山东聊城位山灌区干渠防渗工程设计分析

郎言豹，张 元，张 伟

（山东省聊城市位山灌区管理处，山东 聊城 252000）

自新中国成立以来，我国修建了大量的引水灌区，促进了当地农业的发展、提高了农民的收入、也对当地生态环境起到了一定的改善作用。引水渠道是灌区的“血管”[1]，是将水资源输送至农田的重要水利建筑物，影响灌区水资源的利用效率[2-3]。在使用过程中，引水渠道会发生破损，降低了水资源利用率，造成水资源严重浪费，引水渠道改造工程是确保引水干渠长期高效运行的重要手段[4]，而渠道改造工程设计需要合理选择渠道断面型式[5-6]、衬砌结构[7-8]，并在寒冷地区考虑冻胀[9-10]的影响。

本文结合位山灌区节水配套改造项目，从干渠渠道断面型式和衬砌设计方案两方面探讨分析渠道防渗问题。

1 灌区概况

位山灌区始建于1958年，并于1981年进行了改建。黄河水为位山灌区主要的水资源来源，设计灌溉面积36万hm2，其中有效灌溉面积为34.4万hm2。改建后位山灌区渠首的引水流量为240 m3/s，有东西两个渠道，其中东渠引水流量为80 m3/s。目前，位山灌区正在进行节水改造工程，主要是对已有结构的衬砌改造，提升防渗效果，截至目前，共衬砌渠道247.2 km，其中干渠139.7 km，分干87.2 km，支渠20.3 km，引黄济津衬砌67 km。干渠衬砌率为：50.98%，灌溉保证率为50%，田间工程配套率91%，排涝达标率94%；灌溉水利用系数0.54，节水灌溉面积率73%。

2 渠道改造工程设计

2.1 断面型式比选

引水渠道改造工程设计需要全面考虑原有渠道特征，选取水力条件好、耐冲刷、抗冻胀能力强的横断面。

根据位山灌区渠道特点，设计渠道纵坡降为1/6000（地面自然坡降），断面型式有3种：直立墙式断面、梯形断面、弧形底梯形断面。其中：直立墙式断面占地面积最小，但边坡稳定性系数较低；梯形断面具备水力条件好、抗冲刷能力强、施工简便等优点，但占地面积较大；弧形底梯形断面上口较窄，占地面积介于直立墙式和梯形断面之间，缺点也较为明显，水流速度快、冲刷力强，施工难度较高。由于渠道周围农田较多，占地费用相对较低，采用梯形断面作为渠道断面型式，优势较为明显。设计渠道渠底宽为2.0 m，左堤堤顶宽2.0 m，内边坡系数为1∶2.0，外边坡系数为1∶1.5，设计水深为1.45 m，安全加高为0.55 m，渠道总高2.0 m。设计渠道左堤断面示意图见图1。

图1 梯形断面示意图

2.2 渠道衬砌方案比选

现状渠道设计灌溉流量为2.0 m3/s，加大设计流量为2.6 m3/s。由于设计流量、加大流量值均较小，可不考虑糙率系数较大的浆砌卵石衬砌，渠道全断面可采用混凝土衬砌。现有两种方案进行对比：（1）全断面现浇混凝土衬砌；（2）M10砂浆砌筑预制混凝土板+土工布。两种方案对比见表1。

表1 两种渠道断面衬砌方案对比

从表1可以看出，采用方案二：M10砂浆砌筑预制混凝土板+土工布具有工程投资低、维护简便、工期短、抗冻胀能力强等特点，综合考虑，采用方案二作为位山灌区干渠衬砌方案。

3 冻胀计算及处理措施

3.1 冻胀计算

3.1.1 模型建立及参数选取

根据渠道断面建立数值模拟模型，渠道底宽2 m，高2 m，边坡系数为1∶1.5～1∶2.0。使用C25混凝土衬砌，衬砌厚度6.0 cm。地下水与渠道底板距离为0.20 m。依据临沂冬季环境气候特征设计温度场。

表2 冻土弹性模量

表3 岩土体及衬砌材料参数

3.1.2 数值模拟结果

（1）位移分析

根据数值模拟模型，研究渠道衬砌结构法向冻胀变形量在不同区域的分布特征，结果见图2。由图2可知，在渠底，衬砌结构法向冻胀变形量最大值位于渠底中部，为2.2 mm。渠坡部位，最大变形量发生于距离渠底垂直距离约0.67 m处，此处最大法向冻胀变形量为5.4 mm。

图2 渠道衬砌结构法向冻胀量分布图

（2）应力分析

由于冻胀作用在渠道衬砌结构中形成两个方向作用力：法向冻胀力和切向冻胀力。

1）法向冻胀力

由于冻胀作用形成的垂直于衬砌结构的应力称之为法向冻胀力，沿衬砌结构展开方向，法向冻胀力分布情况见图3，由图可知，渠底与渠坡连接部位法向冻胀力最大，左、右两侧差值主要是由于光照因素的影响，渠底中部为法向冻胀力最小的部位，向两侧扩展，法向冻胀力逐渐增大。

图3 衬砌结构展开法向冻胀力分布图

2）切向冻胀力

由于冻胀作用形成的平行于衬砌结构的应力称之为切向冻胀力，沿衬砌结构展开方向，切向冻胀力分布情况见图4，由图可知，切向冻胀力在渠道左侧主要为拉应力，在渠道右侧为压应力，左、右两侧渠坡与渠底接触部位切向应力最大，切向冻胀力在衬砌结构内呈线性分布。

图4 衬砌结构展开切向冻胀力分布图

根据数值模拟结果可知，渠底和渠坡接触部位为冻胀应力集中区，在进行渠道施工时，应当重点注意对该部位施工质量的控制。

3.2 抗冻胀措施

根据3.1研究结果可知，在冻胀作用下，渠道衬砌材料沿着法向方向会产生约5.0 mm的冻胀变形量，因此，需要采取相应的措施防止因冻胀变形导致渠道的整体破坏。

（1）沿着渠道输送水流方向，在渠道边坡与齿板接触部位布置伸缩缝（左、右渠坡均需布置1条）；同时在封顶板与渠道边坡接触部位布置1条伸缩缝。

（2）渠底齿墙间隔10 m布置一条伸缩缝，设计缝宽为2 cm，内部采用高压聚乙烯塑料板充填。同时，在渠坡布置与水泵轮廓一样的横向收缩缝，伸缩缝宽2 cm，充填材料为高压聚乙烯塑料板并使用沥青砂浆封缝。

4 结论

（1）通过位山灌区渠道改造工程，探讨该灌区干渠的防渗形式和衬砌方法。通过方案比选，确定渠道采用梯形断面，用“M10砂浆砌筑预制混凝土板+土工布”作为渠道防渗衬砌方案，较为符合当地的实际。

（2）使用数值模拟方法研究衬砌结构在冬季的冻胀变形量和冻胀应力，最大冻胀变形量为5.4 mm，最大冻胀应力位于渠坡与渠底接触部位。通过设计收缩缝降低渠道冻胀的影响。