混凝土U型渠道外傾角設(shè)計的實踐與探索

劉定民

(陜西省渭南市石堡川水庫灌溉管理局，陜西澄城715200)

石堡川水庫位于陜西關(guān)中東部，水源以洛河一級支流石堡川河徑流為主。大壩地處洛川縣石頭鄉(xiāng)盤曲河村東500 m處，是一座以灌溉為主，兼有防洪、供水等功能的Ⅲ等中型水利工程。壩址以上控制流域面積820 km2，設(shè)計總庫容6375萬m3。灌區(qū)設(shè)干渠一條，總長38.71 km，設(shè)計流量9 m3/s;支渠8條，分支12條，總長215 km，設(shè)計流量在1～5 m3/s之間。主要灌溉澄城、白水兩縣的32萬畝農(nóng)田。

灌區(qū)開灌以來，累計引水4億m3，灌地450萬畝次，灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)得到了極大的改善，對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步起到了舉足輕重的作用。但由于灌區(qū)位于渭北黃土塬區(qū)，氣候條件惡劣，加之受原技術(shù)水平和施工經(jīng)濟(jì)條件限制，工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不高，襯砌率低，渠道經(jīng)過幾十年運行，原襯砌渠道大部分遭到破壞，致使渠道滲漏嚴(yán)重。因此，有效提高水利用系數(shù)，保護(hù)輸水工程安全運行至關(guān)重要。近年來，隨著灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目、陜西省關(guān)中九大灌區(qū)世行項目、農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)項目等工程相繼實施，根據(jù)灌區(qū)工程運行的實際情況，在支渠改造中推廣了U型襯砌，采用了合理的外傾角的設(shè)計，取得了非常顯著的成效，渠道面貌煥然一新，節(jié)水效果十分顯著。現(xiàn)就外傾角的技術(shù)問題和大家做一探討。

1 灌區(qū)歷年支渠設(shè)計與運行情況

1999年以前，灌區(qū)就對支渠進(jìn)行了的U型襯砌改造，當(dāng)時考慮到外傾角越小，施工越方便，對提高表面質(zhì)量及內(nèi)在質(zhì)量效果越明顯，故所有改造的U型渠道外傾角均采用8.5°。但由于灌區(qū)所處的特殊地理位置，冬季氣溫低，凍脹破壞力強(qiáng)，實踐證明外傾角8.5°的U型渠道在運行2～3年后，襯砌板直線段在凍脹力及外力作用下，基本從襯砌底部向上1/3高度處內(nèi)傾倒塌。經(jīng)過多年的運行，原襯砌渠道僅能保存圓弧段的混凝土襯砌，襯砌板后的土方也隨之倒塌，淤積于渠道中，嚴(yán)重影響灌溉效益的發(fā)揮。

1999年世界銀行貸款項目工程實施以后，灌區(qū)對一支渠、四、五、六支渠道進(jìn)行了U型襯砌改造;2001年續(xù)建配套節(jié)水改造工程項目開始實施，先后對四、五支渠下段、六支及六支二分支、七支一分支、八支正支及二分支進(jìn)行了U型襯砌改造。改造項目的外傾角調(diào)整為12°，截止目前，外傾角為12°的所有渠道現(xiàn)狀良好，無襯砌板內(nèi)傾和凍脹破壞現(xiàn)象。

2 襯砌渠道破壞的根由及措施

2.1 主要原因

1)凍脹破壞

灌區(qū)冬寒、夏熱。根據(jù)黃龍氣象站資料統(tǒng)計，年平均氣溫 12.2℃，絕對最高溫度 36.9℃，絕對最低溫度 －25.1℃。，屬寒溫帶半干燥氣候區(qū)，最大凍土深度為0.4 m左右，因灌區(qū)主要為小麥冬灌及玉米夏灌，按照往年慣例冬季灌溉時間為每年11月20日左右開始，歷時30天左右，春季灌溉時間為每年3月10日左右開始，歷時50天左右，夏季灌溉時間為每年6月10日至8月20日左右開始，灌溉歷時30天左右。冬灌時渠道存在凍脹現(xiàn)象，過去設(shè)計只注重考慮了防沖和防滲問題，對渠道凍脹考慮不周、重視不夠，導(dǎo)致大部分渠道因外傾角小而造成凍脹破壞、滲漏、淤積嚴(yán)重。根據(jù)工程現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，凡凍脹破壞渠道都明顯有裂縫和下部混凝土隆起現(xiàn)象。破壞渠道達(dá)80%以上。

2.2 工程老化失修

工程在運行其間受資金等條件的制約得不到及時的維修和養(yǎng)護(hù)，加之農(nóng)民不合理澆灌、取土等人為破壞，加劇了渠道防滲工程的老化進(jìn)程。

2.3 預(yù)防破壞的措施

1999年以后的支渠改造.所有結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)一為U型斷面。為了減小渠道破壞滲漏，首先將外傾角加大至12°，在現(xiàn)澆板后鋪設(shè)了防滲膜，根據(jù)渠道流量適當(dāng)加大襯砌厚度，厚度為8～10 cm。同時加大了渠道管理及日常養(yǎng)護(hù)。

3 選擇12°外傾角的理由

根據(jù)過去灌區(qū)渠道襯砌的斷面型式，主要有梯形、8.5°外傾角的U型渠道。渠道邊坡的破壞主要在襯砌下部的1/3處，而U型渠道的U型部位抗凍脹能力最強(qiáng)，因此在合理的選擇外傾角及直線段長度的同時，直線段與弧段的連接必須在襯砌高度底向上的1/3以上。而理論上渠道的外傾角越大，渠道越穩(wěn)定，但在實際施工過程中，外傾角越大，施工難度越大，蜂窩、麻面、表面平整度愈難控制，占地面積也越大;外傾角小，雖然能有效的降低施工和質(zhì)量控制的難度，但直線段的抗凍脹及抗內(nèi)傾能力降低，渠道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對較差。合理的選擇外傾角度至關(guān)重要。

1999年世界銀行貸款項目工程實施后，灌區(qū)在對四、六支渠改造采用了12°夾角，五支渠改造采用了15°夾角。在運行管理過程中觀測，兩種外傾角的渠道都比較穩(wěn)定，改善水流條件，減少淤積，同時減輕凍脹破壞，延長工程壽命。但12°外傾角的渠道占地面積小;更加有效的減少了工程回填量，縮斷了工期，降低了成本;外形美觀，寬深比優(yōu)于15°夾角。因此，灌區(qū)在所有的支渠襯砌中，都采用了12°的外傾角。

4 外傾角12°的優(yōu)點

4.1 砼質(zhì)量易于控制

在實際施工過程中，砼外傾角越小，邊坡坡度越小，砼內(nèi)氣泡容易消除，蜂窩、麻面愈少，同時砼表面平整度愈易控制。

4.2 抗凍脹性效果好

12°外傾角U型斷面較8.5°外傾角斷面抗凍脹性能強(qiáng)。

在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，U型砼渠道凍脹破壞主要發(fā)生在陰坡襯砌下部的1/3處，12°外傾角U型斷面將破壞位置放在了弧形斷面處，有利于抵抗凍漲破壞，外傾角的加大增加了對破壞的抵抗力，增強(qiáng)了渠道抗凍脹的性能。

4.3 降低工程成本

根據(jù)計算，外傾角增大，渠道穩(wěn)定性越好，但相應(yīng)的占地

面積大，渠道土方工程量增大，砼工程量也有所增加，相應(yīng)工程成本增大。為了合理的選擇既經(jīng)濟(jì)又實用美觀的U型渠道斷面，我們通過工程實踐、比較，認(rèn)為12°外傾角的渠道在滿足我灌區(qū)的具體情況的同時，有效的降低了工程成本。

4.4 節(jié)約水量、不易淤積

U型斷面較梯形斷面每公里輸水損失可減少3.7%，防

滲效果最好，它近似于最佳水力斷面，水流條件好，流速大，輸水輸沙能力強(qiáng)。通過以縱坡比1/2000，半徑、斜坡長各為1 m的渠道為例(見下表)，只有12°外傾角的渠道既能滿足強(qiáng)度要求，又能有效的增大過水流量。這樣，只要選擇合理的縱坡比，既能節(jié)約水量，渠道又不易淤積。

4.5 占地面積小

同樣以縱坡比1/2000，半徑、斜坡長各為1 m為例，灌區(qū)215 km的支渠，僅占地面積一項，15度比12°多占地25畝，18度比12°多占地48畝;同時由下表可以看出，過水面積也隨著外傾角的加大而降低。

表1 斷面計算表

4.6 美觀大方

渠道夾角直接影響渠道的美觀，無論渠道是寬淺式還是窄深式，都顯得不美觀大方，只有渠口寬度與渠道深度的比例在1.34～1.36之間，渠道才顯得美觀大方，同時還要滿足直段長等于半徑，而要滿足以上條件，12°夾角時最理想的選擇。

5 結(jié)語

石堡川灌區(qū)在U型渠道防滲襯砌工程中，針對過去U型渠道斷面設(shè)計(8.5°外傾角)，在凍脹力作用下直線段易傾覆破壞的現(xiàn)象，我們積極選用12°和15°的外傾角，在實踐中試驗、探索，通過多年的總結(jié)，認(rèn)為12°外傾角的U型渠道斷面設(shè)計在我灌區(qū)應(yīng)用效果良好。近年來累計襯砌支渠48 km，經(jīng)過十年的運行管理，無一處發(fā)生內(nèi)傾倒塌現(xiàn)象，大大提高了灌區(qū)渠系水利用系數(shù)及灌溉輸水能力，節(jié)水效果十分顯著。給灌區(qū)帶來了巨大的社會效益，對提高灌區(qū)抗御自然災(zāi)害的能力、促進(jìn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收，實現(xiàn)灌區(qū)水資源的合理配置，保障農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展起到了一定的作用。另外，12°外傾角的U型渠道斷面設(shè)計，對提高防滲工程質(zhì)量、加快施工進(jìn)度，降低工程造價和提高工程效益起到了良好的作用，為我灌區(qū)渠道防滲乃至灌區(qū)實現(xiàn)水利現(xiàn)代化奠定了堅實的基礎(chǔ)。