大石桥水库输水渠道施工中影响因素分析

刘庆春

（福建路港（集团）有限公司，福建 泉州 362000）

0 引言

渠道施工中糙率系数和边坡稳定两个因素对施工有重要的影响。其一是糙率系数n的取值，在进行断面设计施工时，糙率n取值过大或者过小，都将影响断面大小及输水渠道的过流能力及工程投资，从而影响整个工程[1]。其二是边坡稳定对渠道的影响。本工程输水渠道土质边坡与岩质边坡均有分布，边坡高为4 m～15 m，根据现场地质勘察，边坡稳定性较差，在设计中一定要加强防护措施，防止边坡发生滑坡或坍塌问题，影响施工人员安全和渠道结构安全，也会影响投资。

1 工程概况

新建潼南县大石桥水库输水干渠有桃花湾干渠、史家沟干渠和李家沟支渠、周家沟支渠等。总长占整个输水线路的65%以上，其中桃花湾干渠总长2.477 km，输水渠道设计底坡为1/1000～1/2000，断面大小采用1.2 m×1.5 m砼断面衬砌厚30 cm。本文选取该输水渠道为典型渠道，该输水渠道断面设计图见图1。

图1 桃花湾干渠横断面图

本工程渠道沿线为山坡地，地形地貌相对起伏较大，地表零星分布第四系残坡积层粉质粘土夹碎石，下伏基岩为侏罗系上统遂宁组泥岩夹砂岩。岩层产状为N55～75°E/NW＜3～5°，裂隙较发育，强风化带厚约2.0 m～3.2 m，无严重不良地质现象。渠道边坡为土质、岩质边坡：坡高一般4 m～15 m。

2 糙率的选择

2.1 糙率n的影响因素

渠道渠道糙率n的选取不仅与渠道过水断面、渠道粗糙度及边界几何形状有关，还受到渠线弯道、渐变断面、及水质(含沙)、施工技术及质量、以及养护条件等因素影响，本文结合相关规范技术要求，列出渠道混凝土衬砌糙率系数的推荐取值[2,3]，见表 1。

表1 输水渠道糙率系数取值推荐表

由表1可知，输水渠道在施工过程中施工技术与质量的控制、渠道浇筑完成后的洒水养护、后期运行管理及渠道维护对渠道糙率大小的影响甚大。现浇输水渠道砼衬砌施工中从沙石料的筛选、混凝土拌和浇筑到拆模等工序，任何一个环节出现差错，都会直接影响施工质量。后期由于管理维护不善，输水渠道会出现水生物及泥沙淤积，都直接影响混凝土糙率系数n值的变化。以上这些因素，导致糙率设计取值与实测成果存在差异。

2.2 实际工程资料取值

根据设计规范现浇混凝土渠道衬砌糙率采用值为[4]：浇筑技术一般为0.012～0.016，浇筑技术良好为0.012～0.014。通过对国内已建长距离引水工程的设计取值调研，几个城市供水工程输水渠道洞设计糙率如下：北京引潮入京工程现浇混凝土渠道，n=0.014；甘肃引大入秦工程现浇混凝土渠道，n=0.015；甘肃引洮供水1期、2期工程现浇混凝土渠道，n=0.015；天津引滦入津工程现浇混凝土渠道，n=0.015；山西引黄入晋工程现浇混凝土渠道，n=0.014；宁波白溪水库引水工程现浇混凝土渠道，n=0.014；掌鸠河引水工程现浇混凝土渠道，n=0.014；牛栏江调水工程现浇混凝土渠道，n=0.014。

2.3 糙率敏感性分析

考虑到渠道占输水线路总长接近90%，在投资中占主导，这里对该输水渠道混凝土糙率取值变化对断面尺寸大小的影响进行敏感性分析。敏感性分析原则为：在设计流量Q=17 m3/s、底坡i=1/1000一定的情况下，拟定不同的底宽，求得相应的水深及过水断面，保证净空面积为20%左右，具体比较见表2。

表2 渠道混凝土衬砌糙率敏感性分析表

从表2可以看出，随着糙率每增加0.001，渠道断面基本为均匀增加，虽增加的幅度不大，平均约为0.18 m2，占平均面积的9.8%，糙率变化对渠道断面的影响不大，对工程量的影响不大，但总趋势是糙率越小渠道工程量越小，投资越省。参考有关资料及国内已建、在建长距离引水工程的取值，以及当前的浇筑技术水平，从适当留有余度考虑，本工程仍主要依据规范的中间值选取新建输水渠道混凝土内衬砌糙率为n=0.014。

2.4 现场实测值对比分析

2.4.1 糙率的计算

目前工程上普遍采用谢才公式和曼宁公式推算糙率系数，因为输水渠道按无压渠道考虑，满足无压明渠均匀流计算公式，本文利用《水力学》中曼宁公式对输水渠道糙率反推计算，计算公式如下[5]：

式中：v为渠道的断面流速，m/s；i为渠道的比降；R为渠道的水力半径，m。

2.4.2 测量结果对比分析

尽管该新建输水渠线较长，但围岩地质条件相差不大，施工技术以及后期养护等相同，本文只选取0+250、1+550和2+225三个典型渠道断面，对渠道断面几何尺寸与水力学要素进行测量，得到2组实测数据，利用曼宁公式对渠道糙率计算进行反推，得到实测糙率系数，渠道实测断面尺寸、水力要素及糙率计算结果见表3。

表3 输水渠道典型断面实测糙率计算结果表

输水渠道采用现浇C20混凝土矩形断面，应用现场实测断面尺寸、渠道比降等数据对糙率系数n进行反推计算，典型断面1（0+250）处计算糙率为0.0147，计算结果大于设计值0.014，一方面是因为渠道轴线在此桩号处有转角，设计时按渠道顺直考虑的，另一方面是由于输水渠道实测比降（1/870）大于渠道设计比降（1/1000）而引起的，导致输水渠道实测糙率大于设计糙率。典型断面2（1+550）处计算糙率为0.0143，比设计值0.014要大，主要也是因为断面几何尺寸和输水渠道比降两个方面的影响。典型断面3（2+225）处计算糙率为0.013，比设计值0.014要小，主要是因为输水渠道比降的影响。

3 施工中滑坡稳定分析

3.1 可能导致滑坡的因素

（1）渠道边坡属层状同向结构岩质边坡，软弱夹层（泥岩）、层间泥化夹层和岩层面对边坡稳定起控制作用，开挖边坡不仅切挖坡脚形成临空，失去阻挡，亦同时开挖切层使层面、层间泥化夹层贯穿至临空面。

（2）施工开挖揭露出层间泥化夹层为软塑状粘土，厚度10 cm～30 cm，呈不连续分布，取样试验结果为高液限、高塑性指数粘土（饱和度97.03%，塑性指数为27.3，粘粒含量＜0.005为54.9%），饱和快剪强度为粘聚力27 kPa、内摩擦角10.9°，低于初设潜在滑动面计算抗剪强度取值（粘聚力16 kPa、内摩擦角15°）。

（3）开挖边坡形成后，坡面挂网喷混凝土和排水沟、边坡表层排水孔施工未全部施工结束，加固护坡措施未起到作用，若边坡长时间暴露则有可能导致滑坡。

（4）施工中若遇到持续强降雨，使边坡岩土体饱水，边坡岩土体排水不畅，下滑力增加，同时边坡岩土体饱水使岩体力学指标下降，抗滑力降低。

（5）工程施工放炮震动波对边坡稳定亦构成影响。

3.2 采取的工程措施

若在施工过程中遇到以上可能产生滑坡的因素[6,7]，那么在施工现场应及时组织设计工程师、监理工程师及施工技术人员，综合考虑地形、地质条件、施工技术水平及难易程度等因素，选择施工安全、能有效快速控制滑坡活动的以预应力深锚支护为主的综合治理方案，即：清除滑坡体+削坡减载、深层采用预应力锚索、坡面锚杆+喷混凝土、排水等措施[8]。

1）清除滑坡体+削坡减载措施

采用分台开挖，上层边坡开挖坡比1∶1.6，下层边坡开挖坡比1∶1.5，开挖坡比根据滑坡、揭露的地质情况可适当调整。结合锚索施工在上层边坡中间位置设3 m平台，并及时清除滑坡体。

2）深层预应力锚索措施

在滑坡体范围内根据滑坡面大小，设置一定数量的钢绞线组成的1000 kN锚索，设计长度30 m、40 m，锚固深度以进入弱风化石英砂岩≥6 m。

锚墩置于坡面锚拉板上，锚拉板采用C25钢筋混凝土板，厚40 cm厚，锚索锚头采用C30混凝土封闭。

3）坡面锚杆+喷混凝土措施（浅层锚固措施）

坡面布置锚杆间排、距为3 m，锚杆长4.5 m、9 m，采用C20混凝土挂网封闭，混凝土厚10 cm。

4）排水措施

坡顶设排水沟，排水沟断面为矩形和梯形，矩形断面为0.5 m×0.5 m，梯形断面为底宽0.3 m，顶宽0.8 m。排水沟采用C20混凝土衬砌。

坡面设排水孔，排水孔间排距10 m。

4 结语

本文以实际工程为例进行渠道砼衬砌糙率的选择和分析渠道施工时可能发生的各种因素对边坡稳定的影响，并提出了一些具体措施，来保障施工安全，通过这两个重要的影响因素，得到以下结论：

（1）经过国内大型输水隧洞钢筋混凝土衬砌糙率系数的取值研究，隧洞混凝土衬砌糙率系数在0.014～0.015之间，部分隧洞糙率系数取值为0.016，但随着施工技术不断提高，隧洞过水面比较光滑，近年来的取值也有所降低。

（2）渠道砼衬砌糙率系数敏感性分析，将选择得到的糙率设计值n与现场实际测量计算所得的糙率值进行比较，我们可以看出，糙率的影响系数由渠道的断面、比降及表面光滑程度等共同决定，在进行混凝土衬砌糙率比选时一定要结合各种因素综合考虑。

（3）渠道施工过程中，边坡稳定对输水渠道的影响很大，施工设计人员应根据施工经验设计从各个角度考虑造成边坡失稳的因素，并提出应对边坡失稳及边坡室温后的处理措施，为渠道施工顺利施工提供安全保障。