新疆某灌区渠道防渗改建工程设计分析

赵 刚

（阜康市城乡供排水管理站，新疆 阜康 831500）

1 工程概况

新疆某灌区总面积9.09万hm2，灌区灌溉面积2.16万hm2。该灌区渠道始建于20世纪80～90年代，由团场自筹资金修建。建设初期由于资金限制，渠道建设标准较低，大部分为土渠，且衬砌段渠道未做抗冻胀措施，现状渠道已破损不堪，建筑物年久失修已丧失正常运行的能力。本次防渗改建支渠6条，总长18.97km，配套建筑物40座，其中闸33座，涵7座，如表1。

表1 建设内容统计

渠道设计流量1.08～0.32m3/s。设计基本地震加速度值0.10g，对应场地的抗震设防烈度为7°，渠道沿线为中软场地土，土层经验等效剪切波速Vs在140～250m/s之间，场地为Ⅲ类场地，该场地为一般场地［1］。

2 渠道沿线地质概况

渠道沿线勘探深度范围内，由低液限粉土、级配不良砾、级配良好砾构成。

2.1 低液限粉土

主要分布于渠道沿线表层，南薄北厚，层厚0.1～5.0m，干强度低，韧性低。局部存在小砾石夹层。根据土工试验，该层渗透系数3.0×10-4cm/s，内聚力c=11kPa，内摩擦角φ=28°。

2.2 级配不良（良好砾）

该层在渠线均有分布，位于低液限粉土层以下，未揭穿，最大可见厚度5.9m。由级配不良（良好）砾、砂砾石构成，粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50%，以砾石为骨架，呈交错排列少部分接触，粒径大小不均，孔隙由砂砾石填充，磨圆度差，c=0kPa，φ=40°～60°，现场试验渗透系数5×100～5×101cm/s，地基土物理力学性质及工程特性指标，如表2。

表2 地基土物理力学性质及特性指标

各土层均湿陷系数均小于0.015，不具有湿陷性，场地为非湿陷性场地。渠道沿线标准冻深1.5m，渠线范围内粒径小于0.075mm的颗粒含量大于总土重的10%，判断渠基土均为冻胀性土，采用符合抗冻胀要求的砂石料换填处理渠基［2］。

3 渠道横断面设计

3.1 渠道参数选定

渠道预制混凝土板衬砌糙率取0.017，沿线土质多为粉土、黏土、粉质黏土，当渠道设计水深在小于1m时，填方渠道的内边坡需≥1.25［3］。结合渠道土质及项目区的实际运行经验，确定渠道内外边坡系数均取1.5。按照设计流量，本次渠堤宽度取1.0m。4、5级渠道岸顶超高计算如式（1）：

式中 h加为加大流量水深（m）；Fb为超高（m）。

同时渠道衬砌超高值可采用0.3～0.8m，5级渠道可适当减小，但不应小于0.1m。

考虑渠道的长远规划，确定渠道安全超高0.21～0.44m之间，渠深0.62～1.24m。

3.2 渠道防冻胀设计

项目区最冷月元月份平均气温-19.4℃＜-10℃，属严寒地区；渠道沿线地基土粒小于0.075mm的含量在10%以上属冻胀性土质；地下水位在地面以下2.0～3.0m，本次设计取开挖面至冻结前地下水位的距离。渠道所在地区满足发生冻胀的条件，渠道在修建时要采取防冻措施［4］。

按照GB/T50600—2010《渠道防渗工程技术规范》、GB/T50662—2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》及SL23—2006《渠系工程抗冻胀设计规范》，计算设计冻深和冻胀量。设计冻深按式（2）进行计算：

式中 Zd为设计冻深（m）；Ψd为日照及遮阴程度影响系数，渠道阴面、底面、阳面分别取值；Ψw为地下水影响系数；Zm为历年最大冻深（m），根据当地多年气象资料查得1.5m。

式中 a为南温区系数；Ψi为典型断面某部位i的日照及遮阴程度修正系数。

式中 βe为土壤系数，工程沿线为黏土、粉土，取0.79；阴面（阳面）底面均取1.10；Zw0为邻近气象台的地下水位深度（m），取3m；Zwi为计算点的渠底至地下水位的深度（m）。

渠道设计冻深如表3。

表3 渠道设计冻深计算

4 渠道设计

4.1 渠道断面

渠道断面选择梯型断面预制混凝土板衬砌方式，尺寸根据渠道通过设计流量时明渠均匀流公式计算而得。 如式（5）［5］：

式中 Q为渠道设计流量 （m3/s）；A为渠道过水断面面积（m2），A=（B+M×H）×H，B为渠道底宽（m），M为边坡，H为渠道水深（m）；C为谢才系数，C=1/n×R1/6，n为渠床糙率；R为水力半径；I为水力比降，即渠道纵坡。

通过水力计算，各渠道水力要素如表4。

表4 渠道水力要素

4.2 不冲流速验算

根据GB50288—99《灌溉与排水工程设计规范》预制混凝土板衬砌结构，允许不冲流速小于5m/s。本次6条渠道设计流速0.32～2.02m/s，小于5m/s，设计流速满足规范要求［6］。改建渠道采用梯型断面型式，预制混凝土板加塑膜的双防结构，6cm厚预制C20混凝土板，3cm厚M10砂浆垫层，0.3mm聚乙烯塑膜，下垫40cm厚砂砾石垫层防止渠道受冻胀破坏。渠道内坡1∶1.5，渠道外坡坡1∶1.5，渠堤宽度为1.0m，渠道底宽0.92～0.47m，渠深1.24～0.62m，流速0.90～0.35m/s，渠道开口宽度4.64～2.33m，渠堤上设C20混凝土压顶板，压顶板厚6cm，尺寸0.3m×0.98m。混凝土抗冻等级F200，抗渗等级W6，渠道横断面设计如图1。

4.3 伸缩缝

本次设计预制混凝土板横向每7.0m设1条伸缩缝，底板纵向沿中心线设1条伸缩缝。伸缩缝形式均为矩型缝，宽均为2cm，错缝布置，缝宽2cm。缝内填2cm厚的绿豆砂，上部再灌厚4cm焦油膏。

4.4 压顶板

本次在渠道两侧设压顶板，压顶板为现浇混凝土板，规格30cm×6cm×98cm，混凝土采用C20普通硅酸盐混凝土；施工时将压顶板嵌入渠堤顶，与堤顶在同一平面上。每两块板间设1道缝，缝宽2cm，用M15砂浆填缝。

5 结语

（1）渠道内外边坡系数均取1.5，渠堤宽度取1.0m，安全超高在0.21～0.44m之间，渠深0.62～1.24m。6条渠道设计流速0.32～2.02m/s，小于5m/s。

（2）渠道采用梯型断面型式，预制混凝土板加塑膜的双防结构，6cm厚预制C20混凝土板，3cm厚M10砂浆垫层，0.3mm聚乙烯塑膜，下垫40cm厚砂砾石垫层防止渠道受冻胀破坏。

（3）设计预制混凝土板横向每7.0m设1条伸缩缝，底板纵向沿中心线设1条伸缩缝。伸缩缝形式均为矩型缝，宽均为2cm，伸缩缝错缝布置，缝宽2cm。渠道两侧设压顶板，压顶板为现浇混凝土板，规格为30cm×6cm×98cm。