矩形渠防滲方案在鴨河口灌區(qū)現(xiàn)代化改造中的應(yīng)用

呂小光，雷雨，李麗鋒

（河南靈捷水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 南陽 473000）

1 工程現(xiàn)狀

1.1 基本情況

鴨東干渠樁號1+820～4+348 長2 528 m，沿線兩岸有鴨河口村、毛溝村、毛家坡村、沙溝寨村，設(shè)計(jì)流量25 m3/s，現(xiàn)狀渠道為梯形斷面，底寬10 m，邊坡比1∶2，迎水面為10 cm 厚現(xiàn)澆混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)水深2.35 m，襯砌高度3 m。左、右兩岸岸頂分布有不連續(xù)的道路，寬約3 m，外坡坡比不規(guī)則。樁號2+320～2+787右岸外坡坡腳為貼坡排水體。

1.2 存在的問題

鴨東干渠樁號1+820～4+348 渠段，右岸多為砂質(zhì)壤土，滲透系數(shù)大。渠道放水右岸外坡多處土體潮濕滲水，呈管涌狀，局部為浸染狀，有多股清水明流，呈片狀不連續(xù)分布，且滲水量及滲水部位受渠內(nèi)水位影響較大。加之，渠道右堤為檢查道，路面總寬約3 m，來往車輛通行困難。

樁號2+285～2+310、4+227～4+327段右岸渠堤背水側(cè)存在嚴(yán)重管涌、塌坡問題。2019年，鴨灌局工作人員在日常巡查中發(fā)現(xiàn)，鴨東干渠樁號2+285～2+310 段右岸，渠內(nèi)高水位運(yùn)行時(shí)，渠岸外坡多處土體潮濕滲水，多處呈管涌狀，局部為浸染狀。該段渠道2+296 處右岸，岸坡外出現(xiàn)1 處塌坑，經(jīng)現(xiàn)場測量，塌坑寬約1.50 m，長約2.80 m，深1.10～1.80 m。

1.3 現(xiàn)狀穩(wěn)定分析

1.3.1 滲流穩(wěn)定分析

采用Autobank滲流計(jì)算程序，用分段法計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，渠道正常水位下，樁號3+200 單寬滲流量q=6.26×10-6（m3/s·m），出逸點(diǎn)坡降為0.567，大于渠堤逸出最大允許坡降0.453?，F(xiàn)狀渠身背水側(cè)無排水體，逸出坡降大于允許坡降，渠身土有發(fā)生流土的安全隱患。計(jì)算結(jié)果與渠道運(yùn)行過程中背水坡出現(xiàn)潮濕滲水現(xiàn)象吻合。

1.3.2 邊坡穩(wěn)定分析

渠身岸坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典圓弧條分法。參照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，5 級建筑物岸坡瑞典圓弧法抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：正常情況不小于1.15，非常情況不小于1.05。

由表1 可知，渠道正常水位時(shí)，渠身邊坡抗滑背水側(cè)邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求。

表1 邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

2 方案比選

工程選用三種方案進(jìn)行比選，方案如下：

方案一：矩形渠道，渠身采用C25 鋼筋混凝土，設(shè)計(jì)底寬12 m，渠深3 m，每隔8 m設(shè)縫甲一道，襯砌以上設(shè)草皮護(hù)坡，渠頂最小寬度5.70 m，右側(cè)設(shè)C25混凝土路面4.50 m，內(nèi)外側(cè)設(shè)波形護(hù)欄，外側(cè)種植灌木及綠籬，背坡新增防護(hù)林。

方案二：矩形渠道，采用C20 混凝土擋墻+底板護(hù)砌，設(shè)計(jì)底寬12 m，渠深3 m，每隔8 m 設(shè)縫甲一道，襯砌以上設(shè)草皮護(hù)坡，渠頂?shù)缆芳氨称路雷o(hù)林同方案一。

方案三：梯形渠道，采用C20 混凝土護(hù)坡，設(shè)計(jì)底寬10 m，渠深3m，邊坡1∶2，每隔8 m 設(shè)縫甲一道，襯砌以上設(shè)草皮護(hù)坡，渠頂?shù)缆钒船F(xiàn)狀，防護(hù)林同方案一。

上述三種方案均符合灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的理念。從工程安全角度考慮，方案一采用鋼筋混凝土矩形渠型式，結(jié)構(gòu)整體完整性明顯優(yōu)于方案二、三，同時(shí)也可避免渠堤出現(xiàn)管涌等較大事故時(shí)，水流沖擊附近居民房；防滲方面考慮，方案二及方案三除考慮橫向止水縫外，還需在縱向增設(shè)止水縫，由于止水老化等不確定因素增大了漏水的風(fēng)險(xiǎn)；工程占地方面，方案一及方案二用矩形斷面，無需新增工程占地，方案三若考慮渠頂?shù)缆芳訉?，需培厚背水坡，新增工程占地，協(xié)調(diào)任務(wù)較多；投資方面，方案一略高于方案二，方案三土建投資最低，但考慮征地后，綜合投資較高。因此，結(jié)合上述方案比選，為切實(shí)解決鴨東干渠存在的問題，節(jié)省工程投資，本次鴨東干渠樁號1+820～4+348段采用方案一，不僅能解決渠道滲漏問題，提高渠道安全性能，也可加寬右岸渠頂?shù)缆?，為汛期搶修及周邊群眾出行帶來極大的便利。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 渠道水面線計(jì)算

3.1.1 渠道流量確定

鴨東干渠設(shè)計(jì)流量采用河南省南陽市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院1999年12月編制的《河南省南陽市鴨河口灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃報(bào)告》中的流量，結(jié)合渠道實(shí)測樁號，各段流量見表2。

表2 項(xiàng)目區(qū)引水流量計(jì)算表

3.1.2 水面線計(jì)算原理

考慮鴨東干渠現(xiàn)狀渠道寬度和渠道比降不一，本次鴨東干渠渠道水位計(jì)算依據(jù)2實(shí)測的鴨東干渠渠道平面圖、縱橫斷面圖，根據(jù)渠道各段的比降、流量、建筑物情況，采用恒定非均勻漸變流能量方程，自下而上逐段推算不同流量時(shí)各斷面水位。

3.1.3 渠道岸頂超高計(jì)算

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，鴨東干渠本次治理段設(shè)計(jì)流量22～25 m3/s，均為3 級渠道，故岸頂超高應(yīng)按土石壩設(shè)計(jì)要求論證確定。根據(jù)規(guī)范要求，經(jīng)計(jì)算，安全加高0.70 m，波浪爬高為0.20 m，超高為0.90 m。

3.1.4 設(shè)計(jì)水位計(jì)算成果

根據(jù)此次治理段設(shè)計(jì)渠道斷面對水面線計(jì)算，起始水位選擇治理段下游渠道現(xiàn)狀水位，渠道糙率取0.015，設(shè)計(jì)水面線計(jì)算成果限于篇幅此略。

3.2 渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 渠道襯砌型式

此次工程鴨東干渠治理段均為高填方渠道，渠道襯砌防護(hù)的主要目的是為防滲，減少渠道滲漏損失，降低對周邊居民區(qū)威脅，提高輸水配水能力，增加渠坡的穩(wěn)定性，同時(shí)提高渠道安全系數(shù)，故對渠道采用C25鋼筋混凝土矩形渠的襯砌型式。

3.2.2 渠道縱橫段設(shè)計(jì)

渠道設(shè)計(jì)比降1：5 700。重建為C25 鋼筋混凝土矩形槽，底寬12 m，深3 m；矩形渠頂部設(shè)置1 m 及0.50 m 平臺，以上按坡比1∶2整治至設(shè)計(jì)路面。左岸渠頂寬度維持現(xiàn)狀，岸頂設(shè)置圍網(wǎng)及生態(tài)防護(hù)帶，右岸渠頂寬度向渠內(nèi)加寬至不小于5.70 m，渠道內(nèi)側(cè)設(shè)置圍網(wǎng)及波形護(hù)欄，外側(cè)設(shè)波形護(hù)欄及生態(tài)防護(hù)帶，渠頂路面寬4.50 m，C25混凝土路面，下設(shè)砂礫石墊層。

3.2.3 襯砌及分縫設(shè)計(jì)

鴨東干渠襯砌段采用C25鋼筋混凝土矩形渠，下部設(shè)C15混凝土墊層，厚度10 cm。矩形渠底寬12 m，深3 m，側(cè)墻頂部寬度0.30 m，底部寬度0.40 m，底板厚度0.40 m，沿渠道底部側(cè)墻及底板交接處設(shè)25 cm×25 cm加腋角。

矩形渠抗?jié)B標(biāo)號為W6，防凍標(biāo)號為F150。矩形渠每隔8m設(shè)縫甲一道，縫寬2 cm，縫內(nèi)填充聚乙烯閉孔泡沫板及“651型”橡膠止水帶。底板分縫與邊坡分縫錯(cuò)縫布置。

3.2.4 渠道穩(wěn)定計(jì)算

3.2.4.1 地基承載力驗(yàn)算

矩形渠最不利工況應(yīng)為槽內(nèi)滿槽水位運(yùn)行，地下無水，根據(jù)勘探資料［б］=100 kPa。建基面地基應(yīng)力根據(jù)力學(xué)的基本原理計(jì)算，取1 m長矩形渠進(jìn)行計(jì)算，鋼筋混凝土容重25 kN/m3，水容重10 kN/m3，經(jīng)計(jì)算，最大基底應(yīng)力為46.59 kPa，小于持力層的承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=100 kPa，滿足地基承載力要求。

3.2.4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

①計(jì)算條件。矩形渠結(jié)構(gòu)計(jì)算主要包括側(cè)墻計(jì)算、底板計(jì)算。計(jì)算工況：完建期：渠道內(nèi)無水，渠道外側(cè)擋土。運(yùn)行期：渠道內(nèi)設(shè)計(jì)水位，渠道外側(cè)擋土。非常情況：渠道內(nèi)滿槽水，渠道外側(cè)滑坡不擋土。荷載包括土壓力、水壓力、水重、自重等。②內(nèi)力及配筋計(jì)算。矩形渠底板應(yīng)力分析按照彈性地基梁法計(jì)算，邊墻作為固結(jié)于底板上的懸臂梁考慮。根據(jù)材料力學(xué)及簡明建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊計(jì)算各工況下內(nèi)力，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算各構(gòu)件配筋及裂縫寬度。

矩形渠采用C25混凝土，HRB400鋼筋，最大裂縫寬度限值0.30 mm。按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，滿足最小配筋率要求，裂縫開展寬度滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

鴨東干渠矩形渠防滲改造有效解決滲漏的同時(shí)拓寬了右岸干渠檢查道路，解決了渠道穿越村莊巡渠不便及居民出行安全等問題。為灌區(qū)渠道防滲改造打開了新思路，對灌區(qū)現(xiàn)代化改造具有重要意義。