沈家河灌區弧形底梯形渠施工技術研究

張軍明（原州區水務局，寧夏 固原 756000）

沈家河灌區弧形底梯形渠施工技術研究

張軍明
（原州區水務局，寧夏 固原 756000）

弧形底梯形渠是水力條件較好和經濟實用型渠道斷面，它具有防滲漏效果好，輸水能力強，穩定性強、抗凍脹，節省渠道占地少等優點。本文結合在原州區沈家河水庫灌區改造工程中的廣泛應用，重點對弧形底梯形渠道襯砌施工技術進行了分析研究。

灌區；渠道；施工，技術

1 研究背景

寧夏固原市原州區沈家河水庫灌區位于清水河流域，距固原市區20km，地理位置為東徑106°15′～106°17′，北緯 36°04～36°08′。該灌區始建于1962年10月，屬于清水河上游的一座中型水庫灌區，渠道分為干、支、斗、農四級渠道，干渠分總干渠、東干渠和西干渠，斗農渠217條，灌區涉及頭營、彭堡2個鎮，7個行政村，3811戶，1.73萬人，控制灌溉面積4.0萬畝，其中實灌面積2.0萬畝，人均純收入3520元，屬于原州區中上等水平。灌區地勢較平坦，土壤肥沃，交通方便，適宜發展灌溉農業，是原州區主要的糧油生產基地和發揮效益最好的灌區。

1.1 工程任務

沈家河水庫灌區節水改造項目于2009年列入第一批全國小型農田水利重點縣項目建設，同年10月已建成配套干支渠11條28.6km，斗農渠217條114km，建筑物 24658座。改造道路 26.2km，恢復灌溉面積2.0萬畝，改善灌溉面積1.5萬畝。

1.2 工程建設方案

該水庫灌區是在原老灌區上進行節水改造工程建設，骨干渠道基本分干、支兩級渠道，完善增設農渠。干渠大體上和等高線平行，以便自流控制較大的灌溉面積，斗渠基本垂直干渠布置，即垂直等高線布置。斗農渠的布置滿足機耕要求，斗渠長度在280～1500m之間，間距在200～800m；農渠長度為200～800m，間距100～200m。灌區保持原東、西干渠及西高支渠位置及長度不變，總長27.5km，共規劃布置斗渠83條，其中新增設斗渠9條，增設農渠16條，東干渠增設5條斗渠，共45條斗渠，西干渠增設4條斗渠，共32條斗渠，斗、農渠總長84.07km。改造配套建筑物如支斗門、陡坡等，量水堰、跌水、車橋、生產橋、農口等。干、支渠比降保持不變，干渠改造段采用弧形底梯形渠斷面，田間渠道按新設計“U”型斷面襯砌，田間采取小畦灌溉技術。下面著重介紹沈家河東干渠改造段設計和施工過程。

2 渠道設計

工程設計的原則是“以節水增效為中心，以減淤防滲為重點”。沈家河東干渠根據原有灌區實際控制面積和需水量來確定渠道設計流量，同時考慮防滲效果、不沖不淤、抗凍脹性能、施工便利等主要因素確定渠道斷面。

2.1 渠道縱斷面設計

經過實地踏勘測量干渠現狀，對東干渠需要改造的長度18km，進行規劃推算，基本維持渠道現狀縱坡為1/1000，渠道現狀及今后改造高程相銜接。支渠取水口底高程均和干渠底齊平，改造段斗口底高程在滿足灌溉情況下，盡量與干渠底齊平，以滿足灌溉要求。

2.2 渠道橫斷面設計

2.2.1方案比較

為了提高干渠的輸水能力，對東干渠的原梯形斷面和U形斷面進行比較，推薦U形斷面，根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-99）和2010年10月《寧夏灌區支斗農渠襯砌定型圖集》要求4級以上渠道斷面宜采用弧形底梯形斷面（又稱弧形底斜直邊復合斷面），為此，我們選擇弧形底梯形與U形兩種斷面進行比較。

渠道挾沙淤積能力采用《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-99）中黃河中、下游地區，按黃委水利科學研究院公式計算:

式中:H——斷面平均水深（m）；

B——水面寬度（m）；

g——重力加速度（m/s2）；

ω——沉速（cm/s）（泥沙粒徑 d≤0.05m m）。

對弧形底梯形和U形兩種斷面形式進行挾沙能力計算，計算結果見表1:

表1 沈家河東干渠設計流量挾沙淤積能力表

從表1中可以看出，兩種斷面的挾沙能力基本接近，但弧形底梯形斷面較U形斷面，施工方便，回填量小，工期短；防滲時，其開挖土模相對容易，可用滑動模板施工，大大提高了施工速度。沈家河水庫灌區灌溉歷時較長，干渠改造的工期要求緊，因此推薦采用弧形底梯形斷面。

另外，該段干渠改造后，渠道口寬縮窄1.34m，渠堤加高0.4m，渠道堤頂寬度仍為現狀的一側4m和一側6m，盡量少占地。

2.2.2結構設計

（1）渠堤穩定分析

改造段設計渠深為2.2m，填土高度2.2m，根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-99），堤填土高度≤3m時，回填壤土時，內坡取1∶1，外坡為砂土取1∶1.5。弧形底梯形土槽是否穩定與土壤ψ值和с值有直接關系，據該渠段地質勘察報告可得:基土c值為20kpa、ψ值為25.4；渠堤土c值為25.5kpa、ψ值為23.7°，干容重為1.38t/m3。根據秦勒圖表法求得坡角β值可取為90°，得弧形底梯形渠的坡角（即斜直邊外傾角）為45°，完全能夠滿足穩定要求。

（2）襯砌厚度確定

弧形底梯形斷面襯砌厚度與渠中流速和斷面半徑有關，改造段半徑為2m，根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-99）和原州區中小型水庫灌區近多年的探索和已建成渠道運行經驗，結合本次改造渠段處于高填方段，襯砌厚度取10cm厚，每1m加一條尺寸為（10+20）×20cm的肋梁（在施工中，因肋梁不利于土工布鋪設被去掉），采用現澆200#混凝土防滲進行澆筑收面。

（3）渠道抗凍脹計算

根據《固原市天氣預報氣象資料》1975～2008近33年資料統計，灌區最大凍土深度為150cm，多年平均凍深29cm。根據《渠道工程抗凍脹設計規范》（SL 23-91）要求，經計算可得渠道向陽面凍脹量h=0.067cm～0.335cm，底面h=0.12cm～0.627cm，遮陰面h=0.155cm～0.78cm。根據規定混凝土渠道邊皮允許位移值0.5～2cm，底部弧形段允許位移值4～5cm，計算值均在規范允許的范圍，滿足抗凍要求。

渠道凍脹量與其基土的含水量ω關系很大，若ω＞28%時，渠道遮陰面的凍脹量不能滿足規范要求。為了降低渠基土的含水量，防止土基凍脹破壞渠道，渠道斷面選為寬淺式。渠道防滲體采用現澆200#混凝土，抗凍標號為 D100，同時每隔4m設一道橫向伸縮縫，因邊坡和弧形底凍脹位移不一致，在斜直邊與弧形底連接處設縱縫，縫寬均為2cm，縫內采用聚氯乙烯膠泥填塞，臨水側用1∶1∶4瀝青水泥砂漿勾縫。因渠基土為自重濕陷性黃土，故渠道防滲體的抗滲標號取S40為了確保伸縮縫的防滲處理效果，在縱橫向伸縮縫底部鋪設80cm寬帶狀土工布，形成雙層防滲結構。

2.2.3橫斷面設計圖

橫斷面設計圖見圖1。

圖1 橫斷面設計圖

3 工程施工

3.1 土模成型

為了保證質量達到設計要求，嚴防渠道在運行時沉陷和滲漏變形，將弧形底梯形渠土方回填分兩步進行。一是在渠底弧段范圍內清除表層腐殖土，將邊坡開挖成臺階狀，底部原土層用機械碾壓，分四層進行全斷面回填1m高；二是兩側坡面采用分蹬方式分層貼坡，機械夯打而成，貼坡尺寸寬于設計尺寸25cm～30cm。土方回填到位后，按設計要求固定土模線架，線架間距4m，線架與線架間勾起施工線，人工開挖、精修到位，嚴防超挖或欠挖，如果出現超挖情況采用草泥補填。

3.2 混凝土工序板

土工布的鋪設及混凝土襯砌現澆，采用滑模間隔跳倉，分一序板和二序板分步進行，即:沿渠道軸線按結構縫（間距4m）等距離劃分并編號，先橫向施工編號為1、3、5、7、9……的一序板，再進行編號為2、4、6、8、10……的二序板，利用已凝固并且強度達到50%以上的一序板橫側緣做為二序板的滑道進行混凝土澆筑，具體順序見圖2“混凝土工序板平面圖”。

圖2 混凝土工序板平面圖

3.3 土工布鋪設

按照土工布的幅寬，先鋪設一序板的土工布，寬于混凝土的分塊尺寸并留出粘接長度（一般為15cm～20cm）。注意土工布的粘接必須密實牢靠。將土工布按設計尺寸提前裁好，沿渠道橫向鋪設，要求有一定的松馳度，并緊貼渠槽土模。鋪設速度應與混凝土澆筑速度相配合，以免土工布裸露時間過長風耗日曬及人為損壞。切忌施工中在土工布上打眼。

3.4 模具加工

（1）滑道加工

根據設計要求，滑道加工分為弧形段和斜直段兩部分。弧形采用8m m厚的鋼板加工成滑道的上、下面，兩側用帶鋼與鋼板焊接，滑道成型后橫斷面是矩形；兩條滑道凈距4m（與橫向結構縫尺寸相同），在弧形段上部（即縱向結構縫尺寸位置）用2m m厚鋼板（做隔板用）用螺絲將其連接固定。斜直段滑道用10#槽鋼下面焊8m m厚鋼板加工成矩形斷面，下部與弧形段滑道用螺絲連接，上部用角鐵加工成的橫擔仍用螺絲固定。這樣弧形段和斜直段滑道是一完整的組合，保證了滑道的結構穩定性；滑道下部加工成平面，必須打磨光滑，保證滑道承壓時不損傷與其接觸的土工布。

（2）雙滾筒式振動梁加工

為了保證弧形段混凝土振搗密實及表面平整度，經精心研究，認真設計，決定將原平板振搗器完成的振搗工作，改為用自制的雙滾筒式振動梁。具體結構是:用長4.2m、φ 80的厚壁鋼管兩根，在兩端中心處焊接φ 20的圓心軸；用40×12cm的10m m厚鋼板鉆φ 22的孔固定兩端的圓心軸，軸間距32cm；鋼板塊與上部橫梁（用10#槽鋼加工而成）焊接，橫梁上中部安裝振力900kg、振幅15cm的2.2kw振搗器一臺；為了保證橫梁整體性和減少振力的損耗，提高振動梁的振搗效果，用 φ 20鋼筋加工成加強梁，與橫梁焊接。“雙滾筒式振動梁結構示意圖”見圖3。

圖3 雙滾筒式振動梁結構示意圖

（3）斜直段牽引式滑動模板加工

斜直段混凝土澆筑采用卷揚機牽引滑動模板施工。滑模長4.2m，寬60cm，選用8m m厚鋼板及∠70×70的角鋼組焊而成；填料口與模板成45°角，上部中間設吊環用鋼絲繩與卷揚機連接；模板上部設有操作平臺。“滑動模板組合機具圖”見圖4。

圖4 滑動模板組合機具圖

3.5 現澆混凝土襯砌施工

（1）現澆弧形段混凝土

根據設計尺寸，在土工布上將弧形段滑道固定好，將砼入倉內，用人工進行平整；起動雙滾筒振動梁，在滑道上來回拖動，速度要慢而穩，振過一兩遍后要認真補平缺料部位，保證砼將液飽滿、表面平整；用人工將面層壓實趕光，必須保證原漿作業。

（2）現澆斜直段混凝土

首先將斜直段滑道與弧形段滑道連接固定，卷揚機在渠頂適當位置錨固就位，將滑動模板安放在滑道下部。機具就位后，給滑模中填裝混凝土，第一次將料填滿，用插入式振搗器認真振搖，之后要控制滑模的提升高度，每次為滑模寬度的1/3，振搗時要將捧頭插入下層10cm左右，防止施工縫銜接不良。注意，提升滑模時要緩慢均勻，防止混凝土斷裂。面層隨打隨抹，原漿作業。

（3）伸縮縫施工

一序板施工時，在混凝土澆筑完畢后，將固定弧形段滑道的2cm厚隔板取出，用聚氯乙烯膠泥填塞縱縫下部，上部用1∶1∶4瀝青水泥砂漿封填，隨整體面層壓實趕光；橫縫在二序板施工時，將準備好的2cm厚、10cm寬聚氯乙烯膠泥板固定在一序板的側緣，隨二序板的混凝土施工一次成型。

4 工程效益

沈家河干渠改造前，淤積厚度達1-1.5m，每年清淤1-2次，耗資近24萬元。目前改造后干渠的挾沙淤積能力明顯減少，弧形底梯形渠比梯形渠減少淤積量提高2倍左右，尤其是小流量運行優勢更大；改造后，年節約清淤費用3萬多元，東干渠渠系水利用系數提高了1.83%，年節約水方50萬m3，年節約水費15萬元；干渠全部防滲后，年節約清淤費用20多萬元，年節約水量140萬m3，年減少水費支出42萬元。

施工工藝的改進，不僅提高了工程進度，而且保證了工程質量；原漿收面不僅提高了渠道的外觀質量，而且提高了渠道的抗沖刷能力，降低了渠道糙率系數；雙滾筒振動梁不僅創新了施工工藝，而且探索出了一條大型渠道施工的新路子，節省工程施工費用約5萬元/km。

5 結 語

固原市原州區屬于黃土丘陵干旱山區，水資源缺乏，干旱缺是水嚴重制約當地農業經濟社會發展的主要因素，而農業灌溉用水量占全區總用水量的90%以上，因此大力發展節水灌溉技術，提高灌溉水利用效率是緩解我區水資源供需矛盾的必由之路。水庫灌區改造中渠系配套工程占重要部分，渠道砌護防滲工程技術，是節水灌溉技術中應用最廣泛的一項技術，原州區水庫灌區已建成混凝土梯形、弧形底梯形斷面、U形等形式的支、斗、農渠防滲工程，為灌區節水發揮了巨大作用，通過實踐應用過程和調查中總結出弧形底梯形，不論從力學結構分析計算，還是設計、施工技術和運行管理方面，詳細研究了各種襯砌渠道在凍脹作用下的受力狀態進行比較，干支渠采用弧形底梯形渠斷面形式是最佳斷面，從設計到施工技術已經成熟，近幾年已在原州區水庫灌區改造配套中進行推廣應用，深受廣大用水戶贊同，渠道工程節水效益明顯。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.024

張軍明（1965年—），男，高級工程師。