饒豐灌區渠道防滲襯砌型式選擇及設計計算

徐旺杰

(上饒市國控水利水電工程建設監理有限公司，江西 上饒 334000)

1 工程概況

饒豐灌區設計灌溉面積14 100 hm2，干渠全長74.21 km，設計流量和加大流量分別為21.2 m3/s和38.4 m3/s。干渠以下主要設置11條支渠、4條干斗，總長度為11.75 km。渠道運行過程中，不斷出現淤積及跑、冒、滲漏問題，渠床游蕩，沖刷加劇，險工段增多。為保證灌區渠道安全運行，必須對渠道實施清淤、襯砌和護險。本次任務主要為灌區渠道防滲處治。

饒豐灌區位于亞熱帶溫暖濕潤氣候區，氣候較為溫和、雨量充沛、陽光充足，表現出明顯的春寒、夏熱、秋旱、冬冷的氣候特征；春秋季短，冬夏季長，結冰期短，無霜期長。年平均降雨量為1669.5 mm，降雨量年內分配不均，汛期集中在4—6月，期間降雨量在年降雨量中占比48.0%，歷年最大1 d降雨量為256.6 mm，多年平均氣溫17.6 ℃，最冷月份平均氣溫5.2 ℃，極端最低氣溫-14.0 ℃，7月溫度最高，該月平均氣溫29.5 ℃，極端最高氣溫40.8 ℃，年平均氣溫在35.0 ℃以上的天數為40.0 d。年平均蒸發量1138.5 mm(E601)，年平均風速1.4 m/s，年平均相對濕度79.5%，日照時數1902 h，無霜期259 d。

2 渠道襯砌型式的選擇

渠道防滲設計必須綜合考慮防滲、防凍脹、防淤積、防沖刷及渠基穩定方面的要求?？紤]到該灌區位于季節性凍土區，地基土凍脹對渠道襯砌結構存在一定威脅[1]。為此，結合灌區渠道工程實施以來的設計運行經驗，在因地制宜、就地取材原則下，以混凝土和砌石結構為主，并充分考慮防滲效果，使用壽命，輸水及防淤抗沖性能，施工工藝，運維成本等基礎上，展開襯砌型式比選。

2.1 方案1：仰斜漿砌石重力墻

渠道邊墻為漿砌石重力墻結構，底板為0.4 m厚的漿砌石結構，臨水面設置素混凝土基礎和20 cm厚砂礫料墊層。該灌區9+845～10+070段兩側均采取重力式漿砌石重力擋墻型式，運行至今已逾20 a，無明顯裂縫出現，工程效果較為理想，已有的成功經驗可直接借鑒。就造價而言，在1.2 m的基礎埋深和墻體高度超出0.75 m設計水深的情況下，單位造價為4310.24元/m。

2.2 方案2：漿砌石重力墻+復合土工膜

渠道邊墻全部為漿砌石重力墻結構，底板采用0.4 m厚的漿砌石結構，邊墻和底板下方均鋪設1層復合土工膜。該方案僅比方案1增設1層復合土工膜，故防滲加固性能更加優良。按照結構設計，在增加2 cm厚的水泥砂漿抹面、素土回填及夯實等施工環節后，該方案單位造價為3834.24元/m。

2.3 方案3：漿砌石護坡+現澆混凝土板防滲

該灌區現狀干渠、支渠大多為梯形斷面土渠，防滲襯砌型式設計時必須盡可能考慮原斷面型式。該方案在土渠基礎上設置漿砌石底板和邊墻襯砌結構，邊墻襯砌體厚0.3～0.5 m，底板厚0.4 m；過水斷面增設厚度為0.1 m的現澆混凝土板。根據估算，該方案單位造價為4014.20元/m。

2.4 方案4：漿砌石護坡+復合土工膜

與方案3一樣，在灌區梯形斷面土渠基礎上設置漿砌石底板和邊墻襯砌結構，邊墻襯砌體厚0.3～0.5 m，底板厚0.4 m，同時在漿砌石下方鋪設1層復合土工膜。該方案因省去了混凝土板現澆施工環節，故造價較方案3節省，單位造價為3244.35元/m。

2.5 方案5：現澆混凝土板+復合土工膜

該方案下，灌區梯形斷面土渠邊墻和底板均采用厚度為0.15 m的現澆混凝土板結構，并在板體下方鋪設1層復合土工膜防滲。估計造價約為3013.12元/m。

2.6 渠道防滲襯砌型式的比選

針對以上渠道防滲襯砌方案，從技術優勢、技術劣勢、造價、適用范圍等方面進行綜合比較，具體見表1，表中造價不包括挖填土方量和拆除量。由表可知，漿砌石結構能滿足灌區渠道抗凍脹方面的要求，現澆混凝土板和復合土工膜的主要作用在渠道防滲方面[2]。前4種方案均能較好解決灌區渠道防滲及冬季抗凍脹方面的要求。在不考慮地下水的情況下，方案2和方案4比方案1和方案3更節省投資，但復合土工膜鋪設過程中對操作工藝及管理方面要求較高；現澆混凝土板必須采用滑模施工技術[3]，澆筑施工難度大。

表1 防滲襯砌型式比選

從施工難度、造價、運維管理費用及方便性、適用范圍、護坡及固腳功能等方面綜合考慮，最終選用方案1，即仰斜漿砌石重力墻襯砌型式。

3 渠道襯砌工程設計

灌區10+850～12+065段渠道當前主要為草皮護坡，此次防滲加固需建造仰斜式漿砌石重力擋墻，墻頂、底設計寬度為0.50 m和2.53 m，墻底增設厚度為0.4 m的C20素混凝土底板，擋墻墻身高4.17 m，背坡比為1∶0.2；墻趾厚0.9 m，墻體埋深1.2 m，底部增設厚度為20 cm的砂礫料墊層；按照10 m間隔設置寬2 cm的沉降縫。墻體外部使用瀝青縫板，內側以苯板填充。按10 m間隔設置φ50 mm排水管；墻頂以上整形后撒播草籽。

該段渠道位于第二節制閘下游，此處原建10 m長的干砌石海漫在長期水流沖刷下基本損壞，渠道兩側漿砌石擋墻墻基完全裸露。說明消力池出水存在劇烈紊動，對渠底存在較大沖刷。為起到較好的消能效果，重新計算海漫長度Lp如式(1)[4]：

(1)

式中：Lp為海漫消能段長度，m；K為消能系數，主要與河道實際、河床土質等所允許的水流流速有關；q為消力池出口單寬流量，m3/(s·m)；ΔH為節制閘上下游水頭差，m。

在上游渠道設計水深為2.84 m，并達到設計流量后，節制閥開啟，計算閘門不同開度下的流量和上下游水位差，進而計算閘門開啟期間所對應的海漫長度。據此得到的海漫長度為56.54 m，斷面處渠底高差將近1.0 m，為保證工程建筑物運行的安全性，海漫長度不得短于70.00 m；同時還應在相應渠道段底部設置0.5 m厚的涂塑格網石籠。

考慮到該渠道段原建漿砌石擋墻墻基沖刷及裸露嚴重，此次設計時必須重新展開墻基局部沖刷深度計算如式(2)：

(2)

式中：hB為河道局部沖刷深度，m；hp為沖刷段實際水深，m；vcp為河道水流流速均值，m/s；v允為渠道不沖流速允許值，取0.8 m/s；n為護岸平面形狀指數，取0.25。將相關參數取值代入后得到河道局部沖刷深度為1.14 m，此處基礎埋深應至少達到1.2 m。

4 擋墻穩定性驗算

4.1 計算方法

根據《水工擋土墻設計規范》(SL 379—2017)，該灌區渠道防滲襯砌重力式擋墻復核計算時，必須展開抗滑穩定性驗算，抗傾覆穩定性驗算，墻底偏心距和壓力驗算。結合工程實際及防滲加固需要，展開結構尺寸及相關參數取用[5]。擋墻抗滑穩定性驗算如式(3)：

Kc=f∑G/∑H

(3)

式中：Kc為擋墻沿基底面的抗滑穩定安全系數；f為擋墻基底面和地基間的摩擦系數；∑G為擋墻上所作用的與基底面垂直的荷載，kN；∑H為擋墻上所作用的與基底面平行的荷載，kN。

擋墻抗傾覆穩定性驗算如式(4)：

K0=f∑MV/∑MH

(4)

式中：K0為擋墻抗傾覆穩定性安全系數；∑MV為擋墻基底前趾處抗傾覆力矩，kN·N；∑MH為擋墻基底前趾處傾覆力矩，kN·N。

根據式(5)進行擋墻底偏心距和壓應力驗算[6]。

e=B/2-∑M/∑G

(5)

式中：e為偏心距；B為擋墻底面寬，m；∑M為擋墻基礎底所作用的總豎向力，kN。

根據式(6)計算基底應力最大最小值

(6)

4.2 計算結果

結合地勘報告所揭露的工程地質條件，重力式擋墻后填土為粉質黏土，根據設計規范，粉質黏土天然重度為17.0～18.0 kN/m3，本工程取17.0 kN/m3。擋墻墻體高度在6.0 m以內時，內摩擦角應為35°～40°。按照《水閘設計規范》(SL 265—2016)，對于中等堅硬黏土地基，墻底摩擦系數應在0.25～0.35之間取值，本工程取0.30。

使用北京理正巖土系列軟件展開該灌區渠道仰斜漿砌石重力墻穩定性驗算[7]，結果見表2。根據表中結果并結合設計規范，在基本荷載作用下，仰斜漿砌石重力墻抗傾覆安全系數應在1.5以上，允許抗滑安全系數應為1.2，表中結果全部滿足要求，墻體結構穩定可靠。

表2 仰斜漿砌石重力墻穩定性驗算結果

5 結 論

灌區渠道襯砌是灌區田間配套工程的重要部分，通過對幾種渠道襯砌型式的比較，最終選用仰斜漿砌石重力墻，該型式擋墻土方開挖量小，結構穩定，防滲性、抗凍脹、抗沖刷、抗磨耗及耐久性均較好。灌區工程運行結果表明，仰斜漿砌石重力墻的建設能顯著提高渠系水利用系數，提升灌溉水利用率，進而提高灌區農業綜合生產能力。