季凍區高地下水位地區渠道透水襯砌結構方案經濟技術分析

張辛洋

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 114000)

1 工程背景

東港灌區位于遼寧省丹東市的西南部，地處鴨綠江和大洋河的下游、黃海沿岸。灌區的總控制面積為1352km2，其中耕地面積為6.996萬hm2，由于灌區雨量豐富，溫度適宜，土質肥沃，是遼寧丹東地區的稻米主產區[1]。目前，灌區內有各型水庫17座、提水站59座，已建成鐵甲和友誼主干渠2條、總長度為72.1km，共有分干渠11條、總長度85.85km，支渠233條、總長333.28km。有效灌溉面積3.83萬hm2，實際灌溉面積3.71萬hm2[2]。由于灌區已經運行了幾十年，工程老化失修現象比較嚴重，不僅導致水資源浪費比較嚴重，灌溉的供水質量也難以有效保證。因此，灌區開始實施續建配套和改造工程[3]。在工程的渠系改造過程中，有部分渠道靠近河道，地下水位較高，在襯砌施工過程中不僅要注意開源節流，還應該防止渠道襯砌結構的凍脹破壞，給工程的設計和建設造成了一定的困難。以鐵甲干渠的4號分干渠為例，其位于大洋河南岸的階地上，地表分布有厚度不均的沖積細顆粒地層，下部存在厚度較大的砂卵石層。渠線通過區域地勢平坦，地下水位較高，工程地質條件復雜。為了保證渠道的安全運行，在工程設計中借鑒其他灌區的成功經驗，采用透水襯砌方式，將地下水引入灌區，解決渠道冬季凍脹問題[4]。

2 透水襯砌結構設計方案

2.1 原始方案

研究渠段的橫斷面為梯形，采用透水襯砌方式。渠坡和渠底采用的厚度為8cm的C15混凝土預制塊和厚度為10cm的混凝土框架預制件襯砌，在框架中采用干砌塊石襯砌，實現襯砌結構的透水性。在襯砌結構的下部鋪設一定厚度的墊層料，用于緩解冬季凍脹作用對上部襯砌體的變形張力[5]。根據地下水的回歸規律，充分利用地下水，由于混凝土框架磚和干砌石之間屬于柔性連接，可以對凍脹變形有一定的適應力，從而保證渠道襯砌斷面在凍融作用下的規則性，從而提高渠系水的利用率，延長渠道的使用壽命[6]。具體的設計參數如下：渠道襯砌斷面的底寬為3.0m，口寬為6.5m，渠深為1.75m，水深為1.28m。渠道的縱坡為1/645～1/820，設計流量為2.1m3/s。C15混凝土框架預制件之間干砌塊石的厚度為30mm。根據抗凍脹的要求確定墊層厚度：陰坡頂部和底部分別為50和60cm；陽坡的頂部和底部分別為50和40cm；渠底的厚度為40cm。渠底每20m設置一道寬度為1.0cm的伸縮縫。坡腳上的第一批磚使用C15混凝土框架預制件襯砌，混凝土框架以上為方磚襯砌，預制塊之間用C15細粒混凝土勾縫，寬度為2.5cm，渠坡襯砌結構每5m設置一道寬度為2cm的伸縮縫。坡腳結合處為漿砌石設計。

2.2 比選方案

根據原始設計方案，干砌石透水體分布在渠坡底部。顯然，透水體的分布位置會對渠道的工程經濟性造成一定的影響[7]。同時，透水襯砌也會對渠道的滲流及冬季的凍脹造成一定的影響。由于渠道透水，會造成渠坡地下水位的降低，渠道襯砌結構的冬季凍脹會有所改善，但是在灌溉期會損失部分灌溉水量，進而影響到渠道的輸水效率[8]。基于此，本研究在渠底中部、渠底邊部以及渠坡底部3種不同的位置設置干砌石透水體，通過對比分析，獲得最佳設計方案。方案的具體設計見表1。

表1 比選方案設計表 單位：m

3 方案的比選

3.1 技術性分析

在工程設計和施工建設中，工程技術性指標是設計方案評價的關鍵性指標。針對背景工程而言，對其影響最大的指標為渠道的滲流和冬季的凍脹影響。基于此，研究中利用有限元數值模擬的方法，針對上文提出的3種不同的設計方案進行研究渠段的滲流和凍脹計算。根據計模擬結果，計算出渠道的節水系數和凍脹減輕度，結果見表2。

表2 不同方案的節水系數和凍脹減輕程度計算結果 單位：%

從計算結果來看，節水系數最大的是方案1，其次是方案2，最小的是方案3。由此可見，在采用透水襯砌結構時，將透水體設置在渠坡底部有利于提高渠水利用系數。從凍脹減輕度的指標來看，效果最好的是方案1，其次是方案2，最差的方案3。透水襯砌結構的的主要作用是給渠道周圍的地下水創造排水通道，讓渠道周邊的地下水可以自由出流，進而降低地下水的水位。由于透水體的位于渠坡底部和渠底邊部時，兩側地下水的滲流路徑相對較短，更有利于地下水的滲流從而降低地下水水位，從而減輕冬季的凍脹破壞作用，而渠道由于滲流地下水的補充，其節水系數也有所提高。同時，由于混凝土屬于剛性結構，而干砌石屬于柔性結構，2種剛柔不同的結構相互作用和配合，也可以有效克服混凝土抗彎、抗拉能力差的問題，使襯砌結構具有良好的穩定性。因此，綜合考慮節水情況和凍脹控制作用，干砌石透水體宜布置在渠坡底部。

3.2 經濟性分析

根據工程設計思路，透水襯砌渠道的主要施工材料為混凝土預制塊、混凝土框架預制件、干砌石和砂礫石墊層料。根據本文模擬的渠道襯砌形式，對施工中的主要材料的用量進行計算，獲得3種不同方案的材料用量，見表3。

表3 材料用量表

由表3可知，不同方案的材料用量并沒有顯著的差異，但是由于透水體部分所處的位置不同，在人工、機械和間接費用等方面存在一定的差異。

按照當前市場價格，對不同方案的單位渠長襯砌的造價進行計算，結果見表4。

表4 單位渠長工程造價 單位：元

由計算結果可以看出，造價最高的為方案3，其次為方案1，造價最低的方案2。因此，從工程經濟性的視角來看，最優方案為方案2。

3.3 綜合評價

綜合渠道的節水效果、減輕冬季凍脹損害程度以及工程的造價，對3種不同方案進行對比，結果見表5。

表5 不同方案的經濟技術綜合對比

由表5可知，如果北方寒區的高地下水位渠道采用透水襯砌結構，不僅可以減輕凍脹的不利影響，同時還可以起到一定的節水效果。研究中設計的3種方案在節水效果、凍脹減輕度和工程造價方面均有所不同。方案3的工程造價最高，且節水效果與防凍脹效果最不理想，因此為最不理想方案。從方案1和方案2的對比來看，方案2的工程造價最低，但是在節水系數和凍脹減輕度不及方案1；方案1不僅有利于渠道節水，同時也可以獲得較好的防凍脹效果，但是造價稍微偏高，但是兩者的工程造價差距并不大。因此，綜合考慮技術和經濟兩方面的因素，推薦方案1作為工程設計方案，也就是將透水體設置在渠底中部。

4 結語

合理的襯砌結構形式對保證工程建設的順利進行和工程效益的發揮具有重要的意義和作用。此次研究以具體工程為背景，探討高地下水位渠道透水襯砌結構的優化設計問題。結果顯示，將渠道襯砌的透水體結構設置在渠底中部，不僅可以消減一定的凍脹量，還可以有效提高水資源的利用效率，工程造價也相對較低，更適合北方季凍區的高地下水位渠道襯砌，具有一定的工程應用和推廣價值。當然，受到篇幅和研究條件的限制，此次研究沒有考慮透水體材料和結構以及地下水位等因素的影響，需要在今后進行更為深入的探索，以獲取更為科學的研究成果。