傍山渠道結構型式選擇

曾祥磊，黃 晶，郭 斌，李 密

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

1 工程概況

貴州省夾巖水利樞紐及黔西供水工程（以下簡稱夾巖水利工程）位于貴州省畢節市及遵義市境內，是一座以供水和灌溉為主兼顧發電的大（1）型水利樞紐工程。工程總體布局以新建夾巖水庫為集中供水水源，以已建附廓水庫為反調節水庫，并利用灌區現有小型水庫屯蓄。工程由水源工程、畢大供水工程和灌區骨干輸水工程三部分組成，總投資186.49億元，水庫庫容13.23 億m3，多年平均供水量6.88 億m3，總供水人口267 萬人，電站總裝機容量90 MW。灌區骨干輸水工程設計線路總長648.0 km，明渠設計長度96.1 km，以渠身斷面呈下窄上寬的倒梯形結構型式為主。金沙分干渠為夾巖水利工程灌區骨干輸水工程中較為重要的標段之一，主要向貴州省金沙縣城禹龍片區（部分）、安嵐源片區及化沙官片區供水，年輸水量5062 萬m3，總長34.586 km，其中渠道長14.986 km；渠道渠身完全置于基巖內的渠段為窄深式，斷面為梯形，渠高2.30～2.90 m，渠底寬1.6～2.0 m，渠頂開口寬2.98～3.74 m；渠堤采用M7.5 漿砌石砌筑，迎水面邊坡1∶0.3，采用C15混凝土防滲。

隨著社會經濟發展對水安全的要求不斷提高，合理選擇渠道結構型式對于確保后期渠道水質安全、運行管理方便和控制運行管理成本等尤為重要。金沙分干渠渠道處于半山腰，植被茂盛，上部巖體風化脫落及周邊枯枝落葉可能會造成敞口渠道在運行過程淤積，受洪水等自然災害影響渠道常因邊坡垮塌等因素造成破壞，如圖1—2 所示；渠道沿線產業園、居民房屋和公路較多，渠線穿過鄉村果園、人畜活動密集區，造成管理不便和后期運行成本增加；部分渠道邊坡較高且覆蓋層較厚，部分渠道軸線與巖層走向成交角較?。错槍悠拢?，且靠山側邊坡傾角較大，開挖切腳后極易導致邊坡失穩滑塌，基礎及邊坡處理工作量大。結合以上情況分析，認為進一步研究渠道結構型式是有必要的。

圖1 已建渠道受損情況

圖2 已建渠道受枯枝爛葉影響現場

2 工程地質條件

金沙分干渠所在工程區地形地貌主要為溶蝕-侵蝕地貌淺切中山地形，海拔1050～1200 m，依次穿過T1m-∈1q 地層，工程區地震動加速度為0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震基本烈度為Ⅵ度，無活動性斷裂帶通過，區域地質構造穩定較好；渠道多采用傍山布置，沿線地形坡度一般為30～40°，其走向與巖層走向小角度相交，部分邊坡為順向坡，覆蓋層0～5 m 不等，局部段覆蓋層埋深較大，下伏地層巖性有中厚層灰巖、薄層泥質白云巖、薄層泥質粉砂巖等，地下水埋深較大；部分渠道邊坡為順向坡，受層面、節理切割影響，開挖后易失穩滑塌破壞，需作加強支護處理；部分渠道邊坡為土質邊坡，自然邊坡穩定，開挖后雨季易失穩滑動，需作加強處理。

3 方案比選

3.1 方案擬定

根據實際情況，擬定4個方案進行比選。

3.1.1 方案1：漿砌石明渠方案

漿砌石明渠方案及原設計方案渠身斷面呈下窄上寬的倒梯形。渠道渠身完全置于基巖內的渠段為窄深式，斷面為梯形，渠高2.30～2.90 m，渠底寬1.6～2.0 m，渠頂開口寬2.98～3.74 m；渠堤采用M7.5 漿砌石砌筑，迎水面邊坡1∶0.3，采用C15 混凝土防滲。渠身處于強風化巖層時，渠道直接開挖石槽成形，采用C15混凝土防滲；渠身處于巖層較為破碎地段，可根據實際情況采用M7.5 漿砌石襯砌，采用C15 混凝土防滲。渠道基礎不滿足設計要求時，同樣采用M7.5 漿砌石進行換填處理。渠道邊坡采用噴C20素混凝土進行支護，局部高邊坡段增加鋼筋網片及C25 錨桿支護，錨桿長3.0 m。漿砌石明渠方案標準斷面，如圖3所示。

圖3 漿砌石明渠方案標準斷面

3.1.2 方案2：漿砌石明渠加蓋板方案

鑒于金沙分干渠承擔有集鎮及農村人口供水任務，在方案1基礎上增設鋼筋混凝土蓋板，其標準斷面如圖4所示。

漿砌石明渠加蓋板方案渠道橫斷面結構尺寸和原設計方案相同，結構尺寸詳見表1（受力筋選配C16@200，分布筋選配C10@200）。

表1 漿砌石明渠加蓋板方案渠道結構尺寸擬定成果m

3.1.3 方案3：鋼筋混凝土箱涵方案

為更好保證渠道安全穩定以及運行過程中水質問題，將渠道結構型式調整為鋼筋混凝土箱涵，箱涵邊墻及底板厚度擬采用與已變更部位相同厚度25 cm，頂板取15 cm，箱涵底部設置6 cm 厚素C25 混凝土墊層；箱涵斷面底寬為2.0～2.5 m，高為2.15～2.6 m，如圖5所示。

圖5 鋼筋混凝土箱涵方案標準斷面

通過對比漿砌石明渠和鋼筋混凝土箱涵方案發現，渠道結構調整后水深變化不大，可通過進出口部位進行微調，保證水面線順接，不影響上下游建筑物銜接，計算成果詳見表2。

表2 渠道各斷面水力計算成果

3.1.4 方案4：鋼管方案

為更好保證渠道安全穩定以及運行過程中水質問題，渠道大流量部位（設計流量大于3.2 m3/s）改為鋼筋混凝土箱涵，小流量部分（設計流量小于3.2 m3/s）改為螺旋鋼管，因各渠道前后建筑物已施工，經水力計算復核后無法采用有壓管進行布置，故采用無壓流管道布置。螺旋鋼管（初擬管壁厚10 mm）方案管道底部采用C15 混凝土墊層，管槽采用土石回填，并在轉彎處采用布置鎮墩或者包管處理；部分陡峭段及管道高于原地面線的部分采用支墩進行支撐。螺旋鋼管標準斷面，如圖6所示。

圖6 螺旋鋼管方案標準斷面

考慮到同等條件下方案4 螺旋鋼管造價較高且施工難度較大，不利于現場施工，而且其投資遠大于其余方案，故在后續的方案比選中僅對方案1、方案2、方案3進行比較研究。

3.2 技術經濟比較

根據擬定比較的3 種方案，按照相同原則計算出各方案工程量，結果詳見表3。

表3 3種方案工程量對比

根據以上情況，對3 種方案優缺點進行對比分析，結果詳見表4。

表4 3種方案優缺點對比分析

鑒于金沙分干渠承擔有集鎮及農村人口供水任務且社會經濟發展對水安全的要求不斷提高，并從后期渠道水質安全、運行管理方便和控制運行管理成本等角度出發，推薦采用方案3 即鋼筋混凝土箱涵結構型式。

3.3 結構計算

結合對比情況，現對推薦采用方案（鋼筋混凝土箱涵）進行結構穩定復核；此處選取結構尺寸較大斷面進行計算復核，即對斷面尺寸為2.5 m×2.6 m 渠道斷面進行計算分析。

3.3.1 承載能力計算

根據《水工擋土墻設計規范》，渠道基底面應力可按下式計算：

式中：ΣG為作用在暗渠上全部垂直于水平面的荷載（kN）；ΣM為各力對暗渠中心力矩之和（kN·m）；A為暗渠基底面的面積（m2）；W為對擋土墻縱向形心軸的截面矩（m3）。

根據《水工建筑物荷載設計規范》，作用在單位長度箱涵側面土石回填后最大主動土壓力標準值計算公式為：

式中：Fak為主動土壓力標準值（kN/m），作用于距箱涵底部的h/3 的側墻處；γ土為箱涵側面填土容重（kN/m3）；H為箱涵高度（m）；Ka為主動土壓力系數，計算公式為Ka=tan2（45°-φ/2），其中φ為填土內摩擦角取20°。

根據式（1）、（2）對各段箱涵地基承載力進行復核后，σmax=81.867 kPa，σmin=5.544 kPa。

3.3.2 抗滑穩定計算

基底與巖基接觸面的抗剪斷摩擦系數f=0.35，抗剪斷黏聚力c=100 kPa，抗滑穩定安全系數KC=3.0。其計算公式為：

式中：KC為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載（kN）；A為箱涵地面面積（m2）；f為基底與巖基接觸面的抗剪斷摩擦系數，取0.35；c為基底與巖基接觸面的抗剪斷黏聚力（kPa）。

當渠道無水為最不利情況，根據式（3）對無水情況下各渠段抗滑穩定安全系數進行復核，經復核抗滑穩定安全系數最小值為6.529，大于規范允許值3.0。

3.3.3 抗傾覆穩定計算

箱涵抗傾覆穩定安全系數根據下式進行計算：

式中：K0為箱涵抗傾覆穩定安全系數；∑MV為對箱涵基底前趾的抗傾覆力矩（kN·m）；∑MH為對箱涵基底前趾的傾覆力矩（kN·m）。

當渠道無水為最不利情況，根據式（4）對無水情況下各渠段抗傾覆穩定安全系數進行復核，經復核抗傾覆安全系數最小值為1.996，大于規范允許值1.3。

綜上，該方案結構穩定滿足相關規范要求。

4 結語

根據當前的經濟水平，原設計明渠方案在技術上是可行的。隨著經濟社會發展對供水安全的要求越來越高，對渠道輸水方式的研究是有必要的。鑒于目前傍山明渠大多承擔有集鎮及農村人口供水任務，從后期渠道水質安全、運行管理方便和控制運行管理成本等角度出發，為更好適應當前社會經濟發展對水安全的要求，減小渠道沿線產業園、居民房屋、公路、鄉村果園和人畜活動密集區的影響，降低后期渠道運行成本，本文結合前期研究成果對夾巖水利工程金沙分干渠標段渠道結構型式經過綜合對比后，推薦傍山明渠宜采用鋼筋混凝土箱涵結構。