山東聊城位山灌區干渠防滲工程設計分析

郎言豹，張 元，張 偉

（山東省聊城市位山灌區管理處，山東 聊城 252000）

自新中國成立以來，我國修建了大量的引水灌區，促進了當地農業的發展、提高了農民的收入、也對當地生態環境起到了一定的改善作用。引水渠道是灌區的“血管”[1]，是將水資源輸送至農田的重要水利建筑物，影響灌區水資源的利用效率[2-3]。在使用過程中，引水渠道會發生破損，降低了水資源利用率，造成水資源嚴重浪費，引水渠道改造工程是確保引水干渠長期高效運行的重要手段[4]，而渠道改造工程設計需要合理選擇渠道斷面型式[5-6]、襯砌結構[7-8]，并在寒冷地區考慮凍脹[9-10]的影響。

本文結合位山灌區節水配套改造項目，從干渠渠道斷面型式和襯砌設計方案兩方面探討分析渠道防滲問題。

1 灌區概況

位山灌區始建于1958年，并于1981年進行了改建。黃河水為位山灌區主要的水資源來源，設計灌溉面積36萬hm2，其中有效灌溉面積為34.4萬hm2。改建后位山灌區渠首的引水流量為240 m3/s，有東西兩個渠道，其中東渠引水流量為80 m3/s。目前，位山灌區正在進行節水改造工程，主要是對已有結構的襯砌改造，提升防滲效果，截至目前，共襯砌渠道247.2 km，其中干渠139.7 km，分干87.2 km，支渠20.3 km，引黃濟津襯砌67 km。干渠襯砌率為：50.98%，灌溉保證率為50%，田間工程配套率91%，排澇達標率94%；灌溉水利用系數0.54，節水灌溉面積率73%。

2 渠道改造工程設計

2.1 斷面型式比選

引水渠道改造工程設計需要全面考慮原有渠道特征，選取水力條件好、耐沖刷、抗凍脹能力強的橫斷面。

根據位山灌區渠道特點，設計渠道縱坡降為1/6000（地面自然坡降），斷面型式有3種：直立墻式斷面、梯形斷面、弧形底梯形斷面。其中：直立墻式斷面占地面積最小，但邊坡穩定性系數較低；梯形斷面具備水力條件好、抗沖刷能力強、施工簡便等優點，但占地面積較大；弧形底梯形斷面上口較窄，占地面積介于直立墻式和梯形斷面之間，缺點也較為明顯，水流速度快、沖刷力強，施工難度較高。由于渠道周圍農田較多，占地費用相對較低，采用梯形斷面作為渠道斷面型式，優勢較為明顯。設計渠道渠底寬為2.0 m，左堤堤頂寬2.0 m，內邊坡系數為1∶2.0，外邊坡系數為1∶1.5，設計水深為1.45 m，安全加高為0.55 m，渠道總高2.0 m。設計渠道左堤斷面示意圖見圖1。

圖1 梯形斷面示意圖

2.2 渠道襯砌方案比選

現狀渠道設計灌溉流量為2.0 m3/s，加大設計流量為2.6 m3/s。由于設計流量、加大流量值均較小，可不考慮糙率系數較大的漿砌卵石襯砌，渠道全斷面可采用混凝土襯砌。現有兩種方案進行對比：（1）全斷面現澆混凝土襯砌；（2）M10砂漿砌筑預制混凝土板+土工布。兩種方案對比見表1。

表1 兩種渠道斷面襯砌方案對比

從表1可以看出，采用方案二：M10砂漿砌筑預制混凝土板+土工布具有工程投資低、維護簡便、工期短、抗凍脹能力強等特點，綜合考慮，采用方案二作為位山灌區干渠襯砌方案。

3 凍脹計算及處理措施

3.1 凍脹計算

3.1.1 模型建立及參數選取

根據渠道斷面建立數值模擬模型，渠道底寬2 m，高2 m，邊坡系數為1∶1.5～1∶2.0。使用C25混凝土襯砌，襯砌厚度6.0 cm。地下水與渠道底板距離為0.20 m。依據臨沂冬季環境氣候特征設計溫度場。

表2 凍土彈性模量

表3 巖土體及襯砌材料參數

3.1.2 數值模擬結果

（1）位移分析

根據數值模擬模型，研究渠道襯砌結構法向凍脹變形量在不同區域的分布特征，結果見圖2。由圖2可知，在渠底，襯砌結構法向凍脹變形量最大值位于渠底中部，為2.2 mm。渠坡部位，最大變形量發生于距離渠底垂直距離約0.67 m處，此處最大法向凍脹變形量為5.4 mm。

圖2 渠道襯砌結構法向凍脹量分布圖

（2）應力分析

由于凍脹作用在渠道襯砌結構中形成兩個方向作用力：法向凍脹力和切向凍脹力。

1）法向凍脹力

由于凍脹作用形成的垂直于襯砌結構的應力稱之為法向凍脹力，沿襯砌結構展開方向，法向凍脹力分布情況見圖3，由圖可知，渠底與渠坡連接部位法向凍脹力最大，左、右兩側差值主要是由于光照因素的影響，渠底中部為法向凍脹力最小的部位，向兩側擴展，法向凍脹力逐漸增大。

圖3 襯砌結構展開法向凍脹力分布圖

2）切向凍脹力

由于凍脹作用形成的平行于襯砌結構的應力稱之為切向凍脹力，沿襯砌結構展開方向，切向凍脹力分布情況見圖4，由圖可知，切向凍脹力在渠道左側主要為拉應力，在渠道右側為壓應力，左、右兩側渠坡與渠底接觸部位切向應力最大，切向凍脹力在襯砌結構內呈線性分布。

圖4 襯砌結構展開切向凍脹力分布圖

根據數值模擬結果可知，渠底和渠坡接觸部位為凍脹應力集中區，在進行渠道施工時，應當重點注意對該部位施工質量的控制。

3.2 抗凍脹措施

根據3.1研究結果可知，在凍脹作用下，渠道襯砌材料沿著法向方向會產生約5.0 mm的凍脹變形量，因此，需要采取相應的措施防止因凍脹變形導致渠道的整體破壞。

（1）沿著渠道輸送水流方向，在渠道邊坡與齒板接觸部位布置伸縮縫（左、右渠坡均需布置1條）；同時在封頂板與渠道邊坡接觸部位布置1條伸縮縫。

（2）渠底齒墻間隔10 m布置一條伸縮縫，設計縫寬為2 cm，內部采用高壓聚乙烯塑料板充填。同時，在渠坡布置與水泵輪廓一樣的橫向收縮縫，伸縮縫寬2 cm，充填材料為高壓聚乙烯塑料板并使用瀝青砂漿封縫。

4 結論

（1）通過位山灌區渠道改造工程，探討該灌區干渠的防滲形式和襯砌方法。通過方案比選，確定渠道采用梯形斷面，用“M10砂漿砌筑預制混凝土板+土工布”作為渠道防滲襯砌方案，較為符合當地的實際。

（2）使用數值模擬方法研究襯砌結構在冬季的凍脹變形量和凍脹應力，最大凍脹變形量為5.4 mm，最大凍脹應力位于渠坡與渠底接觸部位。通過設計收縮縫降低渠道凍脹的影響。