沈家河灌区弧形底梯形渠施工技术研究

张军明（原州区水务局，宁夏 固原 756000）

沈家河灌区弧形底梯形渠施工技术研究

张军明
（原州区水务局，宁夏 固原 756000）

弧形底梯形渠是水力条件较好和经济实用型渠道断面，它具有防渗漏效果好，输水能力强，稳定性强、抗冻胀，节省渠道占地少等优点。本文结合在原州区沈家河水库灌区改造工程中的广泛应用，重点对弧形底梯形渠道衬砌施工技术进行了分析研究。

灌区；渠道；施工，技术

1 研究背景

宁夏固原市原州区沈家河水库灌区位于清水河流域，距固原市区20km，地理位置为东径106°15′～106°17′，北纬 36°04～36°08′。该灌区始建于1962年10月，属于清水河上游的一座中型水库灌区，渠道分为干、支、斗、农四级渠道，干渠分总干渠、东干渠和西干渠，斗农渠217条，灌区涉及头营、彭堡2个镇，7个行政村，3811户，1.73万人，控制灌溉面积4.0万亩，其中实灌面积2.0万亩，人均纯收入3520元，属于原州区中上等水平。灌区地势较平坦，土壤肥沃，交通方便，适宜发展灌溉农业，是原州区主要的粮油生产基地和发挥效益最好的灌区。

1.1 工程任务

沈家河水库灌区节水改造项目于2009年列入第一批全国小型农田水利重点县项目建设，同年10月已建成配套干支渠11条28.6km，斗农渠217条114km，建筑物 24658座。改造道路 26.2km，恢复灌溉面积2.0万亩，改善灌溉面积1.5万亩。

1.2 工程建设方案

该水库灌区是在原老灌区上进行节水改造工程建设，骨干渠道基本分干、支两级渠道，完善增设农渠。干渠大体上和等高线平行，以便自流控制较大的灌溉面积，斗渠基本垂直干渠布置，即垂直等高线布置。斗农渠的布置满足机耕要求，斗渠长度在280～1500m之间，间距在200～800m；农渠长度为200～800m，间距100～200m。灌区保持原东、西干渠及西高支渠位置及长度不变，总长27.5km，共规划布置斗渠83条，其中新增设斗渠9条，增设农渠16条，东干渠增设5条斗渠，共45条斗渠，西干渠增设4条斗渠，共32条斗渠，斗、农渠总长84.07km。改造配套建筑物如支斗门、陡坡等，量水堰、跌水、车桥、生产桥、农口等。干、支渠比降保持不变，干渠改造段采用弧形底梯形渠断面，田间渠道按新设计“U”型断面衬砌，田间采取小畦灌溉技术。下面着重介绍沈家河东干渠改造段设计和施工过程。

2 渠道设计

工程设计的原则是“以节水增效为中心，以减淤防渗为重点”。沈家河东干渠根据原有灌区实际控制面积和需水量来确定渠道设计流量，同时考虑防渗效果、不冲不淤、抗冻胀性能、施工便利等主要因素确定渠道断面。

2.1 渠道纵断面设计

经过实地踏勘测量干渠现状，对东干渠需要改造的长度18km，进行规划推算，基本维持渠道现状纵坡为1/1000，渠道现状及今后改造高程相衔接。支渠取水口底高程均和干渠底齐平，改造段斗口底高程在满足灌溉情况下，尽量与干渠底齐平，以满足灌溉要求。

2.2 渠道横断面设计

2.2.1方案比较

为了提高干渠的输水能力，对东干渠的原梯形断面和U形断面进行比较，推荐U形断面，根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288-99）和2010年10月《宁夏灌区支斗农渠衬砌定型图集》要求4级以上渠道断面宜采用弧形底梯形断面（又称弧形底斜直边复合断面），为此，我们选择弧形底梯形与U形两种断面进行比较。

渠道挟沙淤积能力采用《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288-99）中黄河中、下游地区，按黄委水利科学研究院公式计算:

式中:H——断面平均水深（m）；

B——水面宽度（m）；

g——重力加速度（m/s2）；

ω——沉速（cm/s）（泥沙粒径 d≤0.05m m）。

对弧形底梯形和U形两种断面形式进行挟沙能力计算，计算结果见表1:

表1 沈家河东干渠设计流量挟沙淤积能力表

从表1中可以看出，两种断面的挟沙能力基本接近，但弧形底梯形断面较U形断面，施工方便，回填量小，工期短；防渗时，其开挖土模相对容易，可用滑动模板施工，大大提高了施工速度。沈家河水库灌区灌溉历时较长，干渠改造的工期要求紧，因此推荐采用弧形底梯形断面。

另外，该段干渠改造后，渠道口宽缩窄1.34m，渠堤加高0.4m，渠道堤顶宽度仍为现状的一侧4m和一侧6m，尽量少占地。

2.2.2结构设计

（1）渠堤稳定分析

改造段设计渠深为2.2m，填土高度2.2m，根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288-99），堤填土高度≤3m时，回填壤土时，内坡取1∶1，外坡为砂土取1∶1.5。弧形底梯形土槽是否稳定与土壤ψ值和с值有直接关系，据该渠段地质勘察报告可得:基土c值为20kpa、ψ值为25.4；渠堤土c值为25.5kpa、ψ值为23.7°，干容重为1.38t/m3。根据秦勒图表法求得坡角β值可取为90°，得弧形底梯形渠的坡角（即斜直边外倾角）为45°，完全能够满足稳定要求。

（2）衬砌厚度确定

弧形底梯形断面衬砌厚度与渠中流速和断面半径有关，改造段半径为2m，根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288-99）和原州区中小型水库灌区近多年的探索和已建成渠道运行经验，结合本次改造渠段处于高填方段，衬砌厚度取10cm厚，每1m加一条尺寸为（10+20）×20cm的肋梁（在施工中，因肋梁不利于土工布铺设被去掉），采用现浇200#混凝土防渗进行浇筑收面。

（3）渠道抗冻胀计算

根据《固原市天气预报气象资料》1975～2008近33年资料统计，灌区最大冻土深度为150cm，多年平均冻深29cm。根据《渠道工程抗冻胀设计规范》（SL 23-91）要求，经计算可得渠道向阳面冻胀量h=0.067cm～0.335cm，底面h=0.12cm～0.627cm，遮阴面h=0.155cm～0.78cm。根据规定混凝土渠道边皮允许位移值0.5～2cm，底部弧形段允许位移值4～5cm，计算值均在规范允许的范围，满足抗冻要求。

渠道冻胀量与其基土的含水量ω关系很大，若ω＞28%时，渠道遮阴面的冻胀量不能满足规范要求。为了降低渠基土的含水量，防止土基冻胀破坏渠道，渠道断面选为宽浅式。渠道防渗体采用现浇200#混凝土，抗冻标号为 D100，同时每隔4m设一道横向伸缩缝，因边坡和弧形底冻胀位移不一致，在斜直边与弧形底连接处设纵缝，缝宽均为2cm，缝内采用聚氯乙烯胶泥填塞，临水侧用1∶1∶4沥青水泥砂浆勾缝。因渠基土为自重湿陷性黄土，故渠道防渗体的抗渗标号取S40为了确保伸缩缝的防渗处理效果，在纵横向伸缩缝底部铺设80cm宽带状土工布，形成双层防渗结构。

2.2.3横断面设计图

横断面设计图见图1。

图1 横断面设计图

3 工程施工

3.1 土模成型

为了保证质量达到设计要求，严防渠道在运行时沉陷和渗漏变形，将弧形底梯形渠土方回填分两步进行。一是在渠底弧段范围内清除表层腐殖土，将边坡开挖成台阶状，底部原土层用机械碾压，分四层进行全断面回填1m高；二是两侧坡面采用分蹬方式分层贴坡，机械夯打而成，贴坡尺寸宽于设计尺寸25cm～30cm。土方回填到位后，按设计要求固定土模线架，线架间距4m，线架与线架间勾起施工线，人工开挖、精修到位，严防超挖或欠挖，如果出现超挖情况采用草泥补填。

3.2 混凝土工序板

土工布的铺设及混凝土衬砌现浇，采用滑模间隔跳仓，分一序板和二序板分步进行，即:沿渠道轴线按结构缝（间距4m）等距离划分并编号，先横向施工编号为1、3、5、7、9……的一序板，再进行编号为2、4、6、8、10……的二序板，利用已凝固并且强度达到50%以上的一序板横侧缘做为二序板的滑道进行混凝土浇筑，具体顺序见图2“混凝土工序板平面图”。

图2 混凝土工序板平面图

3.3 土工布铺设

按照土工布的幅宽，先铺设一序板的土工布，宽于混凝土的分块尺寸并留出粘接长度（一般为15cm～20cm）。注意土工布的粘接必须密实牢靠。将土工布按设计尺寸提前裁好，沿渠道横向铺设，要求有一定的松驰度，并紧贴渠槽土模。铺设速度应与混凝土浇筑速度相配合，以免土工布裸露时间过长风耗日晒及人为损坏。切忌施工中在土工布上打眼。

3.4 模具加工

（1）滑道加工

根据设计要求，滑道加工分为弧形段和斜直段两部分。弧形采用8m m厚的钢板加工成滑道的上、下面，两侧用带钢与钢板焊接，滑道成型后横断面是矩形；两条滑道净距4m（与横向结构缝尺寸相同），在弧形段上部（即纵向结构缝尺寸位置）用2m m厚钢板（做隔板用）用螺丝将其连接固定。斜直段滑道用10#槽钢下面焊8m m厚钢板加工成矩形断面，下部与弧形段滑道用螺丝连接，上部用角铁加工成的横担仍用螺丝固定。这样弧形段和斜直段滑道是一完整的组合，保证了滑道的结构稳定性；滑道下部加工成平面，必须打磨光滑，保证滑道承压时不损伤与其接触的土工布。

（2）双滚筒式振动梁加工

为了保证弧形段混凝土振捣密实及表面平整度，经精心研究，认真设计，决定将原平板振捣器完成的振捣工作，改为用自制的双滚筒式振动梁。具体结构是:用长4.2m、φ 80的厚壁钢管两根，在两端中心处焊接φ 20的圆心轴；用40×12cm的10m m厚钢板钻φ 22的孔固定两端的圆心轴，轴间距32cm；钢板块与上部横梁（用10#槽钢加工而成）焊接，横梁上中部安装振力900kg、振幅15cm的2.2kw振捣器一台；为了保证横梁整体性和减少振力的损耗，提高振动梁的振捣效果，用 φ 20钢筋加工成加强梁，与横梁焊接。“双滚筒式振动梁结构示意图”见图3。

图3 双滚筒式振动梁结构示意图

（3）斜直段牵引式滑动模板加工

斜直段混凝土浇筑采用卷扬机牵引滑动模板施工。滑模长4.2m，宽60cm，选用8m m厚钢板及∠70×70的角钢组焊而成；填料口与模板成45°角，上部中间设吊环用钢丝绳与卷扬机连接；模板上部设有操作平台。“滑动模板组合机具图”见图4。

图4 滑动模板组合机具图

3.5 现浇混凝土衬砌施工

（1）现浇弧形段混凝土

根据设计尺寸，在土工布上将弧形段滑道固定好，将砼入仓内，用人工进行平整；起动双滚筒振动梁，在滑道上来回拖动，速度要慢而稳，振过一两遍后要认真补平缺料部位，保证砼将液饱满、表面平整；用人工将面层压实赶光，必须保证原浆作业。

（2）现浇斜直段混凝土

首先将斜直段滑道与弧形段滑道连接固定，卷扬机在渠顶适当位置锚固就位，将滑动模板安放在滑道下部。机具就位后，给滑模中填装混凝土，第一次将料填满，用插入式振捣器认真振摇，之后要控制滑模的提升高度，每次为滑模宽度的1/3，振捣时要将捧头插入下层10cm左右，防止施工缝衔接不良。注意，提升滑模时要缓慢均匀，防止混凝土断裂。面层随打随抹，原浆作业。

（3）伸缩缝施工

一序板施工时，在混凝土浇筑完毕后，将固定弧形段滑道的2cm厚隔板取出，用聚氯乙烯胶泥填塞纵缝下部，上部用1∶1∶4沥青水泥砂浆封填，随整体面层压实赶光；横缝在二序板施工时，将准备好的2cm厚、10cm宽聚氯乙烯胶泥板固定在一序板的侧缘，随二序板的混凝土施工一次成型。

4 工程效益

沈家河干渠改造前，淤积厚度达1-1.5m，每年清淤1-2次，耗资近24万元。目前改造后干渠的挟沙淤积能力明显减少，弧形底梯形渠比梯形渠减少淤积量提高2倍左右，尤其是小流量运行优势更大；改造后，年节约清淤费用3万多元，东干渠渠系水利用系数提高了1.83%，年节约水方50万m3，年节约水费15万元；干渠全部防渗后，年节约清淤费用20多万元，年节约水量140万m3，年减少水费支出42万元。

施工工艺的改进，不仅提高了工程进度，而且保证了工程质量；原浆收面不仅提高了渠道的外观质量，而且提高了渠道的抗冲刷能力，降低了渠道糙率系数；双滚筒振动梁不仅创新了施工工艺，而且探索出了一条大型渠道施工的新路子，节省工程施工费用约5万元/km。

5 结 语

固原市原州区属于黄土丘陵干旱山区，水资源缺乏，干旱缺是水严重制约当地农业经济社会发展的主要因素，而农业灌溉用水量占全区总用水量的90%以上，因此大力发展节水灌溉技术，提高灌溉水利用效率是缓解我区水资源供需矛盾的必由之路。水库灌区改造中渠系配套工程占重要部分，渠道砌护防渗工程技术，是节水灌溉技术中应用最广泛的一项技术，原州区水库灌区已建成混凝土梯形、弧形底梯形断面、U形等形式的支、斗、农渠防渗工程，为灌区节水发挥了巨大作用，通过实践应用过程和调查中总结出弧形底梯形，不论从力学结构分析计算，还是设计、施工技术和运行管理方面，详细研究了各种衬砌渠道在冻胀作用下的受力状态进行比较，干支渠采用弧形底梯形渠断面形式是最佳断面，从设计到施工技术已经成熟，近几年已在原州区水库灌区改造配套中进行推广应用，深受广大用水户赞同，渠道工程节水效益明显。

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张军明（1965年—），男，高级工程师。