新疆YL河BA干渠工程矩形槽設計關鍵技術研究

李燕波

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

隨著我國國民經濟的飛速發展和工程技術的不斷進步，區域水資源分布不均的矛盾逐漸凸顯。為解決用水矛盾，長距離輸水干渠工程逐漸成為水利工程建設的主體之一[1]。目前，國內外學者針對渠道工程已進行了大量的研究，但針對矩形槽設計關鍵技術的研究鮮見于國內外期刊文獻。

鑒于此，本文以新疆YL河BA干渠工程為例，主要介紹矩形槽段結構形式選擇、防滲排水措施、基礎處理方式、沉降計算、穩定計算等設計關鍵技術，以期為其他類似工程提供借鑒。

1 工程概況

新疆YL河攔河引水及BA干渠工程位于伊寧縣與察布查爾縣交界的YL河干流段，設計流量為60 m3/s，加大流量為68 m3/s，為I等大(I)型工程。干渠及渠系防洪建筑物工程按30年一遇(P=3.33%)設計，工程區地震動峰值加速度為0.15 g，地震基本烈度Ⅶ度，渠系建筑物按7度地震設防。

2 矩形槽布置及設計難點

BA干渠工程全線布置3處矩形槽，分別是界梁子溝矩形槽(0.29 km)、達達木圖矩形槽(0.29 km)和陶瓷廠矩形槽(1.43 km)。界梁子溝和達達木圖矩形槽長度較短，且地質條件相對較好。為減小工程占地面積、節省移民征地投資，經梯形渠道方案和矩形槽方案比選，均推薦工程投資小、安全性高的矩形槽方案。

陶瓷廠矩形槽南側緊鄰已建清伊高速公路，渠道中心線距公路圍欄平均距離僅為17.75 m，北側為已建南臺子排洪渠，渠道中心線距排洪渠堤頂平均距離僅為12.28 m，工作面狹窄且移民征地難度大，渠線選擇困難大；由于工作面狹窄，只有選擇合適的結構形式，才能盡量避免施工干擾、降低移民征地費用、保證工程安全、節省工程投資；該段渠線地層巖性主要為低液限粉土夾含砂粉土，地質條件較差；由于渠線兩側均為已建并正在運行的工程，選擇合適防滲排水方式和地基處理方案，保證本工程自身和周邊建筑物的運行安全至關重要。

針對上述設計難點選擇合適設計方案，不僅能加快工程建設速度、節省工程投資，而且能避免在實施階段工程方案變更，減少運行期工程隱患。

3 結構形式選擇

結合水力學計算，陶瓷廠段布置梯形渠道至少需要40 m凈寬，而排洪渠與高速路之間的平均寬度僅為30 m，工作面狹窄，不具備布置梯形渠道的條件。考慮到此段渠線距已運行的高速、排洪渠及陶瓷廠廠房較近，對基礎濕陷性黃土若采取浸水法、擠密法、翻填法、夯實法和砂礫石換填法等濕陷性土處理方法，施工時均會影響到附近的建筑物運行安全，而且也得不到當地相關部門的認可。結合《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)[2-4]以及當地水利主管部門對南臺子排洪渠改建的要求，針對渡槽方案、矩形槽方案進行比選。

3.1 渡槽方案

渡槽方案建筑物主要由槽身、支承結構(蓋梁和立柱)、進出口連接段、進口扭面段等組成，由于該方案下部支承結構尺寸小，適于布置在工作面狹小的地區。渡槽典型橫斷面見圖1。

圖1 渡槽典型橫斷面圖

3.2 矩形槽方案

矩形槽方案矩形槽為填方基礎、填筑高度6～13 m，為減小填筑基礎占地面積，在基礎填筑坡腳增設重力式、懸壁式擋墻，擋墻高2.4～6.5 m，矩形槽斷面尺寸b×h=5 m×4.1 m，底板及邊墻厚均為50 cm。矩形槽典型橫斷面見圖2。

圖2 矩形槽典型橫斷面圖

渡槽方案和矩形槽方案對比見表1。

表1 渡槽方案與矩形槽設計方案對比表

渡槽方案與矩形槽方案均可行，渡槽方案施工難度大、施工周期長，雖然其安全可靠性略高于矩形槽方案，但矩形槽方案通過設置防滲+排水措施，也能保證工程安全性的需求且易于檢修。經綜合考慮推薦矩形槽方案，該方案施工周期短、安全可靠、便于檢修且工程造價較低，可有效規避運行風險、保障工程自身及周邊建筑物安全。

4 矩形槽基礎設計

4.1 沉降計算

沉降計算包括填筑體及基礎沉降，填方矩形槽為減小沉降變形所帶來的安全隱患，本工程填筑料采用砂礫石，最大填筑高度7.75 m，基礎地層為含砂粉土。結合疆內砂礫石填筑壩體沉降實測成果，由于填筑高度較低,其沉降量可忽略不計，故僅對基礎進行沉降計算，基礎均按含砂粉土層計算，以最大填筑高度7.75 m為例進行計算分析。土體壓縮特性統計見表2，土料密度統計見表3。

表2 土體壓縮特性統計表

表3 土料現場控制密度及飽和密度統計表

計算假定土層中任意一點的垂直壓應力等于該點以上的土柱重量，且土料在壓縮時不產生側向膨脹，土體的壓縮是由于土料中孔隙體積的壓縮，土粒的體積在受壓前后保持不變。計算公式如下：

式中：s為計算斷面的填筑體沉降量，cm；hi為所計算的第i層土層的厚度，cm；ei0為第i層土層的初始孔隙比，cm；eit為最終或竣工時，第i層土層在豎向有效應力作用下的孔隙比，cm；為土層分層數。

土層總計算厚度，根據上部填筑土體產生的附加應力等于渠基自重應力的20%確定。計算結果見表4。

表4 斷面1沉降計算表

根據計算成果可知，最大填筑高度斷面總體沉降量為41.42 cm，但在上部土體填筑完成沉降已基本完成。結合施工進度的安排，在砂礫石基礎填筑完成后預留半年的沉降期，再進行上部混凝土施工，不增設沉降超高。

4.2 填筑基礎邊坡穩定計算

陶瓷廠段矩形槽采用下部砂礫石填筑、上部矩形槽結構，填筑土體頂寬10.0 m，砂礫石填筑邊坡1∶1.5，基礎為含砂粉土。在工程設計中遇到高填方問題，填筑高度在5.92～7.75 m之間，根據工程布置選取5.92、6.45、7.25和7.75 m共4種典型斷面，按照《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001)的要求[5]，采用簡化畢肖普法，分別應用STAB軟件、理正巖土和PC1500軟件計算矩形槽段填筑邊坡在自重、孔隙壓力和外荷載等作用下抗滑穩定最小安全系數，地震情況采用擬靜力法，并使用邁達斯軟件、采用強度折減法驗證計算結果的可靠性[6-7]。

邊坡穩定計算中使用的各種參數，采用技施階段工程地質勘察成果，各種土體的物理力學參數見表5。

表5 邊坡穩定計算土體參數

邊坡抗滑穩定安全系數計算結果見表6。

表6 邊坡抗滑穩定安全系數計算結果表

續表6

根據計算結果可知，4種軟件計算的邊坡抗滑穩定安全系數較為接近，其中理正巖土軟件的計算結果最大，而PC1500軟件的計算結果最小，STAB和邁達斯軟件的計算結果較接近。但考慮到邁達斯軟件建模難度大且其計算方法未見于現行國家、行業規范，故除非特別重要工程采用該軟件復核計算成果，一般可采用建模速度快、計算精度高的STAB軟件，可極大提高工程設計速度。

5 濕陷性土處理

5.1 防滲措施

綜合分析，引起矩形槽基礎濕陷沉降變形水的來源有3處：①矩形槽結構或止水破壞引起渠內漏水；②渠線右岸排洪渠未鋪設防滲膜，渠道表面僅采用現澆砼板襯砌，會有水滲入基礎；③矩形槽與高速及排洪渠之間雨水、融雪產生的地表水下滲。由于基礎表層5～9 m為中～強濕陷性土，必須采取有效的防滲措施才能保證建筑物安全。

矩形槽漏水應對措施：矩形槽基礎采用砂礫石填筑，此外還在沿線布置滲漏、變形監測措施。排洪渠滲水應對措施：改建排洪渠，渠底建基面先鋪設一布一膜(膜厚0.6 mm)，再襯砌10 cm的現澆砼板，砼板采用C25、F200、W6現澆砼襯砌。明水下滲及地基處理措施：為清基0.5 m壓實后，換填0.5 m灰土(石灰：土=3∶7)，灰土上表面鋪設一布一膜(膜厚0.4 mm)，該防滲體系與右岸排洪渠、左岸清伊高速公路排水溝形成整體，以保障無明水下滲。

5.2 排水措施

排水措施主要有兩類：①雨水、融雪等明水滲入砂礫石填筑基礎，因左右岸擋墻的存在導致排水不暢、危機建筑物安全；②由于渠線與高速公路之間無排水出路，導致明水匯集下滲引起粉土地基濕陷變形。

為保證排水通暢，在渠線左右岸擋土墻與基礎一布一膜相交部位埋設Φ150PVC排水管、間距5 m，管內塞填粒徑20～40 mm反濾料，排水管出口加設Φ6@15鋼筋網并包裹無紡布；在矩形槽與高速路之間設置排水溝，排水溝沿渠線方向布置，結合地形變化在低洼處通過DN200鋼管橫穿矩形槽底部基礎，將水排入排洪渠。

6 結語

本文以新疆YL河攔河引水及BA干渠工程為例，著重介紹了該工程矩形槽段設計關鍵技術。該工程矩形槽段的設計和布置是結合工程實際、節省工程投資、確保運行安全的新設計思路，工程竣工通水后還有待檢驗，以供廣大水利工程設計同行參考。