灌区工程渠道设计经验总结与探讨

2023-01-12雷明慧袁素勤赵倩辉

水利科学与寒区工程 2022年5期

雷明慧，袁素勤，赵倩辉

(1.四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.四川水利职业技术学院，四川成都 611231)

1 工程概况

武都引水工程在四川省江油市武都镇以北约3 km 的涪江左岸灯笼桥取水，是以农业灌溉为主，兼顾发电、防洪、通航、工业和城乡供水的大型水利工程，武都引水灌区的范围为北起龙门山和剑门山，南至射洪县，西以涪江为界，东临西河及升钟灌区。武都引水工程的建设分两期实施。武都引水一期工程于1988年动工兴建，2000年底建成，包括武引取水枢纽、总干渠、涪梓干渠及相应的配套工程、沉抗囤蓄水库，实现灌溉面积8.47万hm2。武都引水二期工程分为武都水库和武都引水工程二期灌区，目前武都水库已经建设完成。武都引水工程二期灌区包括西梓灌区和武都水库直灌区。涉及梓潼、盐亭、射洪、剑阁、南部和江油6县(市)，二期灌区灌溉面积为7.02万hm2。目前武引二期灌区工程已进入扫尾阶段，一些经验和教训值得我们深入学习和探讨。

2 灌区设计

2.1 渠道线路的选择

渠道线路的选择应当根据总体规划要求，选择顺直、地质条件良好的渠段，根据允许的总水头损失值与造价合理选择建筑物的结构型式。渠线选择应尽量避开房屋以减少移民搬迁，在临近高压线、重要管线或者有毒有害等位置时应当避开或者预留足够的安全距离。渠线的选择应进行多方案比选确定。武引二期灌区工程渠线所走线路为丘林地形，为了适应地形的变化，渠线选择多数较为顺直。需要注意的是在选线过程中应当注重实地调查，一些地埋式燃气或者输水管道等建筑物应当进行详细调查，否则在后期实施过程中不可避免会产生一些调线工作或增加移民搬迁费用。

2.2 渠道水力学计算

渠道水力学计算是一个比较重要的内容。建筑物断面的选定一般是按照均匀流进行水力学计算[1]。根据渠道水面平顺衔接是水面线计算一种比较常用的计算方法，由于不同建筑物水深不一致，因此通过调整建筑物底坡高度来使水面线平顺衔接。此种方法首先应根据渠道设计流量对应的水深来确定建筑物底高程，然后利用加大流量来复核计算渠道的超高，此种设计思路比较常规，能够充分利用水头，缺点是在计算和施工过程中相对烦琐，拟定的建筑物坡降与实际水平推求坡降不一致。而一些灌区工程在水力学计算中则采用底坡平顺衔接的方式，即在建筑物发生变化的地方建筑物底板高度保持一致，仅在平面上做衔接渐变，此种计算方法由于不同建筑物水深的差别从而产生跌水或壅水现象，在计算和施工中都较方便，缺点是在允许水头损失比较紧张的情况下不能充分的利用跌水水头，且衔接段水流流态较差。武引二期灌区工程采用水面衔接的方式进行水面线计算，水流较为平顺，不可避免会存在一些反坡，渠道通水结束后会有积水，不利于检修维护。本文建议在规划及可研阶段的灌区设计采用底坡衔接的方式进行设计，在初设及施工图阶段采用水面平顺衔接的方式进行设计相对合理。

2.3 渠系建筑物设计

2.3.1 明渠

灌区渠系建筑物中，明渠是最普遍、最适用的结构型式，由于它具有施工方便、投资较低的优势，因此在灌区渠系建筑物设计中，有条件的地方尽可能采用明渠设计。在明渠设计中可分为矩形明渠、梯形明渠、“U”型明渠等。矩形明渠大多数采用钢筋混凝土结构，此类型渠道适应地形、地质变化较好，局部地形或地质不满足设计要求的地方均可采用基础处理的方式进行解决。需要注意的是，当存在地下水且地下水位较高时，应当计算复核浮力对渠道结构稳定的影响，大多数矩形渠采用薄壁结构，因此抗浮一般情况下很难满足设计要求。此时我们可以采取的工程措施有在底板设置抗浮锚杆、顶部增加盖板回填土增加压重、采取措施降低地下水位等。梯形明渠和“U”型明渠均可分为全挖、半挖、全填等结构形式，梯形明渠一般为素混凝土结构，在工程投资比较中具有较大的优势，但是由于渠道衬砌厚度不大，加之机械开挖和地质情况等原因，在施工过程中经常产生超挖超填的情况，引起工程量的增加从而产生合同纠纷。梯形明渠同样要重点关注地下水位的情况，若地下水位较高可能会对面板产生拉裂破坏，因此在南水北调工程中渠身设置了逆止阀[2]。但是根据工程运行经验，逆止阀在含沙量大的渠段经常出现堵塞和内水外渗的现象，需要及时进行更换，给后期的运行和维护带来麻烦。一些半挖或全填渠道，在渠道底部设置排水盲沟是比较常用的一种方式。武引二期灌区工程所处工程地质条件总体为红层地区，以砂、泥岩为主，由于泥岩遇水容易风化崩解，边坡容易失稳，原设计梯形明渠渠身坡比采用1∶0.75，根据现场实施情况建议将梯形明渠坡比适当调缓。

2.3.2 隧洞

根据灌溉任务要求，在线路选择上当明渠长度超过隧洞长度的3倍时，一般选用穿隧洞线路较节约投资。隧洞的设计在满足水头的情况下，坡比一般陡于明渠坡比，以减少隧洞的断面尺寸，同时应满足最小施工断面要求。需要注意的是在隧洞的设计中，为了避免已开挖成型的底板由于运输机械的来回碾压产生破坏，建议在隧洞结构混凝土底部设置10～20 cm混凝土垫层，用来保护隧洞底板基础。即或者采取预留足够的保护层厚度，但是会根据施工经验或者开挖方式的不同产生一定程度的超挖或欠挖，给后续施工带来麻烦。对于长度较长的隧洞，根据施工组织计划确定是否采用施工支洞从而增加施工作业面。部分较长的隧洞设置了施工期的临时错车道，结合施工以及后期运行管理经验，在长隧洞中可以保留一些错车道，以减少由于超挖引起的回填混凝土量并兼做后期检修和维护的错车道。隧洞的进出口设计应遵循“早进洞，晚出洞”的原则，减少开挖从而减少征地和对生态环境的破坏[3]。针对水工无压隧洞，环向结构缝一般设置了橡胶止水带，原则上止水带主要用于防止内水外渗，因此止水带仅做到渠道加大流量以上即可，但是在隧洞顶部根据规范要求需进行帷幕灌浆，在帷幕灌浆中若止水带环向不封闭，浆液将从止水带缺口处冒浆，因此建议后期在隧洞结构缝止水带的设计中将止水带做成闭合环状结构，以避免灌浆的时候冒浆。施工期隧洞开挖过程中如遇洞内含水量大，应设置施工期临时排水孔。

2.3.3 渡槽

当灌区线路穿越沟谷地段时，一般采用渡槽或者倒虹管的形式穿越，在水头有富裕的情况下一般采用倒虹管，在水头比较紧张的情况下一般采用渡槽结构。渡槽基础形式一般可分为板式基础、桩基础、拱式基础等。需要注意的是根据规范要求简支梁式渡槽一般7～10跨需设置一个加强墩，加强墩可以采用重力墩或者双排架的形式。渡槽止水一直是一个比较受关注的问题，止水效果的好坏直接影响渠道的输水功能，在常规的设计中止水形式有搭接与嵌缝对接型止水，目前常用的是压板新型止水即“U型GB复合橡胶止水带”[4]，止水带与底部混凝土之间采用GB胶板粘接，此种形式的止水带止水效果较好且易于拆除和更换，需要注意的是在与混凝土粘接时应保证结合面干净、平整，注意施工的过程控制，才能达到较好的止水效果。

2.3.4 倒虹管

倒虹管的设计主要是水头损失的计算和管材的选择，应结合技术和经济对倒虹管管材进行比选，比较常用的倒虹管管材包括：PCCP管、钢管、球墨铸铁管、玻璃钢夹砂管、现浇钢筋混凝土管等[5]。PCCP管是目前比较常用的管材，它具有对基础要求较低，强度、刚度、抗冲击、耐磨等力学性能较优的特点，可以承受较大内压，但抗腐蚀性差需做阴极保护，由于其容重较大，在施工过程中施工难度较大。相比而言玻璃钢夹砂管具有容重较轻、施工方便的特点，在一些工程中备受青睐，但是根据工程实施情况，特别是对于一些明管段存在老化严重的情况，且易受外界人为干扰破坏。对于小流量、低水头的倒虹管推荐采用现浇混凝土管，施工方便、投资也更节约。倒虹管的设计中为了减少管道的老化以及人为破坏、尽可能对原土地恢复利用，在可能的情况下建议尽量采用埋管形式。为了使倒虹管在冲水过程中及时排空管道内部空气以及放空过程中避免管道内形成负压，需要在管线布置局部凸起的地方设置自动进排气阀。为了放空以及冲砂需要在管道最低的地方设置排水阀用于放空和排沙。管道较长且管径较大的管道应设置检修进人孔，以便进入管道进行检修和维护。

2.3.5 边坡支护

大部分的渠道岩石边坡常采用喷锚挂网支护，土质边坡采用框格梁进行支护，为了减少水土流失，保持生态美观，可以在渠道边坡设置一些生态植被或播撒草籽，对渠道永久边坡起保护和美化生态的双重作用。