寒区某灌区引水渠道设计方案研究

孙 艾

(丹东市水务服务中心，辽宁 丹东 118000)

灌区工程建设是一项重要的民生工程，也是一项重要的生态改善工程。随着近年来我国水利建设步伐的加快，各大水利枢纽灌区建设也越来越发达。灌区建设涵盖水库、渠道、农田、耕作物，是一个综合体[1]。水库为灌区提供了重要的水源，是灌区的能量来源；渠道是能量的输送通道；田地、耕植物则是能量的目的地。渠道作为水源运输的重要因素是灌区引水灌溉项目的关键一环。引水渠道具备长度大、防渗要求高等特点。引水渠道的建设直接关系到灌区工程建设的使用效果。引水渠道的长距离建设势必会遇到复杂的地质结构条件和外部建设场地的变化。目前，在灌区引水渠道建设中遇到的主要问题为：渠道基础强度不足[2-3]、防渗不满足要求[4-5]、渠道自身强度较低[6]以及渠道开挖的基坑稳定性较低[7-8]等，在寒区还需考虑混凝土的冻融强度降低问题[9-10]。

1 灌区基本情况及渠道建设的问题

1.1 辽宁灌区基本情况

截至2011年底，辽宁省共有灌区45 628处，有效浇灌面积为32.38万hm2，其中大型灌区11处，中型灌区67处，其余均为小型灌区。这些灌区分布在辽宁省不同区域，灌区基本条件各不相同。

1.2 引水渠道建设存在的问题

目前，寒区灌区引水渠道建设中经常遇到的问题为：渠道地基冻胀作用强烈造成渠道底部开裂破坏、渠道开挖基坑破坏和渠道衬砌难以满足防渗要求等。

2 引水设计方案研究

针对寒区引水渠道建设过程中所遇到的问题，在渠道设计时采用针对性的措施，保证在施工和后期的生产过程中引水渠道具备较高的可靠度。拟从渠道抗冻、渠道断面设计、渠道开挖基坑稳定性以及渠道衬砌四个方面对渠道设计方案进行分析。以辽宁省某灌区为例对灌区引水渠道方案设计进行研究。该灌区渠道设计方案如下：该灌区引水渠道的断面设计为底板净宽度0.8 m，引水渠净深为0.8 m，渠道侧墙的坡比为1∶1.25，设计边墙和底板厚度为0.1 m，引水渠道使用C25混凝土进行浇筑。结合引水渠道选址的工程条件设计的防冻措施如下：采取增加板膜复合结构、增设伸缩缝、渠基土置换、加设苯板保温结构的防冻胀措施。

2.1 引水渠道基础抗冻设计

岩土体冻胀特性主要是由于岩土体中存在水分子造成的，在冻结作用下，液态水变为固态冰是岩土体冻胀的最主要原因，岩土体颗粒自身的体积变化与水结冰后的体积变化相比可以忽略不计。

因此，在渠道基础抗冻设计中，首先需要根据建设地的设计冻深，确定可能发生冻胀土的范围。目前，常用的冻胀土处理方式有四种：(1)换填，使用非冻胀土对冻胀性土进行更换。(2)抗冻胀结构设计，采用刚性结构或者柔性结构。(3)保温措施，采用合适的材料对渠底及边墙岩土体进行保温。(4)排水，在水渠渠底加设排水沟。

由于该灌区引水渠道较长，针对渠道建设过程中的工程条件的变化，应当采取多种防冻措施。本次引水渠道防冻设计选择了以上四种防冻措施。

2.2 渠道断面形式设计

水渠断面形式包括半圆形、梯形和矩形。在实际的工程项目中，半圆形断面的使用较少，主要因为：半圆形断面达到相同的过流断面需要更多的占地面积；半圆形断面施工难度大，两侧开挖基坑的稳定性较低；半圆形断面的宽浅形态导致其纵向的抗弯刚度小，自身强度较差。

在相同的底板宽度和渠深设计的情况下，梯形断面与矩形断面相比具有更大的过水断面面积如图1所示。当梯形斜坡坡比为X，渠道净深为H时，相同高度、相同底宽的情况下，梯形断面的面积比矩形断面面积大H2/X。同时梯形断面开挖基坑稳定性较好，易于采取各种形式的衬砌。

2.3 渠道开挖基坑稳定性分析

针对不同形式的断面使用数值模拟的方法进行渠道开挖过程中基坑稳定性分析。拟采用FLAC软件进行数值模拟分析，FLAC软件为一款有限元分析软件，具有建模简单，运算效率高的特点。

建立模型长为10 m，高为5 m，厚为10 m，按照设计的引水渠道断面形式进行开挖处理，使用分级开挖的方式进行开挖，共进行两步开挖分析，第一步开挖高度为0.4 m，第二步开挖高度为0.5 m，共开挖0.9 m。参数选取根据岩土工程勘察过程中的岩土体参数进行选取。模型建立如图2所示，计算分组从上至下依次表示第一步开挖、第二步开挖以及未开挖部分。

图2 FLAC计算模型

数值模拟分两步开挖，第一步开挖计算结果如图3(a)所示，可知，开挖后最大位于位于基坑顶部，但变形相对较小，此时，基坑稳定性系数为1.20。第二步开挖后计算结果见图3(b)，可知，第二步开挖后位移明显增大，最大位移位于基坑顶部，此时基坑稳定性系数为1.15，两步开挖后基坑稳定性系数均满足要求。因此，基坑设计较为合理，满足要求。

图3 基坑开挖后位移云图

2.4 渠道衬砌设计

2.4.1 衬砌材料选择

目前常用的衬砌材料包括土料、水泥土、砌石、防渗膜、混凝土及钢筋混凝土等。不同材料的防渗参数如表1所示。

表1 不同材料防渗参数

通过对比不同衬砌材料的防渗效果以及工程造价，选取现浇混凝土作为衬砌材料，混凝土强度设计为C25。

2.4.2 衬砌施工工艺要点

基坑开挖后应注意开挖土石方堆砌位置，避免堆放在开挖基坑旁边，施加荷载造成基坑失稳破坏。混凝土浇筑时，应当连续浇筑，避免混凝土浇筑过程中存在较大的时间间隔，若由于特殊原因导致施工间隔过长时，应当按照规范要求进行施工缝的处理，混凝土应当振捣充分，避免过振或少振，同时模板应当在混凝土强度达到要求时方可拆除。混凝土表面应该达到光滑的水平，按照需要可进行多次抹面。

3 结 论

(1)以辽宁省灌区引水渠道建设为例，分析了寒区灌区引水渠道建设工程遇到的相关问题：地基冻胀、渠道渗漏、开挖基坑失稳等。

(2)以寒区某灌区为例，研究了灌区引水渠道设计方案。针对地基冻胀问题提出了4种抗冻措施包括：换填、排水、保温、抗冻结构设计。

(3)从基坑开挖稳定性和过流断面流量方面选择了梯形断面作为引水渠道设计断面形式。使用数值模拟的方法对基坑开挖后的稳定性情况进行分析，设计基坑稳定性较好。