浆砌卵石在固化渠道设计中的应用

2010-06-12周永军

中国水利 2010年4期

周永军

（新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院，832002，乌鲁木齐）

卵石作为一种砌石防渗材料，具有抗冲、耐磨、经济等优点，在我国被广泛应用，卵石衬砌渠道取得了明显的经济效益和社会效益，为灌区发展发挥了巨大作用。新疆和田地区工程建设初期从河床中大量捡集和开挖卵石料。本文以“策勒县战斗渠节水改造设计”为例，对现状干砌卵石渠道破损原因进行分析。利用卵石抗冲耐磨的特点，采用软陡渠道纵坡以减少落差建筑物，根据当地财力选择浆砌卵石衬砌渠道，既经济又安全。

一、工程概况

新疆和田地区策勒县战斗渠位于昆仑山北麓，塔克拉玛干沙漠南缘，努尔河中下游西侧冲洪积砾质平原上。战斗渠修建于1960年，渠道通过努尔河渠首引努尔河水，承担着向下游灌区2.47万hm2农田的灌溉及生态输水任务，渠道全长85.14km。战斗渠设计流量30 m3/s，加大流量35 m3/s。

战斗渠上段11.227 km纵坡较陡渠段断面为梯形，渠底宽4～6 m，平均渠深1.8 m，渠道衬砌材料以干砌卵石为主。渠道运行时间长久，渠道破损渗漏严重。南疆是生态脆弱、缺水地区，为满足灌区发展，策勒县根据当地财力采用以工代赈的方式对该渠道分段、分期进行改造。

二、工程地质

勘察渠段沿线地貌为山前冲洪积砾质倾斜平原，在探坑揭露深度5.0 m范围内地层为第四系全新统冲、洪积粗粒土堆积，岩性均为卵石混合土或级配不良砾；本区地震动峰值加速度0.10 g，地震动反应谱特征周期为0.45 s，地震基本烈度为Ⅶ度；工程区位于昆仑山山前冲洪积扇的下缘，地下水主要为第四系松散堆积层孔隙潜水，地下水埋藏深度30～35 m。

对渠道衬砌干砌卵石利用率调查，未破损卵石仍可利用，利用率可达50%～60%。另外调查河床上游符合砌筑要求的卵石料（15～30 cm）很少。

三、渠道破损原因分析

战斗渠上段渠道内边坡 1∶1.1～1∶1.3，渠道平均纵坡i为1/58.8，渠道衬砌材料为干砌卵石。渠道存在不同程度的破坏损毁，断面不规整，局部存在塌陷、滑落现象，影响渠道的输水能力，每年用于该渠道的维修费都在增加，加重了管理部门的负担，渠道渗漏损失严重，造成水资源严重浪费。分析渠道破损原因如下：

①渠道边坡较陡，在水流冲蚀下，干砌卵石松动，卵石缝隙中的细颗粒土被掏空，渠道边坡出现坍塌及失稳下滑现象。

②松动的干砌卵石在高速水流冲刷下，落入渠底，对渠底冲刷加剧，形成冲坑。

③渠道纵坡陡，流速大，渠道没有防冲设施。

以上原因造成干砌卵石整体稳固性差，在流速较大的渠道上易损坏。

四、渠道纵、横断面设计

1.纵断面设计

现状渠道纵坡i为1/53.3～1/64.94，纵坡较陡。为充分利用当地料源，设计初选浆砌卵石衬砌断面，并对渠道纵坡进行经济比选。根据《渠道防渗工程技术规范》（SL 18—2004），浆砌卵石渠道允许流速为3～5 m/s，选定渠道允许不冲流速上限值分别为3.5m/s、4.0 m/s及4.5 m/s产生3个渠道纵坡方案经济比选。比选结果见表1。

由表1可知，当方案一的纵坡调缓至1/83～1/111时，需在渠道设3 m跌差建筑物22座，渠道流速为3.17～3.50 m/s；方案二的纵坡调缓至1/67～1/71时，需在渠道设3 m跌差建筑物9 座，渠道流速为 3.70～3.90 m/s；方案三采用现状渠道纵坡1/53.3～1/64.94时，渠道流速 3.78～4.18 m/s。以上3个方案的渠道流速均在规范允许不冲流速上限值5 m/s和下限值3 m/s之间。

表1 渠道纵坡比选表

方案一、方案二需增设落差建筑物调缓渠道纵坡从而降低渠道流速，增加渠道的安全性，但建筑工程投资增加较多，方案一的建筑工程投资几乎是方案三的2倍，工程投资对纵坡陡与缓较敏感。因此在规范允许不冲流速范围内，选择方案三投资最省，利用现状渠道纵坡不但减少落差建筑物，而且施工简单，缩短施工工期。

另外，渠道允许不冲流速值和渠道的砌筑质量有关，砌筑质量好的渠道其允许不冲流速较大，反之较小。若按照下限3 m/s控制，对渠道的运行安全性进行了储备，但工程投资增加更多。因此在严格控制施工质量的前提条件下，渠道现状渠底纵坡流速控制在允许不冲流速范围内可以实现。

2.横断面设计

纵坡陡流速大的渠道选择宽浅渠道断面可降低渠道流速，本次选择常规的宽浅梯形断面和弧形坡脚梯形断面两种进行比选，后者水力条件较好，且工程量与梯形渠道相差无几，工程投资相近；弧形坡脚梯形断面增加了渠道的施工难度，因此本渠道采用宽浅梯形断面。经水力计算确定渠底宽为6 m，渠深为2.10 m，渠道边坡 1∶1.50。

五、渠道固化、防渗设计

浆砌卵石具有抗冲耐磨等优点，采用当地卵石料可以大大降低工程造价。本工程渠道采用浆砌卵石衬砌材料，浆砌卵石渠道属刚性渠道，整体稳固性都较干砌卵石好。渠道防渗设计选择两个方案：方案一，浆砌卵石衬砌（见图 1）；方案二，浆砌卵石+一布一膜 (见图 2)。经比选，方案一建筑工程投资128.83万元/km，方案二建筑工程投资189.78万元/km，在资金允许的情况下，应首选防渗标准较高的方案二，但是受工程资金限制,选用方案一较经济实用。

该渠道纵坡陡流速大，为了安全考虑应选择较厚的浆砌卵石，这样不但增加了渠道边坡及渠底的整体稳定性，固化了渠道，较干砌卵石渠道其防渗性也有所提高。为了充分利用有限的卵石料，应对渠道边坡厚度进行优化。

本渠道渠底采用30 cm厚干砌卵石灌浆衬砌；水位线以下渠道边坡采用30 cm厚浆砌卵石，水位线以上至渠顶渠道边坡过水频率较低可适当降低厚度，采用20 cm厚浆砌卵石。

设计上从施工工艺上增加浆砌卵石的稳固性和防渗性。浆砌卵石施工分3种方法：坐浆干靠挤浆法、干砌灌浆法、干砌灌细粒混凝土法。根据当地施工经验，干砌灌浆法施工联结砂浆密实性较其他两种方法好，能增加渠道的整体稳定性和防渗性；干砌灌浆在渠底易于施工，渠道边坡施工难度较大；灌细粒混凝土在施工中不易灌实，施工难度大。因此本工程设计渠底采用干砌灌浆法，渠道边坡采用坐浆干靠挤浆法施工。