淺談水網建設中的渠道護坡設計

唐 帥

(山東省水利勘測設計院有限公司，山東 濟南 250013)

1 工程背景

受臺風及惡劣天氣影響，部分地區(qū)遭遇100年一遇強降雨，部分河流出現(xiàn)超警戒特大洪水，致使多處壩段、渠道出現(xiàn)險情，造成大面積農田積水、村莊被淹、人民受災。

地層巖性也是發(fā)生渠道破壞的重要原因，渠道沿線地層巖性如為砂壤土、細砂、砂礫石含粘性土、細礫時，渠道存在滲漏及沖刷問題；地層巖性如為鹽漬土層，渠坡易在水的溶蝕作用下，結構發(fā)生破壞，渠道運行時產生地下水位壅高，會產生浸沒問題，并伴有次生鹽漬化問題。

在此背景下，為了工程能夠長久安全運行，便于維護管理，本文對渠坡土質易受水流淘刷、易凍融破壞、易失穩(wěn)，易產生浸沒問題的渠道要選取合理的斷面型式及邊坡襯砌防護措施，以全面增強河道的防洪能力。

2 渠道襯砌

2.1 渠道糙率

渠道未襯砌部分糙率選取0.025；實心生態(tài)連鎖板塊襯砌部分糙率參照預制板砌筑糙率選取0.017；PP纖維混凝土板及現(xiàn)澆混凝土板襯砌糙率選取0.014；機制模袋襯砌部分糙率參照漿砌卵石糙率，并進行適當降低，選取0.0225；石籠、雷諾護墊糙率參照干砌塊石，選取0.033。

2.2 渠道縱橫斷面選取

對于復建渠道、改擴建渠道基本維持現(xiàn)有渠道比降，對于新建渠道根據渠道沿線的地形地質條件、渠道首末段水位關系、所選擇的襯砌材料與型式、不沖流速、渠道建筑工程投資、占地、施工難易程度、運行維護管理等因素綜合確定。

渠道采用的斷面型式主要由矩形斷面、梯形斷面和U型斷面。

(1)矩形斷面。優(yōu)點：相同過流能力下斷面面積最小，占地小，投資低，渠道糙率小，流態(tài)好，輸水能力強，不易破損，使用壽命長，工程造價低。缺點：由于渠道過流能力不大，矩形設計斷面高寬比較大，斷面周邊受土壓力較大，邊坡不穩(wěn)定容易破損。

(2)梯形斷面。優(yōu)點：斷面底寬相對較大，當渠道水深較小時，也能排走較大的水量，且邊坡穩(wěn)定，在地形、地質無特殊情況的地區(qū)均可采用，結構簡單，施工方便，便于運行管理和維護。缺點：工程造價相對矩形斷面略高，占地面積較大。

(3)U型斷面：優(yōu)點：混凝土U形渠道是反拱結構，抗凍能力強，不易破壞。缺點：由于U型渠道整體施工，對施工技術尤其是基礎處理要求較高，施工難度較大。

2.3 襯砌方案型式

根據不同現(xiàn)場實際情況使用不同的護坡襯砌型式，現(xiàn)總結以下7種襯砌方案：

方案1∶100mm實心生態(tài)板塊+30mm中粗砂找平層+無紡布(10kN/m)/復合土工膜

方案2∶100mm實心生態(tài)板塊+70mm苯板+30mm中粗砂找平層+無紡布(10kN/m)/復合土工膜

方案3∶80mm PP纖維混凝土板+30mm中粗砂找平層+無紡布(10kN/m)

方案4∶100mm現(xiàn)澆混凝土板+30mm中粗砂找平層+無紡布(10kN/m)

方案5∶120mm模袋混凝土+30mm中粗砂找平層+無紡布(10kN/m)

方案6∶120mm模袋混凝土+70mm苯板+30mm中粗砂找平層+無紡布(10kN/m)

方案7∶250mm格賓石籠(雷諾護墊)+無紡布(10kN/m)

2.4 渠道襯砌選取原則

2.4.1 方案1、2

對渠道流量較大，流速相對較高的渠道，以及渠道內冬季有水，水深較淺，并且渠道從城市中經過，為減輕冰凍對渠坡的破壞，延長渠道的合理使用年限，并且結合城市生態(tài)景觀效果，迎水側渠坡采用100mm厚生態(tài)連鎖板塊進行襯砌。如該段渠道水位高于原地面，可能產生浸沒影響，在生態(tài)連鎖板塊下鋪設一層復合土工膜防滲，或鋪設一層無紡布。對采用生態(tài)連鎖板塊襯砌的渠道為考慮生態(tài)效果，渠道設計水深+波浪爬高部分采用實心生態(tài)連鎖板塊，實心板塊以上至渠頂采用空心生態(tài)連鎖板塊或六菱形混凝土框格，其內鋪腐殖土撒草籽或花籽。實心生態(tài)連鎖板塊施工容易，單體連鎖板塊結構簡單、適宜工業(yè)化生產，施工速度快，不受氣候限制，適應凍脹變形能力較強，施工后外觀效果較好，造價便宜。

2.4.2 方案3

PP纖維砼板因板厚度較薄，澆筑時混凝土板表面的平整度不易控制，在北方施工工期受氣候限制，PP纖維砼板適應土體的凍脹變形能力較差，含水土體凍脹后會造成板塊隆起、斷裂，施工后外觀效果一般。

2.4.3 方案4

現(xiàn)澆混凝土襯砌主要設置在鹽漬化分布區(qū)的渠道、易受水流沖刷和凍融破壞的鹽堿土渠道、易受水流淘刷破壞的砂壤土和細砂渠道、從城市周邊繞過的渠道、渠道挖深較大、地下水位相對較高且冬季凍脹較嚴重的渠坡段、水位高于原地面且易產生浸沒影響的渠道及灌區(qū)灌溉干渠相結合的渠道等，但現(xiàn)澆混凝土施工要求高，容易開裂，施工不易控制。

2.4.4 方案5、6

對渠道挖深較大，地下水位相對較高，冬季渠道內水位較高，凍脹較嚴重的渠坡段采用機制模袋護坡，為保證在冰推力作用下模袋結構的完整性，模袋內每隔400mm插入1根直徑12mm鋼筋，但機制模袋混凝土施工后外觀效果不理想。

2.4.5 方案7

對渠道內冬季有水，渠道位于野外，并且渠道施工期間地下水位相對較高，難于進行混凝土腳槽澆筑的渠道，為減輕冰凍對渠坡的破壞，渠道迎水坡采用250mm厚格賓石籠(雷諾護墊)襯砌，經實踐驗證效果比較理想。低碳鋼絲石籠的整體性和抗外力方面要優(yōu)于雷諾護墊，因此冰推力較大時，優(yōu)先選用低碳鋼絲石籠。

2.4.6 苯板保溫方案

苯板的導熱系數小，每10mm厚苯板就可減少100～150mm的凍深，因此一般護坡板下設50～100mm厚的苯板，就可滿足抗凍脹要求。苯板具有保溫效果好，施工方便的優(yōu)點，在當地缺乏非凍脹性土料時，可以采用苯板保溫。

2.5 襯砌結構抗凍脹能力和防滲效果

渠道工程襯砌結構主要有生態(tài)連鎖板塊、PP纖維砼板、機制模袋、現(xiàn)澆混凝土和格賓石籠(雷諾護墊)。

2.5.1 襯砌結構抗凍脹能力

(1)生態(tài)連鎖板塊組裝施工后，相鄰板塊之間互相連鎖，護坡板塊間整體性強，且具有一定的柔性，當坡面發(fā)生凍脹或融沉變形時，連鎖板塊仍能保持正常的工作性能，具有較好的抗凍脹能力。

(2)PP纖維砼板凍脹變形能力較差。

2月6日，水利部會同國家發(fā)改委、環(huán)保部在京召開新聞通氣會，介紹《全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃（2011—2030）》的出臺背景、意義、主要內容及貫徹實施的安排等，并就有關問題回答記者提問。

(3)現(xiàn)澆混凝土凍脹變形能力好。

(4)機制模袋內每隔400mm插入1根直徑12mm鋼筋，增強模袋混凝土結構的整體性，能夠很好的抵抗模袋混凝土受到外部冰推力或下部凍脹性土體的凍脹力頂托，常用于冬季易受冰推或凍脹破壞的水庫壩體迎水坡和渠道迎水坡，抗凍脹能力比較理想。

(5)格賓石籠和雷諾護墊凍脹能力較好，但格賓石籠的整體性和抗外力方面要優(yōu)于雷諾護墊，優(yōu)先選用格賓石籠。

2.5.2 渠道防滲

渠道襯砌范圍內對存在滲漏和浸沒問題的渠道段采用鋪設復合土工膜進行防滲處理，復合土工膜銜接處采用熱熔焊接，復合土工膜上再鋪設生態(tài)連鎖板塊等硬性結構對其進行保護。復合土工膜的滲漏系數約為0.08m3/m2·d，如果對渠底、渠坡過水范圍內均采用復合土工膜進行防滲，通過理論計算，每km渠道滲漏輸水損失率為6.41，防滲效果非常理想。

2.6 襯砌渠道不沖不淤流速復核

當流速過大時，渠道水流會對邊坡產生破壞。當流速過小時，渠道水流挾沙能力減小，當流速小到一定程度時，部分泥沙開始在渠道內淤積。

根據流量計算正常工作條件下的水力要素，最小設計流量取渠道設計流量的0.4倍，以最小設計流量驗算渠道的不淤條件；渠道加大流量取設計流量的1.3倍，以加大流量確定渠堤和防滲結構的超高，并驗算不沖流速。

3 結論

(1)為了工程長久安全運行，便于維護管理，減少水在沿途的滲漏損失，提高水的利用率，要根據不同的環(huán)境和地質條件，對渠坡土質易受水流淘刷、易凍融破壞、易失穩(wěn)，易產生浸沒問題的渠道選取合適的縱橫斷面型式以及襯砌防護措施。

(2)為使渠道水流運行平穩(wěn)，不發(fā)生淤積和沖刷，要保證襯砌渠道內水流流速大于不淤流速，小于不沖流速。

(3)本文為河道治理過程中的渠道護坡設計具有提供參考，但只列舉了渠道設計中的幾種形式和選擇原則。在實際河道治理設計中，要選擇2種以上的方案，從技術、經濟、環(huán)境、社會等方面，對渠道護坡的科學性、先進性、經濟性以及與環(huán)境的可適性等進行研究比選，選擇合理的護坡樣式。