某大型輸水明渠工程優化設計分析

葛文慧

(黑龍江省寶泉嶺墾區水利勘測設計有限責任公司，黑龍江寶泉嶺154211)

1 工程概況

某輸水明渠全長275 km，渠段沿線多屬傾斜平原和丘陵地貌，覆蓋層由山麓坡積物和沖擊物構成，表層土壤以壤土、沙壤土、砂土以及碎石為主。山丘土層瘠薄，多有巖石裸露，散落分布有葉林、灌木叢及草本植物，植被較差;沖積扇及河道兩岸灘地賦存深厚的砂礫石層;平原地區肥厚，種植業發達。沿線屬溫帶半濕潤地帶，東亞季風氣候區，四季分明。冬季受西伯利亞大陸氣候氣團控制，寒冷多雪，屬寒冷氣候區。

2 工程地質

土巖體結構類型依據地表至渠道底板以下5 m的土巖體的巖性組合特征等因素，劃分為土體、巖體、土巖體和填土4大結構類型，共計64個工程地質段，見表1。

3.1 水面線設計

根據總干渠控制點水位及水頭分配成果，其種渠道分配水頭8.343 m，建筑物7.746 m，從上游向下游分段扣除渠道沿程損失，逐一扣除每座建筑物所分配水頭，計算出總干渠各段設計水面線。

水面線設計時考慮了以下各類損失:①各類需分配水頭的河渠交叉建筑物;②為穿越山體而設置的隧洞;③鐵路、公路交叉建筑物中的渠道倒虹吸、暗渠;④單獨設置的節制閘;⑤明渠的沿程損失，渠道縱坡在1/25 00～1/20 00。

3.2 橫斷面型式

在明渠的各種斷面形狀中，半圓形斷面是水力最佳的，但半圓形斷面不易施工，工程中采用最多的是梯形斷面。梯形水力最佳斷面通常都是窄深式的斷面，這種斷面雖然工程量很小，但不便于施工及維護，常因土方單價偏高而影響經濟性。經過比較，對于大流量輸配水的某干渠選用梯形實用經濟斷面，并為增強渠道抗凍穩定性，過水斷面采用弧型坡腳。在不同的地形條件下，分別采用全挖、全填、半挖半填3種不同的構筑方式和斷面結構，其中全挖方渠段長85 km，全塌方渠段長15 km，半挖半填渠段長102 km。全挖方渠道為地面高程高于渠道一級馬道高程的渠段，視開挖深度采用單一邊坡梯形斷面或帶馬道的梯形斷面。全填方渠道為地面高程低于渠底的渠段，橫斷面型式與全挖方渠道第一級馬道以下部分相同。半挖半填渠道為地面高程介于渠底高程和堤頂高程之間的渠段，其內坡斷面型式為單一邊坡的梯形斷面，填方外坡布置型式同全填方斷面。

表1 渠道工程地質分段表

3 施工工藝

3.1 水面線設計

根據總干渠控制點水位及水頭分配成果，其種渠道分配水頭8.343 m，建筑物7.746 m，從上游向下游分段扣除渠道沿程損失，逐一扣除每座建筑物所分配水頭，計算出總干渠各段設計水面線。

水面線設計時考慮了以下各類損失:①各類需分配水頭的河渠交叉建筑物;②為穿越山體而設置的隧洞;③鐵路、公路交叉建筑物中的渠道倒虹吸、暗渠;④單獨設置的節制閘;⑤明渠的沿程損失，渠道縱坡在1/25 000～1/20 000。

3.2 橫斷面型式

在明渠的各種斷面形狀中，半圓形斷面是水力最佳的，但半圓形斷面不易施工，工程中采用最多的是梯形斷面。梯形水力最佳斷面通常都是窄深式的斷面，這種斷面雖然工程量很小，但不便于施工及維護，常因土方單價偏高而影響經濟性。經過比較，對于大流量輸配水的某干渠選用梯形實用經濟斷面，并為增強渠道抗凍穩定性，過水斷面采用弧型坡腳。在不同的地形條件下，分別采用全挖、全填、半挖半填3種不同的構筑方式和斷面結構，其中全挖方渠段長85 km，全塌方渠段長15 km，半挖半填渠段長102 km。全挖方渠道為地面高程高于渠道一級馬道高程的渠段，視開挖深度采用單一邊坡梯形斷面或帶馬道的梯形斷面。全填方渠道為地面高程低于渠底的渠段，橫斷面型式與全挖方渠道第一級馬道以下部分相同。半挖半填渠道為地面高程介于渠底高程和堤頂高程之間的渠段，其內坡斷面型式為單一邊坡的梯形斷面，填方外坡布置型式同全填方斷面。

3.3 邊坡穩定分析及邊坡系數

邊坡穩定計算以地表至渠底下5 m范圍內的土巖體地質參數為主要依據，同時考慮地下水位及渠道挖填情況，各斷面挖方部位c，φ，γ根據地質勘察成果取值。地下水位以下部位取飽和固結快剪指標，對于地下水位以上部位采用自然快剪指標。

運行期，地下水位在設計水位以下，采用有頂托滲流情況下河流補給地下水時的公式計算:

地下水位上升系數S由下式計算:

地下水向渠內滲透浸潤線，按下式計算:

地下水滲透量:

渠道正常運用期，由于全斷面襯砌并鋪設土工膜，按透水地基上有鋪蓋斜墻土壩滲流計算公式計算浸潤線:

在地震基本烈度VII度區，考慮地震力作用對邊坡穩定的影響，進行抗震計算。一級馬道或堤頂公路荷載按汽—10級荷載考慮，將汽車荷載按土的容重簡化為均布荷載作用在路面上。

經計算分析，渠道土質邊坡系數為2.0－3.0，其中大部分渠段為2.5或2.0;巖心段邊坡，根據其風化程度，結構面產狀等因素分析確定，邊坡系數一般為0.7～1.0。

3.4 水力設計及斷面要素

土渠段過水斷面全部以混凝土襯砌，現場拉模澆注，真空吸水處理，表面壓實抹光，石渠段采用噴射混凝土補砌和砂漿抹面，表面光滑程度能夠保證渠道綜合糙率0.015。為滿足渠道安全輸水要求，渠道超高按下式計算:

堤方和半挖半填渠道堤頂高程或挖方渠道一級馬道高程，按下式計算:

3.5 渠道滲漏計算與防滲設計

渠道滲漏損失主要與渠床的土壤性質、水文地質條件、渠道濕周及輸水時間等因素有關，渠道滲漏損失量隨滲漏過程而變，分為自由滲漏和頂托滲漏。根據渠道沿線各段的土質、滲透系數、地下水位及渠道挖填情況，各渠段防滲前的自由滲漏按下式計算:

渠道頂托滲漏計算公式為:S頂=rs;渠道防滲后滲漏量按下式計算:S防=as。

總干渠沿線黃土類覆蓋長度占渠長的60%以上，土質渠基多為輕壤及砂質壤土，在無防滲措施情況下渠道滲漏量很大，因此應采取防滲措施，并根據各渠段土質、挖填情況，選取不同防滲方案，經過投資、防滲效果比較，選定最佳方案。

渠道襯砌分為現澆混凝土和噴射混凝土兩種形式:土質渠段采用現澆混凝上襯砌，弱風化或較新鮮巖石段，先噴混凝土找平，然后用水泥砂漿抹面。為降低造價和襯砌施工方便，各段渠道均采用等厚矩形泥凝土板襯砌。

現澆混凝土板最小厚度，在溫和地區為8 cm，寒冷地區為10 cm，考慮總干渠常年輸水，渠底不會出現負溫，確定渠道現澆溫凝土邊坡厚10 cm，渠底厚8 cm。

現澆混凝土縱縫、橫縫間距均為5 m。對于壓煤渠段等特殊段加設沉降縫，縱橫沉降縫間距均為1.0 m。渠道襯砌分縫采用結構簡單，施工方便的矩形縫，縫寬一般采用3 cm。本段渠道伸縮縫為通縫(貫通初砌板厚)，縫寬3.0 cm。初砌分縫填料選用性能良好的聚氯乙烯膠泥，對于特殊段渠道及變形較大部位選用聚氯乙烯膠泥，對于特殊段渠道及變形較大部位選用聚硫密封膠。

3.6 渠道防凍脹設計

總干渠地處淺層季節凍十區，冬季基土凍脹對渠道混凝土襯砌有很大的破壞作用。對于標準凍深＞10 cm的渠段，需進行渠道的設計凍深和凍脹量計算，當渠道的設計凍脹量＞1 cm時，采取抗凍脹措施。

防凍脹設計既要保證工程安全，又要盡量降低工程造價，達到技術可行、經濟合理、安全可靠。為此對防凍脹設計按3種情況考慮:①渠坡水位變幅區防凍，其他部位不防冰;②渠坡全防凍，渠底不防凍;③全斷面防凍。

3.7 渠道襯砌結構設計

3.7.1 抗浮穩定

渠道襯砌板受到地下水楊壓力頂托時，渠道內、外水壓力相等工況下，穩定滿足要求。經計算，當渠道水位驟降時，渠內外水位差不允許＞0.06～0.11 m;在渠內無水時，渠外地下水位受渠底板抗浮穩定要求控制，即地下水位應不高于渠底0.11 m。

3.7.2 抗滑穩定

抗滑穩定根據下式計算:K=摩擦力/下滑力(K=1.2－1.3)。渠道襯砌危險滑動面出現在復合土工膜與保溫板之間，為了保證保溫板與復合土工膜之間不產生相對滑動，采用防滲保溫一體化材料。

3.7.3 渠道襯砌排水設計

在地下水位高于渠道設計渠底的渠段，地下水會對渠道襯砌板產生揚壓力，一般平原地區渠道沿線地下水位采用水均衡法進行預測，預測渠道建成后的地下水位，采用連續3個豐水年補給的標推。地下水位高出渠道設計渠底的渠段長31.9 km，占渠線總長的14%，其中地下水位高出渠道設計水位的渠段長6.8 km，除建筑物外需做排水的渠段長28.281 km。地下排水有兩種方式:外排，總干渠附近存在天然溝空等有自流外排條件的渠段或地下水水質不符合要求而必須外排的渠段12是內排，村地下水水質良好，且不具備自流外排條件的渠段，特地下水內排入總下渠。在總干渠渠坡腳兩側襯砌混凝土板下埋設透水暗管集水，每隔一定間距設一逆止式集水箱，集水箱出水管的出口下緣距渠底5 cm。當地下水水位高于渠內水位時，地下水通過集水暗管匯入集水箱，逆止式閥門自動開啟，由出水管排入渠內.使地下水位降低;當地下水水位低于渠內水位時，逆止式閥門自動關閉，防止渠水外滲。

3.8 渠坡防護設計

為了匯集和排除渠道坡面雨水，防止渠坡沖蝕和雨水滲入危及渠道安全，需對渠道坡面進行防護。渠坡防護措施是在渠道襯砌板頂至一級馬道坡面采用現澆混凝土板防護;一級馬道以上渠坡及填方渠段背水被面設置排水溝。

3.9 渠外截排水溝、防護堤及防護林帶布置

為排除總干渠外地面的坡水，疏通串流區和總干渠截斷的原有排水通道，需要渠外設置截洪排水溝(簡稱截流溝)。截流溝一般位于左岸防護林帶的左側，采用土渠。當渠道穿過山塹、山坡地段，地形較陡，為保護渠道安全，截流溝采用漿砌石護砌。

［1］ 毛耀，邵東國，沈佩君.南水北調中線工程水量優化調度模型研究［J］.武漢水利電力大學學報，1998，31(01):6－10.

［2］ 王銀堂，胡四一，周全林，文丹，王方清，吳澤宇.南水北調中線工程水量優化調度研究［J］.水科學進展，2001，112(11):72－80.

［3］ 王長德，阮新建.南水北調中線總干渠控制運行設計［J］.人民長江，30(01):19－21.