装配式水利U型渠的结构研究

胡 新

(山西省东山供水工程建设管理局，太原 030001)

0 引 言

装配式U形渠是传统的U形渠结构与工业装配工艺形式相结合的一种水利渠道形式，其施建简单，功能适用，符合我国水利发展背景，是一种不错的水渠建造适用技术。文章探究装配式U形渠的结构配筋、横断面以及支撑形式等一系列结构和施建技术要点，以为同类工程应用提供技术参考。

1 装配式U形渠简介

农田灌溉工程中我们经常会使用U形渠道，按照不同的施工方法可以把它分为现接式和预制装配式，装配U形渠成品质量容易控制，由于把材料放在相对固定的场地进行施工，因此便于批量生产，同时由于它占地面积小，可以使场地得到充分的利用，大大提高了周转效率。U形渠多采用钢筋混凝土结构，其断面特征较为统一，多为半圆形加直线的形式。渠壁顶端尺寸要比中间大，只有这样才可以有效提高U形渠自身刚度两侧的肋板起支撑作用，在拼接过程中不需要填土护坡，因此可以省下大量的土[1]。除此之外，渡槽装配U形渠内壁相对光滑，流速增大从而避免了渠道内部滋生杂草，降低了清理、维护工作量。装配式U形渠如图1所示。

图1 装配式U形渠水利应用图

装配式U形渠使用的是承插式连接方式，改变了传统的平缝连接，这种连接方式具有连接紧密、防渗性能好等优点，除此之外，承插式连接还大大提高了渠壁的抗弯强度，装配式U形渠使用范围非常广泛，除了在农田灌溉中发挥巨大作用以外，还可以用于道路排水工程以及农田渠道排水[2]。

2 装配式U形渠身结构配筋、弯矩及轴向力参数

1)UD60型号装配式U形渠身结构及配筋分布如图2所示。

图2 UD60型号装配式U形渠身结构及配筋分布

2)UD60型号装配式U形渠操向弯矩参数如表1所示。

表1 UD60型号装配式U形渠操向弯矩参数一览表

3)UD60型号装配式U形渠身轴向力参数如表2所示。

表2 UD60型号装配式U形渠身轴向力参数一览表

3 装配式U形渠横断面设计

渠道断面，具体如图如3所示。

图3 U形渠道断面

图3显示，该渠道下半部分为半圆形，上部为向外倾斜的直线段，并且半圆与直线之间存在着相切的关系。外倾角α在5°-20°之间，外倾角与渠槽深度之间存在着正比的关系，随着渠道深度的增加外倾角会随之增大。为了满足灌溉的需要，较大的U形渠断面可以稍微浅一些，宽度与深度的比为B/H=1.30-1.50，相反的如果U形渠道较小，那么渠道应该变得窄深一些，而宽深比也可以减小至1.0。

U形渠道的渠壁超高a1参数值，如表3所示。

表3 渠壁超高a1参数值表

U形渠道断面参数值的经验关系，如表4所示：

表4 装配式U形渠断面经验关系参数表

4 渠身纵向支撑形式和跨度设计

渠身放置在镇墩上，一方面可以起到纵梁支撑的作用，另外一方面也起到了很好的输水作用。但是在实际施工过程中我们往往会把渠身分为很多个小节，从而避免在地基不均匀沉降或者是温度变化过大时渠身出现裂缝[3]。温度变化的时候混凝土结构很容易出现收缩裂缝，若裂缝没有得到有效控制，对于渡槽装配U形渠来说势必造成大量水资源的浪费。因此当地基条件不利于施工或者是渠高过大的时候，必须设计的跨度也相应增大，当渠深较浅的时候使用小跨度便可满足要求。渠身发挥着纵向梁的作用，因此在施工时需要在渠身中加入较多的钢筋。查阅有关资料发现，对于小形渡槽结构设计来说，简支梁的跨度取值范围在30-70cm。

5 渠道断面水力设计的相关参数

5.1 渠床糙率系数

渠床粗糙度通常用糙率系数n表示，n是一个常数，它可以通过计算求出也可以根据以往施工经验确定。糙率系数与渠道设计质量有着密切的关系，若n取值不精确势必影响设计精度，对于后期农田灌溉来说非常不利[4]。一般情况下取值越大，那么工作量就会增加，与之对应施工成本也会居高不下。若取值过小，可能导致U形渠尺寸不够，达不到理想的输水能力。具体选择糙率系数的时候应该根据施工材料的质量确定，并确保日后落实管理制度，做好相应的养护工作[5]。糙率系数n取值情况如表5中所示。

表5 渠床糙率系数n值表

5.2 临界不冲流速和临界不淤流速

临界不淤流速是指在稳定渠道条件下所最小的允许平均流速，临界不淤流速也称不淤流速，用Vcd表示。临界不冲流速是指在稳定渠道条件下所允许的最高流速平均数，临界不冲流速也简称为不冲流速，一般用Vcs表示。为了保证能够维持渠床的稳定运行，设计流量通过渠道时，其平均流速Vd值，要求满足如下条件，即Vd>Vcd，且

5.3 装配U型渠道渠底比降

U形渠渠底比降是衡量设计质量的重要参数，它指的是在某一单位长度内(设坡度均为一)渠道两端的高度差与该渠段长的比值。U形渠渠底比降的选择与工程造价、施工占地面积等方面有直接关系，具体选择的时候应该按照渠道沿线的地面坡度以及进水口等要求，施工经验也是确定装配式U形渠渠底比降必不可少的。此外，设计流量也是设计人员应该着重考虑的，但是无论是哪种设计方案，都应该坚持以不增加工作量的原则，而通过合理选择比降能够有效降低工程量[6]。由经验可知，当设计流量逐渐减小的时候，U形渠渠底比降反而会增大。当支渠上下流量差别较大的时候，应该在不同的部位使用不同的比降，上游相对平缓、下游则比降陡峭。清水渠很容易出现冲刷现象，因此比降应该相应缓和。比如某灌区输水渠道的比降为1/10000-1/28000。另一某灌区的U形渠渠底比降为1/2000-1/5000。对于抽水灌区的渠道而言，应该在满足要求的情况下尽可能选择平缓的比降，以防止泥沙淤堵，妨碍农田灌溉，同时选用平缓的比降也会降低灌溉成本。我国黄土高原地区农田灌溉多使用黄河水，这也意味着渠道中流动着含沙量较高的水，针对这一特殊情况，在选择装配式U形渠渠底比降的时候应该参考下列公式：

(1)

式中：i为装配式U形渠渠底比降；ρ0为水流的饱和挟沙量，kg/m3)；ω为泥沙平均沉速，mm/s。初步进行设计的时候，如果施工条件允许，那我们选用的装配式U形渠渠底比降应该尽可能大一下，选择比降在1/500-1/1500之间。若>1/1500，将会增加工程造价，也就不符合经济性原则。除了比降范围有所要求外，临界坡度也是一个重要的参数，根据渠道过水断面尺寸先拟定一个比降，然后在正常通流的情况下对比降进行校核，若满足要求说明取值合理。若不符合要求，重新选定比降并计算校核。

6 结 论

文章探究了装配式U形渠身结构配筋、弯矩及轴向力参数；装配式U形渠横断面设计；渠身纵向支撑形式和跨度设计；以及渠床糙率系数、临界不淤不冲流速、装配U型渠道渠底比降，等一系列装配式U形渠技术要点。足见其技术易行、功能适用和施建简单，是一种不错的水渠建造适用技术，值得在标准化农田水利建设中，尤其适合在土壤资源稀少或丘陵地区选择使用。

[1]巩伟军.明渠均匀流流速分布规律研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2016.

[2]高杨.U形渠道水力特性及测流试验研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2011.

[3]王亚林.灌溉U型渠道挟沙水流流速分布规律的分析研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2012.

[4]杨岑.明渠均匀流糙率系数及紊动特性试验研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2010.

[5]郝晶晶.U形渠道抛物线形量水槽数值模拟研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2008.

[6]杨仕松.农田建设中混凝土U形防渗渠技术的推广[J].湖南：湖南水利水电，2010(04)：67-68.