大石橋水庫輸水渠道施工中影響因素分析

劉慶春

（福建路港（集團）有限公司，福建 泉州 362000）

0 引言

渠道施工中糙率系數(shù)和邊坡穩(wěn)定兩個因素對施工有重要的影響。其一是糙率系數(shù)n的取值，在進行斷面設計施工時，糙率n取值過大或者過小，都將影響斷面大小及輸水渠道的過流能力及工程投資，從而影響整個工程[1]。其二是邊坡穩(wěn)定對渠道的影響。本工程輸水渠道土質(zhì)邊坡與巖質(zhì)邊坡均有分布，邊坡高為4 m～15 m，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察，邊坡穩(wěn)定性較差，在設計中一定要加強防護措施，防止邊坡發(fā)生滑坡或坍塌問題，影響施工人員安全和渠道結(jié)構(gòu)安全，也會影響投資。

1 工程概況

新建潼南縣大石橋水庫輸水干渠有桃花灣干渠、史家溝干渠和李家溝支渠、周家溝支渠等。總長占整個輸水線路的65%以上，其中桃花灣干渠總長2.477 km，輸水渠道設計底坡為1/1000～1/2000，斷面大小采用1.2 m×1.5 m砼斷面襯砌厚30 cm。本文選取該輸水渠道為典型渠道，該輸水渠道斷面設計圖見圖1。

圖1 桃花灣干渠橫斷面圖

本工程渠道沿線為山坡地，地形地貌相對起伏較大，地表零星分布第四系殘坡積層粉質(zhì)粘土夾碎石，下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)遂寧組泥巖夾砂巖。巖層產(chǎn)狀為N55～75°E/NW＜3～5°，裂隙較發(fā)育，強風化帶厚約2.0 m～3.2 m，無嚴重不良地質(zhì)現(xiàn)象。渠道邊坡為土質(zhì)、巖質(zhì)邊坡：坡高一般4 m～15 m。

2 糙率的選擇

2.1 糙率n的影響因素

渠道渠道糙率n的選取不僅與渠道過水斷面、渠道粗糙度及邊界幾何形狀有關，還受到渠線彎道、漸變斷面、及水質(zhì)(含沙)、施工技術(shù)及質(zhì)量、以及養(yǎng)護條件等因素影響，本文結(jié)合相關規(guī)范技術(shù)要求，列出渠道混凝土襯砌糙率系數(shù)的推薦取值[2,3]，見表 1。

表1 輸水渠道糙率系數(shù)取值推薦表

由表1可知，輸水渠道在施工過程中施工技術(shù)與質(zhì)量的控制、渠道澆筑完成后的灑水養(yǎng)護、后期運行管理及渠道維護對渠道糙率大小的影響甚大?，F(xiàn)澆輸水渠道砼襯砌施工中從沙石料的篩選、混凝土拌和澆筑到拆模等工序，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯，都會直接影響施工質(zhì)量。后期由于管理維護不善，輸水渠道會出現(xiàn)水生物及泥沙淤積，都直接影響混凝土糙率系數(shù)n值的變化。以上這些因素，導致糙率設計取值與實測成果存在差異。

2.2 實際工程資料取值

根據(jù)設計規(guī)范現(xiàn)澆混凝土渠道襯砌糙率采用值為[4]：澆筑技術(shù)一般為0.012～0.016，澆筑技術(shù)良好為0.012～0.014。通過對國內(nèi)已建長距離引水工程的設計取值調(diào)研，幾個城市供水工程輸水渠道洞設計糙率如下：北京引潮入京工程現(xiàn)澆混凝土渠道，n=0.014；甘肅引大入秦工程現(xiàn)澆混凝土渠道，n=0.015；甘肅引洮供水1期、2期工程現(xiàn)澆混凝土渠道，n=0.015；天津引灤入津工程現(xiàn)澆混凝土渠道，n=0.015；山西引黃入晉工程現(xiàn)澆混凝土渠道，n=0.014；寧波白溪水庫引水工程現(xiàn)澆混凝土渠道，n=0.014；掌鳩河引水工程現(xiàn)澆混凝土渠道，n=0.014；牛欄江調(diào)水工程現(xiàn)澆混凝土渠道，n=0.014。

2.3 糙率敏感性分析

考慮到渠道占輸水線路總長接近90%，在投資中占主導，這里對該輸水渠道混凝土糙率取值變化對斷面尺寸大小的影響進行敏感性分析。敏感性分析原則為：在設計流量Q=17 m3/s、底坡i=1/1000一定的情況下，擬定不同的底寬，求得相應的水深及過水斷面，保證凈空面積為20%左右，具體比較見表2。

表2 渠道混凝土襯砌糙率敏感性分析表

從表2可以看出，隨著糙率每增加0.001，渠道斷面基本為均勻增加，雖增加的幅度不大，平均約為0.18 m2，占平均面積的9.8%，糙率變化對渠道斷面的影響不大，對工程量的影響不大，但總趨勢是糙率越小渠道工程量越小，投資越省。參考有關資料及國內(nèi)已建、在建長距離引水工程的取值，以及當前的澆筑技術(shù)水平，從適當留有余度考慮，本工程仍主要依據(jù)規(guī)范的中間值選取新建輸水渠道混凝土內(nèi)襯砌糙率為n=0.014。

2.4 現(xiàn)場實測值對比分析

2.4.1 糙率的計算

目前工程上普遍采用謝才公式和曼寧公式推算糙率系數(shù)，因為輸水渠道按無壓渠道考慮，滿足無壓明渠均勻流計算公式，本文利用《水力學》中曼寧公式對輸水渠道糙率反推計算，計算公式如下[5]：

式中：v為渠道的斷面流速，m/s；i為渠道的比降；R為渠道的水力半徑，m。

2.4.2 測量結(jié)果對比分析

盡管該新建輸水渠線較長，但圍巖地質(zhì)條件相差不大，施工技術(shù)以及后期養(yǎng)護等相同，本文只選取0+250、1+550和2+225三個典型渠道斷面，對渠道斷面幾何尺寸與水力學要素進行測量，得到2組實測數(shù)據(jù)，利用曼寧公式對渠道糙率計算進行反推，得到實測糙率系數(shù)，渠道實測斷面尺寸、水力要素及糙率計算結(jié)果見表3。

表3 輸水渠道典型斷面實測糙率計算結(jié)果表

輸水渠道采用現(xiàn)澆C20混凝土矩形斷面，應用現(xiàn)場實測斷面尺寸、渠道比降等數(shù)據(jù)對糙率系數(shù)n進行反推計算，典型斷面1（0+250）處計算糙率為0.0147，計算結(jié)果大于設計值0.014，一方面是因為渠道軸線在此樁號處有轉(zhuǎn)角，設計時按渠道順直考慮的，另一方面是由于輸水渠道實測比降（1/870）大于渠道設計比降（1/1000）而引起的，導致輸水渠道實測糙率大于設計糙率。典型斷面2（1+550）處計算糙率為0.0143，比設計值0.014要大，主要也是因為斷面幾何尺寸和輸水渠道比降兩個方面的影響。典型斷面3（2+225）處計算糙率為0.013，比設計值0.014要小，主要是因為輸水渠道比降的影響。

3 施工中滑坡穩(wěn)定分析

3.1 可能導致滑坡的因素

（1）渠道邊坡屬層狀同向結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡，軟弱夾層（泥巖）、層間泥化夾層和巖層面對邊坡穩(wěn)定起控制作用，開挖邊坡不僅切挖坡腳形成臨空，失去阻擋，亦同時開挖切層使層面、層間泥化夾層貫穿至臨空面。

（2）施工開挖揭露出層間泥化夾層為軟塑狀粘土，厚度10 cm～30 cm，呈不連續(xù)分布，取樣試驗結(jié)果為高液限、高塑性指數(shù)粘土（飽和度97.03%，塑性指數(shù)為27.3，粘粒含量＜0.005為54.9%），飽和快剪強度為粘聚力27 kPa、內(nèi)摩擦角10.9°，低于初設潛在滑動面計算抗剪強度取值（粘聚力16 kPa、內(nèi)摩擦角15°）。

（3）開挖邊坡形成后，坡面掛網(wǎng)噴混凝土和排水溝、邊坡表層排水孔施工未全部施工結(jié)束，加固護坡措施未起到作用，若邊坡長時間暴露則有可能導致滑坡。

（4）施工中若遇到持續(xù)強降雨，使邊坡巖土體飽水，邊坡巖土體排水不暢，下滑力增加，同時邊坡巖土體飽水使巖體力學指標下降，抗滑力降低。

（5）工程施工放炮震動波對邊坡穩(wěn)定亦構(gòu)成影響。

3.2 采取的工程措施

若在施工過程中遇到以上可能產(chǎn)生滑坡的因素[6,7]，那么在施工現(xiàn)場應及時組織設計工程師、監(jiān)理工程師及施工技術(shù)人員，綜合考慮地形、地質(zhì)條件、施工技術(shù)水平及難易程度等因素，選擇施工安全、能有效快速控制滑坡活動的以預應力深錨支護為主的綜合治理方案，即：清除滑坡體+削坡減載、深層采用預應力錨索、坡面錨桿+噴混凝土、排水等措施[8]。

1）清除滑坡體+削坡減載措施

采用分臺開挖，上層邊坡開挖坡比1∶1.6，下層邊坡開挖坡比1∶1.5，開挖坡比根據(jù)滑坡、揭露的地質(zhì)情況可適當調(diào)整。結(jié)合錨索施工在上層邊坡中間位置設3 m平臺，并及時清除滑坡體。

2）深層預應力錨索措施

在滑坡體范圍內(nèi)根據(jù)滑坡面大小，設置一定數(shù)量的鋼絞線組成的1000 kN錨索，設計長度30 m、40 m，錨固深度以進入弱風化石英砂巖≥6 m。

錨墩置于坡面錨拉板上，錨拉板采用C25鋼筋混凝土板，厚40 cm厚，錨索錨頭采用C30混凝土封閉。

3）坡面錨桿+噴混凝土措施（淺層錨固措施）

坡面布置錨桿間排、距為3 m，錨桿長4.5 m、9 m，采用C20混凝土掛網(wǎng)封閉，混凝土厚10 cm。

4）排水措施

坡頂設排水溝，排水溝斷面為矩形和梯形，矩形斷面為0.5 m×0.5 m，梯形斷面為底寬0.3 m，頂寬0.8 m。排水溝采用C20混凝土襯砌。

坡面設排水孔，排水孔間排距10 m。

4 結(jié)語

本文以實際工程為例進行渠道砼襯砌糙率的選擇和分析渠道施工時可能發(fā)生的各種因素對邊坡穩(wěn)定的影響，并提出了一些具體措施，來保障施工安全，通過這兩個重要的影響因素，得到以下結(jié)論：

（1）經(jīng)過國內(nèi)大型輸水隧洞鋼筋混凝土襯砌糙率系數(shù)的取值研究，隧洞混凝土襯砌糙率系數(shù)在0.014～0.015之間，部分隧洞糙率系數(shù)取值為0.016，但隨著施工技術(shù)不斷提高，隧洞過水面比較光滑，近年來的取值也有所降低。

（2）渠道砼襯砌糙率系數(shù)敏感性分析，將選擇得到的糙率設計值n與現(xiàn)場實際測量計算所得的糙率值進行比較，我們可以看出，糙率的影響系數(shù)由渠道的斷面、比降及表面光滑程度等共同決定，在進行混凝土襯砌糙率比選時一定要結(jié)合各種因素綜合考慮。

（3）渠道施工過程中，邊坡穩(wěn)定對輸水渠道的影響很大，施工設計人員應根據(jù)施工經(jīng)驗設計從各個角度考慮造成邊坡失穩(wěn)的因素，并提出應對邊坡失穩(wěn)及邊坡室溫后的處理措施，為渠道施工順利施工提供安全保障。