灌排混合型渠道護(hù)坡襯砌方案比選設(shè)計(jì)研究

趙 亮 肖晨光

一、引言

灌排混合型渠道指兼顧灌溉和排水功能的一體化渠道，可以在干旱缺水時(shí)發(fā)揮灌溉輸水功能，防洪排澇時(shí)發(fā)揮排洪功能，一渠兩用可以節(jié)約土地空間增加灌排水效率。然而相較于普通灌溉渠道，灌排混合型渠道對護(hù)坡的形式和設(shè)計(jì)有著更高的要求。

護(hù)坡是渠道堤防的重要組成部分，對防止渠道的侵蝕、淤積和塌陷、控制周邊地下水位起到了重要作用，也直接影響堤防邊坡的穩(wěn)定性。對于灌排兩用型的渠道，由于渠道排洪時(shí)流速較快，對堤腳的沖刷更加嚴(yán)重，若不進(jìn)行合理的防護(hù)，將存在渠堤損毀的可能，由于相對高程高，對周邊群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的威脅較河道更大。本文以灌排混合型渠道淠東干渠壽縣段為例，考慮渠道治理工程中襯砌結(jié)構(gòu)、坡面防沖、防滲、護(hù)腳性能、耐久性、襯砌厚度、鎮(zhèn)腳深度等指標(biāo)，對研究渠道護(hù)坡襯砌方案進(jìn)行設(shè)計(jì)比選分析，注重考慮渠道防沖性能，為今后灌排兩用渠道工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

二、研究渠道基本概況

淠東干渠壽縣段（K43+000～K69+908）被列入安徽省淠史杭灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造項(xiàng)目一期的10 個(gè)子項(xiàng)工程之一，對保障糧食安全、保障灌區(qū)生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水，支撐鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施，實(shí)現(xiàn)富民增效方面起到關(guān)鍵的基礎(chǔ)支撐作用。

淠東干渠渠道上影響渠道輸水安全及當(dāng)?shù)厝罕娚?cái)產(chǎn)安全的險(xiǎn)工段需要進(jìn)行除險(xiǎn)加固，具體包括對村莊段、迎流頂沖段、堤基分布淺層粉細(xì)砂段3 個(gè)渠段進(jìn)行坡面襯砌處理。渠道治理段除需發(fā)揮枯水期蓄水、灌溉期高水位灌溉功能外，汛期還需承擔(dān)上游自然河道陡澗河排洪和淠河總干渠超高水位時(shí)開閘分洪任務(wù)，渠道現(xiàn)狀存在彎曲度小、水流速度快、下段閘門限制過流斷面等特點(diǎn)，為避免凹岸迎流頂沖段受水流迎面淘刷、堤基淺層粉細(xì)砂出露段坡面坍塌，渠道設(shè)計(jì)對迎流頂沖段、堤基分布淺層粉細(xì)砂段進(jìn)行坡面襯砌處理。為保證沿岸村莊段的渠道岸坡結(jié)構(gòu)安全，工程需對沿岸村莊段渠道岸坡進(jìn)行補(bǔ)充襯砌設(shè)計(jì)。

三、襯砌結(jié)構(gòu)方案比選

根據(jù)渠道坡面防沖、防滲及護(hù)腳性能要求，襯砌材料初選埋鋪式膜料、預(yù)制混凝土塊與混凝土，組合出三種方案進(jìn)行比選，具體為：方案1—膜料+預(yù)制混凝土空心磚（護(hù)面），方案2—現(xiàn)澆混凝土護(hù)面，方案3—預(yù)制塊護(hù)砌。對3 種襯砌方案進(jìn)行比選，詳見表1。

表1 不同襯砌方案優(yōu)缺點(diǎn)對比表

通過比較可以看出，方案1 優(yōu)點(diǎn)為生態(tài)性好，維修養(yǎng)護(hù)相對簡單，但其防滲、水力條件和耐久性一般，工程造價(jià)最高；方案2 防滲性能最優(yōu)、水力條件為最佳，且具有工程壽命長、造價(jià)便宜等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)為生態(tài)性差、施工及維修養(yǎng)護(hù)相對復(fù)雜；方案3 水利條件好，適應(yīng)基礎(chǔ)變形能力強(qiáng)，工程壽命長，施工及維修養(yǎng)護(hù)容易。

本工程擬建灌排混合型渠道，需考慮到汛期及灌溉期大流量放水時(shí)渠道內(nèi)岸坡的結(jié)構(gòu)安全及耐久性要求，要求襯砌材料具備較好的抗沖能力及耐久性能；為確保灌區(qū)能有較大的自流灌溉面積，渠道設(shè)計(jì)中需嚴(yán)格控制水頭損失；還要盡可能減少工程對生態(tài)的不利影響。

綜上分析，本工程渠道坡面襯砌設(shè)計(jì)采用預(yù)制塊護(hù)砌方案。

四、襯砌厚度確定

預(yù)制塊護(hù)砌方案中的襯砌厚度大小是決定襯砌質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素，根據(jù)《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）規(guī)定，采用人工塊體作為土堤護(hù)面時(shí)，塊石的質(zhì)量Q 及護(hù)面層厚度可按下式計(jì)算：

式中：

Q—主要護(hù)面層的護(hù)面塊體、塊石個(gè)體質(zhì)量（t），當(dāng)護(hù)面由兩層塊石組成，則塊石質(zhì)量可在0.75～1.25Q范圍內(nèi)，但應(yīng)有50%以上的塊石質(zhì)量大于Q；

γb—人工塊體或塊石的容重（kN/m3）；

H—計(jì)算波高，當(dāng)平均波高與水深的比值H/d＜0.3 時(shí)，宜采用H5%；當(dāng)H/d ≥0.3 時(shí)，宜采用H13%；

KD—穩(wěn)定系數(shù);

m 為水流流向與岸坡交角α 的余切值；

t—塊體或塊石護(hù)面層厚度（m）；

n—護(hù)面塊體或塊石的層數(shù)；

c—系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，預(yù)制塊混凝土厚t=0.096m，結(jié)合已建工程實(shí)踐，同時(shí)考慮施工水平，取預(yù)制塊厚度為0.1m、0.12m。

具體襯砌結(jié)構(gòu)如下：

（1）淠東干渠常遇水位以下采用0.12m 厚C20預(yù)制連鎖砌塊護(hù)坡。

（2）淠東干渠常遇水位至設(shè)計(jì)灌溉水位與設(shè)計(jì)洪水位的較大值加超高0.5m 之間襯砌采用0.1m 厚工字型連鎖砌塊生態(tài)護(hù)坡，這是考慮到目前施工單位工人素質(zhì)普遍不高，負(fù)重能力不足，符合規(guī)范要求安全條件下盡量降低安裝難度。

（3）為有效防止渠道水土流失，在渠道生態(tài)護(hù)坡以上采用草皮護(hù)坡。

五、襯砌段護(hù)坡鎮(zhèn)腳深度確定

為確保河岸穩(wěn)定，使水流不淘空坡腳，需計(jì)算設(shè)計(jì)洪水位下不同部位沖刷深度，從而確定整治部分護(hù)坡鎮(zhèn)腳埋置深度。

本次淠東干渠沖刷深度采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）中D.2 護(hù)岸工程沖刷深度計(jì)算，順壩及平順護(hù)岸沖刷深度可按以下公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：

hs—局部沖刷深度（m）；

H0—沖刷處水深（m），以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替；

U—行進(jìn)流速（m/s）；

Ucp—近岸垂線平均流速（m/s）；

n—與防護(hù)岸坡在平面上的形裝有關(guān)，取n=1/4～1/6；

η—水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α 查表得出。

淠東干渠渠道由迎流頂沖段和平直段組成。除少部分為迎流頂沖段外，其余皆為平直段。根據(jù)地勘報(bào)告，本次淠東干渠整治段渠底大部分均為粉質(zhì)粘土或粘土。

計(jì)算斷面行進(jìn)流速及計(jì)算水深均以20年一遇設(shè)計(jì)洪水下計(jì)算，其中平順岸坡段（α=0°）選擇兩個(gè)典型斷面，迎流頂沖部位選擇三個(gè)典型斷面（α=30°、40°、50°），各選取斷面計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表2 抗沖刷典型斷面參數(shù)表

計(jì)算渠道沖刷深度hs，結(jié)果見表3。

表3 沖刷深度成果表

綜上所述，本次工程淠東干渠迎流頂沖段坡腳沖刷深度為0.35～0.383m；沖刷較為明顯，需設(shè)置鎮(zhèn)腳以防止沖刷，鎮(zhèn)腳埋置深度0.5m，滿足設(shè)計(jì)要求。

六、結(jié)論

（1）本文以灌排混合型渠道淠東干渠壽縣段為例，考慮灌渠道治理工程的防沖性能、防滲性能、水力條件、生態(tài)要求、維修養(yǎng)護(hù)、施工工序、耐久性、工程壽命、一次性投資等因素，對膜料+預(yù)制混凝土空心磚、現(xiàn)澆混凝土護(hù)面、預(yù)制塊護(hù)砌3 個(gè)渠道護(hù)坡襯砌方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)比選分析，最終采用預(yù)制塊護(hù)砌方案，此方案防沖性能優(yōu)、水力條件佳、維修養(yǎng)護(hù)方便、耐久性好，且能兼顧渠道生態(tài)要求，適合于排灌混合型渠道的護(hù)坡襯砌。

（2）本文進(jìn)而對預(yù)制塊護(hù)砌方案的襯砌厚度進(jìn)行了計(jì)算，兼顧降低施工難度，取預(yù)制塊厚度為0.1m、0.12m 以滿足結(jié)構(gòu)要求。選取了3 個(gè)典型斷面計(jì)算了襯砌段護(hù)坡鎮(zhèn)腳深度，最終確定鎮(zhèn)腳埋置深度應(yīng)為0.5m 以滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）護(hù)坡對堤防抗沖刷的保護(hù)作用是長久的，在改善河道生態(tài)環(huán)境以及堤防穩(wěn)定運(yùn)行的過程中發(fā)揮的作用是無法替代的。考慮到不同護(hù)坡型式的組合比選、生態(tài)效果的體現(xiàn)、工程造價(jià)的控制及施工工期的控制，需要設(shè)計(jì)者從不同角度綜合考慮，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，因地制宜選擇護(hù)坡型式，才能最大化地發(fā)揮其防沖及生態(tài)景觀的效益■