灌排混合型渠道护坡衬砌方案比选设计研究

赵 亮 肖晨光

一、引言

灌排混合型渠道指兼顾灌溉和排水功能的一体化渠道，可以在干旱缺水时发挥灌溉输水功能，防洪排涝时发挥排洪功能，一渠两用可以节约土地空间增加灌排水效率。然而相较于普通灌溉渠道，灌排混合型渠道对护坡的形式和设计有着更高的要求。

护坡是渠道堤防的重要组成部分，对防止渠道的侵蚀、淤积和塌陷、控制周边地下水位起到了重要作用，也直接影响堤防边坡的稳定性。对于灌排两用型的渠道，由于渠道排洪时流速较快，对堤脚的冲刷更加严重，若不进行合理的防护，将存在渠堤损毁的可能，由于相对高程高，对周边群众生命财产安全的威胁较河道更大。本文以灌排混合型渠道淠东干渠寿县段为例，考虑渠道治理工程中衬砌结构、坡面防冲、防渗、护脚性能、耐久性、衬砌厚度、镇脚深度等指标，对研究渠道护坡衬砌方案进行设计比选分析，注重考虑渠道防冲性能，为今后灌排两用渠道工程设计提供参考依据。

二、研究渠道基本概况

淠东干渠寿县段（K43+000～K69+908）被列入安徽省淠史杭灌区续建配套与现代化改造项目一期的10 个子项工程之一，对保障粮食安全、保障灌区生活、生产和生态用水，支撑乡村振兴战略实施，实现富民增效方面起到关键的基础支撑作用。

淠东干渠渠道上影响渠道输水安全及当地群众生命财产安全的险工段需要进行除险加固，具体包括对村庄段、迎流顶冲段、堤基分布浅层粉细砂段3 个渠段进行坡面衬砌处理。渠道治理段除需发挥枯水期蓄水、灌溉期高水位灌溉功能外，汛期还需承担上游自然河道陡涧河排洪和淠河总干渠超高水位时开闸分洪任务，渠道现状存在弯曲度小、水流速度快、下段闸门限制过流断面等特点，为避免凹岸迎流顶冲段受水流迎面淘刷、堤基浅层粉细砂出露段坡面坍塌，渠道设计对迎流顶冲段、堤基分布浅层粉细砂段进行坡面衬砌处理。为保证沿岸村庄段的渠道岸坡结构安全，工程需对沿岸村庄段渠道岸坡进行补充衬砌设计。

三、衬砌结构方案比选

根据渠道坡面防冲、防渗及护脚性能要求，衬砌材料初选埋铺式膜料、预制混凝土块与混凝土，组合出三种方案进行比选，具体为：方案1—膜料+预制混凝土空心砖（护面），方案2—现浇混凝土护面，方案3—预制块护砌。对3 种衬砌方案进行比选，详见表1。

表1 不同衬砌方案优缺点对比表

通过比较可以看出，方案1 优点为生态性好，维修养护相对简单，但其防渗、水力条件和耐久性一般，工程造价最高；方案2 防渗性能最优、水力条件为最佳，且具有工程寿命长、造价便宜等优点，缺点为生态性差、施工及维修养护相对复杂；方案3 水利条件好，适应基础变形能力强，工程寿命长，施工及维修养护容易。

本工程拟建灌排混合型渠道，需考虑到汛期及灌溉期大流量放水时渠道内岸坡的结构安全及耐久性要求，要求衬砌材料具备较好的抗冲能力及耐久性能；为确保灌区能有较大的自流灌溉面积，渠道设计中需严格控制水头损失；还要尽可能减少工程对生态的不利影响。

综上分析，本工程渠道坡面衬砌设计采用预制块护砌方案。

四、衬砌厚度确定

预制块护砌方案中的衬砌厚度大小是决定衬砌质量和经济性的关键因素，根据《堤防设计规范》（GB50286-2013）规定，采用人工块体作为土堤护面时，块石的质量Q 及护面层厚度可按下式计算：

式中：

Q—主要护面层的护面块体、块石个体质量（t），当护面由两层块石组成，则块石质量可在0.75～1.25Q范围内，但应有50%以上的块石质量大于Q；

γb—人工块体或块石的容重（kN/m3）；

H—计算波高，当平均波高与水深的比值H/d＜0.3 时，宜采用H5%；当H/d ≥0.3 时，宜采用H13%；

KD—稳定系数;

m 为水流流向与岸坡交角α 的余切值；

t—块体或块石护面层厚度（m）；

n—护面块体或块石的层数；

c—系数。

经计算，预制块混凝土厚t=0.096m，结合已建工程实践，同时考虑施工水平，取预制块厚度为0.1m、0.12m。

具体衬砌结构如下：

（1）淠东干渠常遇水位以下采用0.12m 厚C20预制连锁砌块护坡。

（2）淠东干渠常遇水位至设计灌溉水位与设计洪水位的较大值加超高0.5m 之间衬砌采用0.1m 厚工字型连锁砌块生态护坡，这是考虑到目前施工单位工人素质普遍不高，负重能力不足，符合规范要求安全条件下尽量降低安装难度。

（3）为有效防止渠道水土流失，在渠道生态护坡以上采用草皮护坡。

五、衬砌段护坡镇脚深度确定

为确保河岸稳定，使水流不淘空坡脚，需计算设计洪水位下不同部位冲刷深度，从而确定整治部分护坡镇脚埋置深度。

本次淠东干渠冲刷深度采用《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中D.2 护岸工程冲刷深度计算，顺坝及平顺护岸冲刷深度可按以下公式进行计算。

式中：

hs—局部冲刷深度（m）；

H0—冲刷处水深（m），以近似设计水位最大深度代替；

U—行进流速（m/s）；

Ucp—近岸垂线平均流速（m/s）；

n—与防护岸坡在平面上的形装有关，取n=1/4～1/6；

η—水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α 查表得出。

淠东干渠渠道由迎流顶冲段和平直段组成。除少部分为迎流顶冲段外，其余皆为平直段。根据地勘报告，本次淠东干渠整治段渠底大部分均为粉质粘土或粘土。

计算断面行进流速及计算水深均以20年一遇设计洪水下计算，其中平顺岸坡段（α=0°）选择两个典型断面，迎流顶冲部位选择三个典型断面（α=30°、40°、50°），各选取断面计算参数如表2 所示。

表2 抗冲刷典型断面参数表

计算渠道冲刷深度hs，结果见表3。

表3 冲刷深度成果表

综上所述，本次工程淠东干渠迎流顶冲段坡脚冲刷深度为0.35～0.383m；冲刷较为明显，需设置镇脚以防止冲刷，镇脚埋置深度0.5m，满足设计要求。

六、结论

（1）本文以灌排混合型渠道淠东干渠寿县段为例，考虑灌渠道治理工程的防冲性能、防渗性能、水力条件、生态要求、维修养护、施工工序、耐久性、工程寿命、一次性投资等因素，对膜料+预制混凝土空心砖、现浇混凝土护面、预制块护砌3 个渠道护坡衬砌方案进行了设计比选分析，最终采用预制块护砌方案，此方案防冲性能优、水力条件佳、维修养护方便、耐久性好，且能兼顾渠道生态要求，适合于排灌混合型渠道的护坡衬砌。

（2）本文进而对预制块护砌方案的衬砌厚度进行了计算，兼顾降低施工难度，取预制块厚度为0.1m、0.12m 以满足结构要求。选取了3 个典型断面计算了衬砌段护坡镇脚深度，最终确定镇脚埋置深度应为0.5m 以满足设计要求。

（3）护坡对堤防抗冲刷的保护作用是长久的，在改善河道生态环境以及堤防稳定运行的过程中发挥的作用是无法替代的。考虑到不同护坡型式的组合比选、生态效果的体现、工程造价的控制及施工工期的控制，需要设计者从不同角度综合考虑，同时结合现场实际，因地制宜选择护坡型式，才能最大化地发挥其防冲及生态景观的效益■