地下水位埋深渠道橫斷面設(shè)計(jì)分析

□段 斌（喀什地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院阿克蘇分院）

地下水位埋深渠道橫斷面設(shè)計(jì)分析

□段 斌（喀什地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院阿克蘇分院）

在進(jìn)行渠道斷面設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮渠道地層巖性特征、地下水位埋深、渠床糙率、邊坡系數(shù)、渠道不沖不淤流速等方面，力求保證工程質(zhì)量的同時(shí)，降低工程費(fèi)用，文章基于某渠道工程地下水位較深，揚(yáng)壓力較大，渠底必須有透水性能的實(shí)際情況，進(jìn)行了渠道橫斷面設(shè)計(jì)，并提出“全斷面梯形渠道，底板、邊坡板為C20現(xiàn)澆混凝土，砂礫石墊層方案”和“全斷面梯形渠道，底板現(xiàn)澆、邊坡板為預(yù)制六棱混凝土板，砂礫石墊層方案”，進(jìn)行了方案的綜合比選。

埋深；渠道；橫斷面；設(shè)計(jì)

1 渠道橫斷面設(shè)計(jì)與比選

在進(jìn)行地下水位埋深較深渠道橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮渠道斷面形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)與位置，并體現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)原則，既保證渠道水位高程符合要求，不沖不淤周期性平衡性，保持邊坡穩(wěn)定。采用水力計(jì)算并按照明渠均勻流進(jìn)行渠道橫斷面尺寸的確定。公式如下：

其中，Q——渠道流量（m3/s）；ω——過水?dāng)嗝婷娣e（m3）；C——利用曼寧公式計(jì)算的謝才系數(shù)（）；R——水力半徑（m）；i——水力比降，同渠底比降。

1.1 水力比降

水力比降即為單位渠長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的渠底降落具體值，在渠道流量既定情況下，渠底比降增大時(shí)，過水?dāng)嗝婷娣e將減小，渠道水位落差增大，可能加速渠道沖刷。總之，水力比降對(duì)渠道輸水能力、工程規(guī)模、渠道沖淤積、渠道穩(wěn)定運(yùn)行等有直接影響。在確定渠道水力比降時(shí)，應(yīng)防止深挖與高填，為防止渠道沖刷，可考慮增加比降。

1.2 渠床糙率

渠床糙率的大小與C值有關(guān)，C較大則渠道過水能力強(qiáng)，渠床糙率小，反之則反是。如果在渠道設(shè)計(jì)時(shí)糙率較大，但實(shí)際建成運(yùn)行后糙率減小，則會(huì)因?yàn)榍缹?shí)際過水能力的增大而加速?zèng)_刷，并影響下級(jí)渠道引水，造成渠道斷面的閑置浪費(fèi)。又如果設(shè)計(jì)渠床糙率值小于實(shí)際值，則渠道實(shí)際過水能力明顯偏小，則反而會(huì)因流速降低而導(dǎo)致淤積［2］，可見，選用與實(shí)際糙率值接近的科學(xué)合理的渠床糙率值相當(dāng)重要。

1.3 邊坡系數(shù)

渠道傾斜程度往往通過邊坡系數(shù)的大小反映，邊坡系數(shù)過大則會(huì)加大渠道工程量，并引起輸水損失，而過小又容易導(dǎo)致邊坡坍塌與不穩(wěn)定，為此必須結(jié)合渠道地形地質(zhì)、挖填深度、流量流速等情況并通過土工試驗(yàn)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析以確定恰當(dāng)?shù)倪吰孪禂?shù)，詳見表1和表2。

表1 挖方渠道邊坡系數(shù)參照表

表2 填方渠道邊坡系數(shù)參照表

1.4 渠道不沖不淤流速

進(jìn)行渠道流量設(shè)計(jì)時(shí)，如果渠道實(shí)際流速小于不沖不淤流速，則淤積的發(fā)生是必然的，如果渠道實(shí)際流速大于不沖不淤流速，則會(huì)加速渠道沖刷，所以渠道設(shè)計(jì)流速必須滿足：

隨著渠道中水流速的增加，其所包含的能量會(huì)逐漸增大，并帶動(dòng)渠床土粒的移動(dòng)，通常情況下影響渠道不沖流速的因素包括：渠床土壤黏性與密度、水力半徑、渠床糙率、水流含沙量、泥沙粒徑、渠道彎直程度等。此外隨著水流流速增加，其攜帶泥沙的能力也會(huì)隨之變化，當(dāng)流速減緩，一部分泥沙便會(huì)沉積在渠底，造成淤積，影響渠道不淤流速的因素主要有：渠道含沙量、斷面水力要素、水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。

表3 不沖不淤流速系數(shù)C值參照表

2 工程實(shí)例

2.1 工程簡(jiǎn)介

工程渠道橫斷面采用梯形斷面形式，內(nèi)邊坡1∶1.75，外邊坡 1∶1.5，9+028～10+047段左側(cè)渠頂寬 4 m，右側(cè)渠頂寬為2.50m。渠堤采用當(dāng)?shù)赝林蹋瑝簩?shí)度≥0.95。全斷面采用剛性襯砌結(jié)構(gòu)型式，渠段現(xiàn)狀為砂礫石加塑膜防滲渠（于2002年竣工），本段地下水位較深，揚(yáng)壓力較大，渠底必須有透水的性能。

2.2 渠道橫斷面設(shè)計(jì)與比選

因渠道縱坡相對(duì)較緩，流量較大，為能滿足渠道抗沖刷、防揚(yáng)壓力、防凍脹要求，并考慮當(dāng)?shù)匾延械奶烊徊牧希炷翆⒆鳛樽o(hù)砌的首選材料。設(shè)計(jì)過水能力采用明渠均勻流公式計(jì)算，其橫斷面尺寸在實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面范圍內(nèi)，超高按1/4加大水深加0.20 m取整確定。由于渠道流量大，縱坡緩，采用U型渠道不太合適，所以本次設(shè)計(jì)橫斷面采用全斷面梯形方案。在本地區(qū)混凝土板防滲主要采用預(yù)制六棱混凝土板和現(xiàn)澆混凝土板兩種型式，故對(duì)這兩種襯砌型式進(jìn)行方案比選。

2.2.1 方案設(shè)計(jì)

方案一：全斷面梯形渠道，底板、邊坡板為C20現(xiàn)澆混凝土，砂礫石墊層方案

渠道為梯形渠道，內(nèi)邊坡系數(shù)m=1.75（1.5），外邊坡系數(shù)m=1.50，渠堤頂寬度為2 m。底板、邊坡板采用C20現(xiàn)澆混凝土板襯砌，底板現(xiàn)澆混凝土板厚8 cm，下鋪設(shè)砂礫石墊層防凍體。邊坡現(xiàn)澆混凝土板厚8cm，下鋪設(shè)砂礫石墊層防凍體。堤頂采用C20現(xiàn)澆混凝土板封頂，寬度30 cm，厚度8 cm。渠道邊坡縱向每2.50 m設(shè)一道伸縮縫，渠底縱向每2.50 m設(shè)一道伸縮縫，伸縮縫縫寬為2.00 cm，縫高為8 cm，分縫材料迎水面填筑2 cm厚聚氨酯密封膠，下6 cm采用2 cm厚閉孔板填筑，封頂板縱向每1.50 m設(shè)一道伸縮縫，填縫材料為2 cm厚閉孔板。

方案二：全斷面梯形渠道，底板現(xiàn)澆、邊坡板為預(yù)制六棱混凝土板，砂礫石墊層方案

渠道為梯形渠道，內(nèi)邊坡系數(shù)m=1.75（1.5），外邊坡系數(shù)m=1.50，渠堤頂寬度為2.00～2.50 m。底板為C20現(xiàn)澆混凝土板，厚8 cm，下鋪設(shè)砂礫石墊層防凍體。邊坡板為C20預(yù)制六棱混凝土板，預(yù)制混凝土板厚6 cm，下鋪設(shè)砂礫石墊層防凍體。堤頂采用C20現(xiàn)澆混凝土板封頂，寬度30 cm，厚度8 cm。C20預(yù)制六棱混凝土板采用M10砂漿勾縫。渠底每2 m設(shè)一道伸縮縫，封頂板每1.50 m設(shè)一道伸縮縫，封頂板分縫材料采用2 cm厚閉孔板填筑。渠道縱向每7.20 m設(shè)一道伸縮縫，縫寬2 cm，分縫材料采用2 cm厚閉孔板及聚氨酯密封膠。

2.2.2 方案比選

綜合考慮各種影響因素，將兩方案進(jìn)行綜合比較如下。

通過各方案優(yōu)缺點(diǎn)綜合比選，方案一具有工程施工簡(jiǎn)單、整體性能好、運(yùn)行管理成熟、整體性抗沖性能較好及投資較低等基本優(yōu)點(diǎn)，雖然施工工期較長(zhǎng)，但從整體考慮，本次設(shè)計(jì)將方案一（全斷面梯形渠道，底板、邊坡板為C20現(xiàn)澆混凝土，砂礫石墊層方案）為推薦方案。

表4 渠道橫斷面方案比選表

3 結(jié)論

綜上所述，由于該渠道工程地下水位較深，揚(yáng)壓力較大，渠底必須有透水性能，工程渠道橫斷面設(shè)計(jì)必須綜合考慮渠道地層巖性特征、地下水位埋深、渠床糙率、邊坡系數(shù)、渠道不沖不淤流速等方面，經(jīng)比選，“全斷面梯形渠道，底板、邊坡板為C20現(xiàn)澆混凝土，砂礫石墊層方案施工簡(jiǎn)單、抗沖抗淤性能較好且投資較省，故選擇該方案為推薦方案。

［1］阿扎提古麗·扎克，灌區(qū)節(jié)水改造工程渠道橫斷面設(shè)計(jì)及方案比選［J］，水利技術(shù)監(jiān)督，2016，24（5）：95-97.

［2］冉玉容，麥蓋提支渠防滲改建工程渠道橫斷面結(jié)構(gòu)形式的比選［J］，陜西水利，2015（4）：171-172.

TV672

B

1673-8853（2017）10-0059-02

段斌（1980.12—）男，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)咨詢工作。

2017-8-15

編輯：劉長(zhǎng)垠 韋詩(shī)佳