饶丰灌区渠道防渗衬砌型式选择及设计计算

徐旺杰

(上饶市国控水利水电工程建设监理有限公司，江西 上饶 334000)

1 工程概况

饶丰灌区设计灌溉面积14 100 hm2，干渠全长74.21 km，设计流量和加大流量分别为21.2 m3/s和38.4 m3/s。干渠以下主要设置11条支渠、4条干斗，总长度为11.75 km。渠道运行过程中，不断出现淤积及跑、冒、渗漏问题，渠床游荡，冲刷加剧，险工段增多。为保证灌区渠道安全运行，必须对渠道实施清淤、衬砌和护险。本次任务主要为灌区渠道防渗处治。

饶丰灌区位于亚热带温暖湿润气候区，气候较为温和、雨量充沛、阳光充足，表现出明显的春寒、夏热、秋旱、冬冷的气候特征；春秋季短，冬夏季长，结冰期短，无霜期长。年平均降雨量为1669.5 mm，降雨量年内分配不均，汛期集中在4—6月，期间降雨量在年降雨量中占比48.0%，历年最大1 d降雨量为256.6 mm，多年平均气温17.6 ℃，最冷月份平均气温5.2 ℃，极端最低气温-14.0 ℃，7月温度最高，该月平均气温29.5 ℃，极端最高气温40.8 ℃，年平均气温在35.0 ℃以上的天数为40.0 d。年平均蒸发量1138.5 mm(E601)，年平均风速1.4 m/s，年平均相对湿度79.5%，日照时数1902 h，无霜期259 d。

2 渠道衬砌型式的选择

渠道防渗设计必须综合考虑防渗、防冻胀、防淤积、防冲刷及渠基稳定方面的要求。考虑到该灌区位于季节性冻土区，地基土冻胀对渠道衬砌结构存在一定威胁[1]。为此，结合灌区渠道工程实施以来的设计运行经验，在因地制宜、就地取材原则下，以混凝土和砌石结构为主，并充分考虑防渗效果，使用寿命，输水及防淤抗冲性能，施工工艺，运维成本等基础上，展开衬砌型式比选。

2.1 方案1：仰斜浆砌石重力墙

渠道边墙为浆砌石重力墙结构，底板为0.4 m厚的浆砌石结构，临水面设置素混凝土基础和20 cm厚砂砾料垫层。该灌区9+845～10+070段两侧均采取重力式浆砌石重力挡墙型式，运行至今已逾20 a，无明显裂缝出现，工程效果较为理想，已有的成功经验可直接借鉴。就造价而言，在1.2 m的基础埋深和墙体高度超出0.75 m设计水深的情况下，单位造价为4310.24元/m。

2.2 方案2：浆砌石重力墙+复合土工膜

渠道边墙全部为浆砌石重力墙结构，底板采用0.4 m厚的浆砌石结构，边墙和底板下方均铺设1层复合土工膜。该方案仅比方案1增设1层复合土工膜，故防渗加固性能更加优良。按照结构设计，在增加2 cm厚的水泥砂浆抹面、素土回填及夯实等施工环节后，该方案单位造价为3834.24元/m。

2.3 方案3：浆砌石护坡+现浇混凝土板防渗

该灌区现状干渠、支渠大多为梯形断面土渠，防渗衬砌型式设计时必须尽可能考虑原断面型式。该方案在土渠基础上设置浆砌石底板和边墙衬砌结构，边墙衬砌体厚0.3～0.5 m，底板厚0.4 m；过水断面增设厚度为0.1 m的现浇混凝土板。根据估算，该方案单位造价为4014.20元/m。

2.4 方案4：浆砌石护坡+复合土工膜

与方案3一样，在灌区梯形断面土渠基础上设置浆砌石底板和边墙衬砌结构，边墙衬砌体厚0.3～0.5 m，底板厚0.4 m，同时在浆砌石下方铺设1层复合土工膜。该方案因省去了混凝土板现浇施工环节，故造价较方案3节省，单位造价为3244.35元/m。

2.5 方案5：现浇混凝土板+复合土工膜

该方案下，灌区梯形断面土渠边墙和底板均采用厚度为0.15 m的现浇混凝土板结构，并在板体下方铺设1层复合土工膜防渗。估计造价约为3013.12元/m。

2.6 渠道防渗衬砌型式的比选

针对以上渠道防渗衬砌方案，从技术优势、技术劣势、造价、适用范围等方面进行综合比较，具体见表1，表中造价不包括挖填土方量和拆除量。由表可知，浆砌石结构能满足灌区渠道抗冻胀方面的要求，现浇混凝土板和复合土工膜的主要作用在渠道防渗方面[2]。前4种方案均能较好解决灌区渠道防渗及冬季抗冻胀方面的要求。在不考虑地下水的情况下，方案2和方案4比方案1和方案3更节省投资，但复合土工膜铺设过程中对操作工艺及管理方面要求较高；现浇混凝土板必须采用滑模施工技术[3]，浇筑施工难度大。

表1 防渗衬砌型式比选

从施工难度、造价、运维管理费用及方便性、适用范围、护坡及固脚功能等方面综合考虑，最终选用方案1，即仰斜浆砌石重力墙衬砌型式。

3 渠道衬砌工程设计

灌区10+850～12+065段渠道当前主要为草皮护坡，此次防渗加固需建造仰斜式浆砌石重力挡墙，墙顶、底设计宽度为0.50 m和2.53 m，墙底增设厚度为0.4 m的C20素混凝土底板，挡墙墙身高4.17 m，背坡比为1∶0.2；墙趾厚0.9 m，墙体埋深1.2 m，底部增设厚度为20 cm的砂砾料垫层；按照10 m间隔设置宽2 cm的沉降缝。墙体外部使用沥青缝板，内侧以苯板填充。按10 m间隔设置φ50 mm排水管；墙顶以上整形后撒播草籽。

该段渠道位于第二节制闸下游，此处原建10 m长的干砌石海漫在长期水流冲刷下基本损坏，渠道两侧浆砌石挡墙墙基完全裸露。说明消力池出水存在剧烈紊动，对渠底存在较大冲刷。为起到较好的消能效果，重新计算海漫长度Lp如式(1)[4]：

(1)

式中：Lp为海漫消能段长度，m；K为消能系数，主要与河道实际、河床土质等所允许的水流流速有关；q为消力池出口单宽流量，m3/(s·m)；ΔH为节制闸上下游水头差，m。

在上游渠道设计水深为2.84 m，并达到设计流量后，节制阀开启，计算闸门不同开度下的流量和上下游水位差，进而计算闸门开启期间所对应的海漫长度。据此得到的海漫长度为56.54 m，断面处渠底高差将近1.0 m，为保证工程建筑物运行的安全性，海漫长度不得短于70.00 m；同时还应在相应渠道段底部设置0.5 m厚的涂塑格网石笼。

考虑到该渠道段原建浆砌石挡墙墙基冲刷及裸露严重，此次设计时必须重新展开墙基局部冲刷深度计算如式(2)：

(2)

式中：hB为河道局部冲刷深度，m；hp为冲刷段实际水深，m；vcp为河道水流流速均值，m/s；v允为渠道不冲流速允许值，取0.8 m/s；n为护岸平面形状指数，取0.25。将相关参数取值代入后得到河道局部冲刷深度为1.14 m，此处基础埋深应至少达到1.2 m。

4 挡墙稳定性验算

4.1 计算方法

根据《水工挡土墙设计规范》(SL 379—2017)，该灌区渠道防渗衬砌重力式挡墙复核计算时，必须展开抗滑稳定性验算，抗倾覆稳定性验算，墙底偏心距和压力验算。结合工程实际及防渗加固需要，展开结构尺寸及相关参数取用[5]。挡墙抗滑稳定性验算如式(3)：

Kc=f∑G/∑H

(3)

式中：Kc为挡墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；f为挡墙基底面和地基间的摩擦系数；∑G为挡墙上所作用的与基底面垂直的荷载，kN；∑H为挡墙上所作用的与基底面平行的荷载，kN。

挡墙抗倾覆稳定性验算如式(4)：

K0=f∑MV/∑MH

(4)

式中：K0为挡墙抗倾覆稳定性安全系数；∑MV为挡墙基底前趾处抗倾覆力矩，kN·N；∑MH为挡墙基底前趾处倾覆力矩，kN·N。

根据式(5)进行挡墙底偏心距和压应力验算[6]。

e=B/2-∑M/∑G

(5)

式中：e为偏心距；B为挡墙底面宽，m；∑M为挡墙基础底所作用的总竖向力，kN。

根据式(6)计算基底应力最大最小值

(6)

4.2 计算结果

结合地勘报告所揭露的工程地质条件，重力式挡墙后填土为粉质黏土，根据设计规范，粉质黏土天然重度为17.0～18.0 kN/m3，本工程取17.0 kN/m3。挡墙墙体高度在6.0 m以内时，内摩擦角应为35°～40°。按照《水闸设计规范》(SL 265—2016)，对于中等坚硬黏土地基，墙底摩擦系数应在0.25～0.35之间取值，本工程取0.30。

使用北京理正岩土系列软件展开该灌区渠道仰斜浆砌石重力墙稳定性验算[7]，结果见表2。根据表中结果并结合设计规范，在基本荷载作用下，仰斜浆砌石重力墙抗倾覆安全系数应在1.5以上，允许抗滑安全系数应为1.2，表中结果全部满足要求，墙体结构稳定可靠。

表2 仰斜浆砌石重力墙稳定性验算结果

5 结 论

灌区渠道衬砌是灌区田间配套工程的重要部分，通过对几种渠道衬砌型式的比较，最终选用仰斜浆砌石重力墙，该型式挡墙土方开挖量小，结构稳定，防渗性、抗冻胀、抗冲刷、抗磨耗及耐久性均较好。灌区工程运行结果表明，仰斜浆砌石重力墙的建设能显著提高渠系水利用系数，提升灌溉水利用率，进而提高灌区农业综合生产能力。