duì)推薦采用方案（鋼筋混凝土箱涵）進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核；此處選取結(jié)構(gòu)尺寸較大斷面進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，即對(duì)斷面尺寸為2.5 m×2.6 m 渠道斷面進(jìn)行計(jì)算分析。

3.3.1 承載能力計(jì)算

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》，渠道基底面應(yīng)力可按下式計(jì)算：

式中：ΣG為作用在暗渠上全部垂直于水平面的荷載（kN）；ΣM為各力對(duì)暗渠中心力矩之和（kN·m）；A為暗渠基底面的面積（m2）；W為對(duì)擋土墻縱向形心軸的截面矩（m3）。

根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》，作用在單位長(zhǎng)度箱涵側(cè)面土石回填后最大主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

式中：Fak為主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m），作用于距箱涵底部的h/3 的側(cè)墻處；γ土為箱涵側(cè)面填土容重（kN/m3）；H為箱涵高度（m）；Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)，計(jì)算公式為Ka=tan2（45°-φ/2），其中φ為填土內(nèi)摩擦角取20°。

根據(jù)式（1）、（2）對(duì)各段箱涵地基承載力進(jìn)行復(fù)核后，σmax=81.867 kPa，σmin=5.544 kPa。

3.3.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

基底與巖基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)f=0.35，抗剪斷黏聚力c=100 kPa，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KC=3.0。其計(jì)算公式為：

式中：KC為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載（kN）；A為箱涵地面面積（m2）；f為基底與巖基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，取0.35；c為基底與巖基接觸面的抗剪斷黏聚力（kPa）。

當(dāng)渠道無(wú)水為最不利情況，根據(jù)式（3）對(duì)無(wú)水情況下各渠段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行復(fù)核，經(jīng)復(fù)核抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為6.529，大于規(guī)范允許值3.0。

3.3.3 抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

箱涵抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：K0為箱涵抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV為對(duì)箱涵基底前趾的抗傾覆力矩（kN·m）；∑MH為對(duì)箱涵基底前趾的傾覆力矩（kN·m）。

當(dāng)渠道無(wú)水為最不利情況，根據(jù)式（4）對(duì)無(wú)水情況下各渠段抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行復(fù)核，經(jīng)復(fù)核抗傾覆安全系數(shù)最小值為1.996，大于規(guī)范允許值1.3。

綜上，該方案結(jié)構(gòu)穩(wěn)定滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)水平，原設(shè)計(jì)明渠方案在技術(shù)上是可行的。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)供水安全的要求越來(lái)越高，對(duì)渠道輸水方式的研究是有必要的。鑒于目前傍山明渠大多承擔(dān)有集鎮(zhèn)及農(nóng)村人口供水任務(wù)，從后期渠道水質(zhì)安全、運(yùn)行管理方便和控制運(yùn)行管理成本等角度出發(fā)，為更好適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水安全的要求，減小渠道沿線(xiàn)產(chǎn)業(yè)園、居民房屋、公路、鄉(xiāng)村果園和人畜活動(dòng)密集區(qū)的影響，降低后期渠道運(yùn)行成本，本文結(jié)合前期研究成果對(duì)夾巖水利工程金沙分干渠標(biāo)段渠道結(jié)構(gòu)型式經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比后，推薦傍山明渠宜采用鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)。