小型混凝土矩形渠襯砌材料的比選設計

陸偉剛，姚天雯，尹靈艷，徐 波

(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引 言

農田灌溉渠系作為田間地頭的“毛細血管”，是當前的高標準農田建設的重要組成部分，由于涉及面廣，渠道的斷面、襯砌方式和材料的選擇標準不統一，導致工程投資的浪費現象時有發生。針對上述問題，國內外水利工程專家進行了廣泛研究。

目前，矩形渠道具有占地面積小、適用范圍廣、工期短等優點，在農田水利基本建設中仍有重要地位。在矩形渠道的斷面計算上，趙延風[1,2]通過對矩形斷面明渠均勻流水力計算公式進行恒等變形，得到渠道水深與底寬的直接計算公式，又簡化了矩形渠道收縮斷面水深的基本方程，得到無量綱水深迭代方程，為特殊工況下的矩形渠道斷面水深計算提供了新的思路；同時趙瑞娟[3]、于佳[4]分別對矩形斷面的流速分布及矩形渠道半圓柱形量水槽做了數學分析。而關于矩形渠道斷面及渠道襯砌材料的研究主要集中在新型防滲材料的應用及襯砌材料的經濟性上。何武全[5]論述了目前我國渠道襯砌與防滲技術的發展現狀以及未來的發展方向。李波等[6]介紹了應用于灌區渠道的三種生態襯砌的方法及其應用前景。張文淵[7]結合江蘇省節水改造的工程經驗，研究了渠道進行混凝土襯砌后所帶來的經濟效益。Prabhata K. Swamee[8]提出了最低襯砌成本下矩形及梯形渠道的斷面設計方法。岳小松[9]具體針對土地整理項目中出現的梯形、U型、矩形三種渠道斷面，進行了現澆、預制、磚砌等五種襯砌方案的比選設計，通過每米渠道單價的對比，得出耕地項目中可優先選用的襯砌渠道種類。楊謝蕓[10]等對混凝土渠道的施工方案也做了相關研究。

從上述分析可以看出，矩形渠道的研究內容較為豐富，但在襯砌材料的經濟性研究上，矩形渠多作為一個比較類別出現，與其他斷面形式渠道的橫向對比較多，缺少矩形渠自身襯砌材料的比選研究。而矩形渠在末級渠道建設中應用仍十分廣泛，因此本文主要研究小型混凝土矩形渠襯砌材料的選擇，在滿足結構受力要求的基礎上給出了材料比選設計的方法，并運用到江蘇省小型灌溉渠道的設計中，提出了不同側墻高度下農田小型混凝土矩形渠襯砌材料的選用建議，為矩形渠道襯砌材料的選擇提供參考。

1 比選設計方法

本文討論的矩形渠是一種側墻與底板整體連接的矩形斷面槽型建筑物[11]，主要適用于平原地區小型農田水利灌溉工程，填土高程考慮與渠頂齊平，渠道深度一般較淺，地下水位較低，故不考慮地下水的影響，渠道尺寸示意圖如圖1所示。本文荷載計算原則及混凝土結構計算系數均按照《水工混凝土結構設計規范》SL191-2008確定。

H-側墻高度，D1-側墻厚度，D2-底板厚度。圖1 渠道斷面示意圖Fig.1 Canal Section Diagram

1.1 內力計算

1.1.1 側墻內力計算

側墻內力按底端固結的懸壁板受彎構件計算，混凝土結構計算時不考慮墻身的自重作用。完建期側墻僅受墻后土壓力作用，墻后土壓力對側墻底端的彎矩設計值為M1，此時側墻底部截面彎矩值Mq=M1；運行工況下，側墻受墻后土壓力與渠道內水壓力共同作用，渠道內水壓力對側墻底端的彎矩設計值為M2，此時(側墻底部截面彎矩值)M′q=M1+M2。

1.1.2 底板內力計算

底板按受彎構件計算。完建期作用于渠道底板的荷載包括：底板自重(方向朝下)、地基反力(方向朝上)的均布荷載和兩端側墻自重為P的集中荷載。考慮到底板自重與其產生的地基反力相抵消，故在計算地基反力時底板自重可不計，同時在內力計算時也不考慮底板自重的作用。即作用于底板上的均布荷載可只計向上作用的地基反力q2。根據截面法，由式(1)、(2)可分別算得完建期底板端部的截面彎矩Md及跨中截面彎矩Mz：

(2)

式中：B為渠口寬度；D1為渠道側墻厚度。

運行期作用于渠道底板的荷載包括：底板自重(方向朝下)、渠內水重(方向朝下)、地基反力(方向朝上)和兩端自重為P的集中荷載。與完建期相同，作用于底板上的均布荷載可只計向下作用的槽內水重q′1及向上作用的地基反力q′2。運行期底板端部的截面彎矩M′d及跨中截面彎矩M′z按式(3)、(4)計算：

(4)

1.2 結構計算

1.2.1 素混凝土結構計算

素混凝土矩形渠的側墻及底板厚度可根據矩形截面純彎構件的正截面承載力公式得：

(5)

式中：K為承載力安全系數；M為彎矩設計值，N·mm；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值，N/mm2；b為矩形截面寬度，mm；γm為截面抵抗矩塑性系數。

1.2.2 鋼筋混凝土結構計算

鋼筋混凝土矩形渠道的計算內容是根據擬定的截面尺寸，進行側墻及底板截面承載能力極限狀態計算。

鋼筋混凝土矩形渠在進行配筋計算時，側墻、底板均按照受彎構件正截面承載能力極限狀態計算公式(6)(7)，解得需配的鋼筋面積 。

(6)

fcbx=fyAs

(7)

式中：K為承載力安全系數；M為彎矩設計值，N·mm；fc為混凝土軸心抗壓強度設值；fy為鋼筋的抗拉強度設計值，N/mm2；As為縱向受拉鋼筋的截面面積，mm2；h0為截面有效高度，mm；b為計算截面的寬度，取單位寬度1 000 mm。

1.3 材料費用計算

考察渠道的造價可發現，同一規格矩形渠道的人工費、施工機械使用費等差別不大，影響同種規格渠道造價的主要因素是材料費用，在滿足強度設計要求的情況下，材料費越省則造價越低[12]。

對照矩形渠側墻內力計算公式，可知側墻的受力情況以及結構計算與渠道寬B無關，而與渠道側墻高H及墻內水深h有關；再分析底板內力計算公式，底板彎矩主要決定于側墻底端彎矩，同樣與側墻高度關系較大。因此本文以渠道側墻高度的變化為主，不同側墻高度選取常見的幾種底板寬度與之對應，由結構計算得到不同襯砌材料的渠道尺寸，然后結合當地建筑材料指導價，對比得出不同側墻高度矩形渠經濟的襯砌材料類型。具體比選設計流程圖如圖2所示。

圖2 矩形渠襯砌材料比選流程圖Fig.2 Flow Chart of comparison and selection in rectangular canal lining material

2 工程應用實例

根據江蘇省小型農田渠道灌溉工程中常見的小型渠道實際斷面尺寸，本文選取側墻高度為0.6～1.2 m的矩形渠道進行襯砌材料經濟比選設計。

根據結構內力計算公式(考慮渠道安全超高為0.2 m)可求得各型號矩形渠在不同工況下側墻、底板內力，具體結果如表1所示。

分析表1中計算結果可知，側墻、底板的完建期為最不利工況，底板最大彎矩為端彎矩且底板寬度對底板端彎矩的影響較小。考慮到鋼筋混凝土耐久性的要求，二類環境下混凝土最低強度等級為C25，故混凝土型號選用C25、C30；素混凝土受彎構件承載力安全系數K取2.0，根據式(5)進行不同襯砌材料的渠道結構計算，具體結算結果如表2所示。

根據《渠道防滲工程技術規范》GB/T50600-2010的相關規定，本文所計算的渠道處于溫和環境，混凝土渠道防滲層最小厚度是4 cm，鋼筋混凝土防滲層的最小厚度是7 cm[13]。分析表2中側墻、底板厚度計算結果可知，當渠道側墻高度小于0.8 m時，C25、C30混凝土用量相同，顯然C25型號的混凝土更節省投資；當渠道高為0.9 m時，配筋僅能降低少許C25素混凝土側墻的襯砌用量，故不進行配筋設計。當渠道側墻高度大于等于1.0 m的時，素混凝土矩形渠道側墻、底板厚度均大于7 cm，這時可通過配筋減小側墻、底板厚度以節約工程造價。因此，對側墻高度小于0.8 m的渠道，可直接選擇C25素混凝土襯砌；對于側墻高度大于0.8 m的渠道進行素混凝土襯砌材料經濟比選，其中側墻高度大于1.0 m的渠道還需加入配筋設計方案進行比選。考慮渠道斷面較小，本文配筋設計中取混凝土厚度為7 cm，鋼筋間距為200 mm，根據受彎構件的結構計算公式進行配筋計算，各渠道配筋結果如表3所示。

表1 渠道側墻、底板內力計算表Tab.1 Calculation of internal force of side walls and floors

由此得到各型號矩形渠的結構尺寸，同時材料單價參照《江蘇省2015年1-12月份建設工程材料指導價》，預拌混凝土(普通)的指導價：C25用387 元/m3，C30用398 元/m3，HPB235采用3 220 元/t，HRB335采用3 010 元/t，可計算出單位長度渠道的材料費用表，具體見表4。

由表4可知，側墻高大于1.2m時，可通過配筋實現降低材料費用的目的。側墻高度為0.9～1.1m時，仍是采用C30素混凝土的襯砌方式材料費較低。

表2 不同襯砌材料側墻及底板厚度計算表Tab.2 Thickness calculation of side walls and floors in different lining materials

表3 配筋計算結果表Tab.3 Reinforcement design of rectangular canals

表4 單位長度混凝土矩形渠材料費用計算表Tab.4 Calculation of material cost for concrete rectangular channel with unit length

注：表中Φ6和Φ8鋼筋的重量分別按照0.222 kg/m，0.395 kg/m計算。

3 結 語

針對目前農田灌溉渠系整理項目中出現的各級混凝土矩形渠道型號繁多、襯砌材料使用雜亂的現象，本文研究了不同規格矩形渠常見襯砌材料的比選方法，并應用到江蘇省小型灌溉渠道的設計中，取得了如下結論：

(1)計算了小型矩形渠道側墻、底板的內力，分析得到渠道內力計算時完建期為最不利工況，且側墻與底板的最大彎矩主要與側墻高度有關。

(2)根據內力計算結果，按矩形渠道側墻高度變化計算了不同型號矩形渠在C25、C30素混凝土以及C25鋼筋混凝土三種不同襯砌材料下的結構尺寸，結合江蘇省建筑材料單價，計算得到了單位長度各襯砌材料所需的材料費。

(3)總結出側墻高度與襯砌材料之間的選用關系，推薦了小型混凝土渠道襯砌材料的選擇方法：側墻高度小于0.8 m適宜選擇C25素混凝土襯砌；側墻高度在0.9～1.1 m之間時，C30素混凝土材料費更低；當側墻高度大于1.2 m時，選擇C25鋼筋混凝土的襯砌方式更為經濟。

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[1] 趙延風，張寬地，蘆 琴．矩形斷面明渠均勻流水力計算的直接計算公式[J]．西北農林科技大學學報(自然科學版)，2008,(9)：224-228．

[2] 趙延風，洪安宇，王正中．基于公式覆蓋度的矩形渠道收縮斷面水深計算[J]．人民長江，2016,(6)：92-94．

[3] 于 佳，呂宏興．矩形渠道半圓柱形量水槽數值模擬研究[J]．節水灌溉，2010,(8)：8-10．

[4] 趙瑞娟，劉鴻濤，呂宏興．矩形斷面渠道流速分布與測流方法探討[J]．人民黃河，2008,(3)：33-34．

[5] 何武全，劉群昌．我國渠道襯砌與防滲技術發展現狀與趨勢[J]．中國農村水利水電，2009,(6)：3-6．

[6] 李 波，洪 林，李瑞鴻，等．渠道生態襯砌技術及其應用前景[J]．節水灌溉，2010,(10)：64-65,71．

[7] 張文淵，李曉琴．灌溉渠道防滲處理經濟分析[J]．節水灌溉，2001,(1)：25-26．

[8] Swamee, P.K.，Mishra, G.C.，Chahar, B.R．Comprehensive Design of Minimum Cost Irrigation Canal Sections[J]．Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2000，126(5)：322-327．

[9] 岳小松．土地整治項目灌溉渠道襯砌方案經濟比選研究[J]．安徽農業科學，2016(30)：236-238,254．

[10] 楊謝蕓，簡興昌，李 靜．南水北調中線工程大型渠道混凝土施工方案選擇[J]．人民長江，2010(16)：75-76,93．

[11] 熊啟鈞．灌區建筑物的混凝土結構計算[M]．北京：中國水利水電出版社，2011．

[12] 尹靈艷．矩形渠道結構設計與應用研究[D]．江蘇揚州：揚州大學，2016．

[13] GB/T50600-2010，渠道防滲工程技術規范[S]．