大洼灌区渠道防渗抗冻胀设计技术分析

2018-12-14

地下水 2018年6期

(辽宁省盘山县农业水利事务服务中心，辽宁盘锦 124100)

大洼灌区位于辽宁盘锦市的南部，地处大辽河最下游右岸，灌区东邻大辽河，南与营口市隔河相望，西临辽河，北与盘锦市兴隆台区相接壤。大洼灌区始建于1942年，经过70多年的开发建设，灌区基本上初具规模，水利化标准相对提高。特别是近几年来灌区高标准农田建设与节水改造项目的实施有一部分干、支、斗渠进行了衬砌，但由于该地区渠道衬砌结构存在易冻胀破坏，原衬砌渠道结构形式单一，衬砌质量参差不齐[1]，渠道衬砌普遍采用的结构为渠基土上铺设混凝土，抗冻胀能力不足，运行1～2 a便发生冻胀破坏等问题。

1 渠道防渗抗冻胀技术

本次水稻节水新技术推广技术方案：斗渠采取苯板防渗抗冻胀钢筋混凝土板衬砌结构形式。按灌溉面积确定工程规模为小型，其主要灌溉工程根据过流量划分级别[1]，其划分标准根据《灌溉与排水工程设计规范》[2](GB50288-99)。

1.1 渠道典型设计

本设计选用王家七干老三支二分支渠及所属斗渠、为水稻节水新技术推广典型地块。该渠道为三级渠道典型斗渠所控制的灌溉面积为43亩，田块短边长143 m，田块长边(即斗渠长度)为200 m，田间水利用水系数为0.96，灌溉作物为水稻。

1.1.1 灌溉设计标准

结合本项目区种植水稻的实际情况，取设计灌溉保证率为75%。

1.1.2 灌溉定额

水稻净灌溉定额根据规范及当地实际经验采用550 m3/亩，其中包括育苗用水10 m3/亩，泡插期用水130 m3/亩，生育期补水410 m3/亩。

1.1.3 灌水率计算

本项目区渠道灌溉方式采用轮灌，以七干老三支二分支渠为典型，二分支渠10条斗渠，灌水率以泡插期最大用水量为计算依据，农渠轮灌周期为3天，以此确定支渠最大灌水率为：

q支=αm/(8.64T)=5.0 (m3/s/万亩)

1.2 渠道设计流量推求

1.2.1 确定渠道配水方式

支、斗渠实行轮灌，二分支渠同时灌水的斗渠有5条(n=5)

1.2.2 推求二分支渠及其所属斗渠的设计流量

(1)计算二分支渠及所属斗渠应送到田间的净流量,二分支渠配到田间的净流量为

Q干田净=A支q

式中：Q干田净为田间净流量(m3/s)；A干为灌溉面积(0.40万亩)；q为净灌水模数[(m3/s)/万亩] q=5.0;

Q干田净=2.0 m3/s

Q干田净= Q干田净/n×k0.08m3/s

考虑田间水量损失,取田间水利用系数η田=0.96则农渠净流量为

Q斗净= Q斗田净/η田=0.083m3/s

(2)计算二分支渠及所属斗渠的设计流量

斗渠的设计流量(Q斗毛)

式中：A、m为土壤透水性参数; A=1.9 m=0.4；L为斗渠工作长度，等于斗渠总长度一半;

即480/2=240 m=0.24 km

Q斗毛=0.083(1+1.9/(0.083)0.4×0.24/100)=0.1m3/s

其中渠道水力要素见表1。

1.3 渠道防渗断面流量计算

1.3.1 渠道防渗断面流量计算

式中：Q为渠道设计流量，m3/s；ω为过水断面(m2)；m为渠道糙率；R为渠道水力半径(m)；i为渠道比降。

式中：θ为渠底圆孤的圆心角，rad；H为断面水深(m)；r为渠底圆弧半径；b为弧形底的弦长；m为边坡系数。

表1 渠道断面水力要素表

1.3.2 混凝土板渠道防渗断面流量计算

式中：Q设计为河道设计过水流量(m3/s)；ω为过水断面面积(m2)；χ为湿周(m)；R为水力半径(ω/χm)；C为谢才系数1/n R1/6(m1/2/s)；i为设计河道比降1/8 000；n为糙率0.017。

计算结果见表2。

表2 衬砌渠道水力计算成果表

2 防冻胀设计

2.1 基本资料

项目区地理位置高程在2.0～2.4 m之间。二分支渠走向南北向。渠底宽2.0 m，渠深2.0 m，边坡系数1：1.25。渠床土质为壤土：气象资料：项目区冰冻期为150 d，最早结冻期为10月23日，最晚解冻期为4月17日，最大结冻深度为1.1 m，年平均风速为4.4 m/s。

项目区按灌溉面积确定工程规模为小型，其主要灌溉工程根据过流量划分级别，其划分标准根据《灌溉与排水工程设计规范》[2](GB50288-99)。

2.2 确定基本参数

2.2.1 设计冻结深度

Hd=KpKdKzHo

式中：Hd为设计冻深(m)；Ho为标准冻深m，取62 cm；Kp为冻深年际变化的频率模比系数，取1.2；Kd为日照及遮阴程度影响系数Kd=a+bψi；Kz为地下水位影响系数，Kz=(1+αe-zwo)/(1+αe-zwi)。

日照及遮阴程度影响系数Kd计算成果及地下水位影响系数Kz计算见表3和表4。

表3 日照及遮阴程度影响系数Kd计算成果表

表4 地下水位影响系数Kz计算成果表

则渠道各部位的设计冻深：

坡面：Hd=1.2×1.05×1.0×62=78.12 cm

底面：Hd=1.2×1.04×1.0×62=77.38 cm

2.2.2 冻胀量

项目区渠道属4级渠道，按下式确定渠道各部位的冻胀量：

h=(αpf Hd)/100

式中：h为冻胀量m；αp为荷载修正系数，αp=e-βpi

荷载修正系数αp计算成果见表5。

表5 荷载修正系数αp计算成果表

式中：f为土的平均冻胀强度%，地下水浅埋(Zp≤Zo)时：

f=α1e-β1zp；Hd为设计冻深(m )；

则渠道各部位的冻胀量：

坡面：h=(1.0×4.52×78.12)/100=3.53 cm

底面：h=(1.0×4.52×77.38)/100=3.49 cm

土的平均冻胀强度f计算见表6。

表6 土的平均冻胀强度f计算成果表

2.2.3 判断基土的冻胀性类别

设计渠道坡面、底面的冻胀量均大于2 cm ，小于5 cm，属Ⅱ类冻胀》[4]。

2.3 防冻胀验算

选取渠道横断面上的冻胀量最大值[5](即坡面上的冻胀量3.53 cm，为该段衬砌渠道的最大冻胀位移值)。

项目区渠道采用钢筋混凝土衬砌，渠深1.2 m、小于1.5 m。衬砌板块尺寸小于2.5 m，渠底宽和坡长都小于2.5 m，允许位移值为1.0 cm。

渠道的最大冻胀位移值(3.53 cm)大于允许位移值(1.0 cm)，须采取防冻胀工程措施。

渠床土属Ⅱ类冻胀类别，系中型渠道，按《渠系工程抗冻胀设计规范》[4]有关要求，采用的渠道断面和衬砌结构形式如下：

(1)斗渠梯形断面：采用现浇钢筋混凝土板，板厚80 mm；下设苯板80 mm(阴坡)，80 mm(阳坡)，渠底80 mm；基层为素土夯实。

(2)依据《水工建筑物抗冰冻设计规范》[5](SL211-98)，混凝土设计指标为：强度标号C25，抗冻F150，抗渗W4。

3 渠道抗冻设计

3.1 渠道选线与渠系布置

在渠道选线时，要认识到冻胀防治的重要关系。如果条件允许，应尽量让渠线尽可能通过粗粒土。当地下水位较高的地方应尽可能地修建填筑渠道，以提高渠底。在灌区渠系布置中，要注意防止田间水渗漏，从而导致造成冻胀。在地块和下一条渠道之间设计一条林区道路，这样就延长了渗漏通道。

3.2 设计措施

结构抗冻性设计一般采用U形或圆弧底梯形渠道，以防冻胀。以U形渠道变形主要是将整体上抬为主，冻胀变形较为均匀。弧形槽底有很好的防冻胀效果，在冻胀影响时因其变形较均匀，适用于寒冷地区的设计。因U形渠道主要由预制混凝土板组成。然而在施工过程中, 因为预制件的尺寸是有限的。而且，在大U形混凝土板的接缝过程中，存在着许多困难。U型通道一般用于小流量支渠及支渠以下的渠道, 而弧形底梯形断面不受这些因素的影响,在干渠及其以下渠道会经常被采用。