矩形渠防渗方案在鸭河口灌区现代化改造中的应用

吕小光，雷雨，李丽锋

（河南灵捷水利勘测设计研究有限公司，河南 南阳 473000）

1 工程现状

1.1 基本情况

鸭东干渠桩号1+820～4+348 长2 528 m，沿线两岸有鸭河口村、毛沟村、毛家坡村、沙沟寨村，设计流量25 m3/s，现状渠道为梯形断面，底宽10 m，边坡比1∶2，迎水面为10 cm 厚现浇混凝土衬砌结构，设计水深2.35 m，衬砌高度3 m。左、右两岸岸顶分布有不连续的道路，宽约3 m，外坡坡比不规则。桩号2+320～2+787右岸外坡坡脚为贴坡排水体。

1.2 存在的问题

鸭东干渠桩号1+820～4+348 渠段，右岸多为砂质壤土，渗透系数大。渠道放水右岸外坡多处土体潮湿渗水，呈管涌状，局部为浸染状，有多股清水明流，呈片状不连续分布，且渗水量及渗水部位受渠内水位影响较大。加之，渠道右堤为检查道，路面总宽约3 m，来往车辆通行困难。

桩号2+285～2+310、4+227～4+327段右岸渠堤背水侧存在严重管涌、塌坡问题。2019年，鸭灌局工作人员在日常巡查中发现，鸭东干渠桩号2+285～2+310 段右岸，渠内高水位运行时，渠岸外坡多处土体潮湿渗水，多处呈管涌状，局部为浸染状。该段渠道2+296 处右岸，岸坡外出现1 处塌坑，经现场测量，塌坑宽约1.50 m，长约2.80 m，深1.10～1.80 m。

1.3 现状稳定分析

1.3.1 渗流稳定分析

采用Autobank渗流计算程序，用分段法计算。经计算，渠道正常水位下，桩号3+200 单宽渗流量q=6.26×10-6（m3/s·m），出逸点坡降为0.567，大于渠堤逸出最大允许坡降0.453。现状渠身背水侧无排水体，逸出坡降大于允许坡降，渠身土有发生流土的安全隐患。计算结果与渠道运行过程中背水坡出现潮湿渗水现象吻合。

1.3.2 边坡稳定分析

渠身岸坡抗滑稳定计算采用瑞典圆弧条分法。参照《碾压式土石坝设计规范》，5 级建筑物岸坡瑞典圆弧法抗滑稳定安全系数：正常情况不小于1.15，非常情况不小于1.05。

由表1 可知，渠道正常水位时，渠身边坡抗滑背水侧边坡抗滑稳定安全系数能够满足规范要求。

表1 边坡稳定计算成果表

2 方案比选

工程选用三种方案进行比选，方案如下：

方案一：矩形渠道，渠身采用C25 钢筋混凝土，设计底宽12 m，渠深3 m，每隔8 m设缝甲一道，衬砌以上设草皮护坡，渠顶最小宽度5.70 m，右侧设C25混凝土路面4.50 m，内外侧设波形护栏，外侧种植灌木及绿篱，背坡新增防护林。

方案二：矩形渠道，采用C20 混凝土挡墙+底板护砌，设计底宽12 m，渠深3 m，每隔8 m 设缝甲一道，衬砌以上设草皮护坡，渠顶道路及背坡防护林同方案一。

方案三：梯形渠道，采用C20 混凝土护坡，设计底宽10 m，渠深3m，边坡1∶2，每隔8 m 设缝甲一道，衬砌以上设草皮护坡，渠顶道路按现状，防护林同方案一。

上述三种方案均符合灌区现代化建设的理念。从工程安全角度考虑，方案一采用钢筋混凝土矩形渠型式，结构整体完整性明显优于方案二、三，同时也可避免渠堤出现管涌等较大事故时，水流冲击附近居民房；防渗方面考虑，方案二及方案三除考虑横向止水缝外，还需在纵向增设止水缝，由于止水老化等不确定因素增大了漏水的风险；工程占地方面，方案一及方案二用矩形断面，无需新增工程占地，方案三若考虑渠顶道路加宽，需培厚背水坡，新增工程占地，协调任务较多；投资方面，方案一略高于方案二，方案三土建投资最低，但考虑征地后，综合投资较高。因此，结合上述方案比选，为切实解决鸭东干渠存在的问题，节省工程投资，本次鸭东干渠桩号1+820～4+348段采用方案一，不仅能解决渠道渗漏问题，提高渠道安全性能，也可加宽右岸渠顶道路，为汛期抢修及周边群众出行带来极大的便利。

3 工程设计

3.1 渠道水面线计算

3.1.1 渠道流量确定

鸭东干渠设计流量采用河南省南阳市水利建筑勘测设计院1999年12月编制的《河南省南阳市鸭河口灌区续建配套与节水改造规划报告》中的流量，结合渠道实测桩号，各段流量见表2。

表2 项目区引水流量计算表

3.1.2 水面线计算原理

考虑鸭东干渠现状渠道宽度和渠道比降不一，本次鸭东干渠渠道水位计算依据2实测的鸭东干渠渠道平面图、纵横断面图，根据渠道各段的比降、流量、建筑物情况，采用恒定非均匀渐变流能量方程，自下而上逐段推算不同流量时各断面水位。

3.1.3 渠道岸顶超高计算

根据《灌溉与排水工程设计标准》，鸭东干渠本次治理段设计流量22～25 m3/s，均为3 级渠道，故岸顶超高应按土石坝设计要求论证确定。根据规范要求，经计算，安全加高0.70 m，波浪爬高为0.20 m，超高为0.90 m。

3.1.4 设计水位计算成果

根据此次治理段设计渠道断面对水面线计算，起始水位选择治理段下游渠道现状水位，渠道糙率取0.015，设计水面线计算成果限于篇幅此略。

3.2 渠道结构设计

3.2.1 渠道衬砌型式

此次工程鸭东干渠治理段均为高填方渠道，渠道衬砌防护的主要目的是为防渗，减少渠道渗漏损失，降低对周边居民区威胁，提高输水配水能力，增加渠坡的稳定性，同时提高渠道安全系数，故对渠道采用C25钢筋混凝土矩形渠的衬砌型式。

3.2.2 渠道纵横段设计

渠道设计比降1：5 700。重建为C25 钢筋混凝土矩形槽，底宽12 m，深3 m；矩形渠顶部设置1 m 及0.50 m 平台，以上按坡比1∶2整治至设计路面。左岸渠顶宽度维持现状，岸顶设置围网及生态防护带，右岸渠顶宽度向渠内加宽至不小于5.70 m，渠道内侧设置围网及波形护栏，外侧设波形护栏及生态防护带，渠顶路面宽4.50 m，C25混凝土路面，下设砂砾石垫层。

3.2.3 衬砌及分缝设计

鸭东干渠衬砌段采用C25钢筋混凝土矩形渠，下部设C15混凝土垫层，厚度10 cm。矩形渠底宽12 m，深3 m，侧墙顶部宽度0.30 m，底部宽度0.40 m，底板厚度0.40 m，沿渠道底部侧墙及底板交接处设25 cm×25 cm加腋角。

矩形渠抗渗标号为W6，防冻标号为F150。矩形渠每隔8m设缝甲一道，缝宽2 cm，缝内填充聚乙烯闭孔泡沫板及“651型”橡胶止水带。底板分缝与边坡分缝错缝布置。

3.2.4 渠道稳定计算

3.2.4.1 地基承载力验算

矩形渠最不利工况应为槽内满槽水位运行，地下无水，根据勘探资料［б］=100 kPa。建基面地基应力根据力学的基本原理计算，取1 m长矩形渠进行计算，钢筋混凝土容重25 kN/m3，水容重10 kN/m3，经计算，最大基底应力为46.59 kPa，小于持力层的承载力标准值fk=100 kPa，满足地基承载力要求。

3.2.4.2 结构计算

①计算条件。矩形渠结构计算主要包括侧墙计算、底板计算。计算工况：完建期：渠道内无水，渠道外侧挡土。运行期：渠道内设计水位，渠道外侧挡土。非常情况：渠道内满槽水，渠道外侧滑坡不挡土。荷载包括土压力、水压力、水重、自重等。②内力及配筋计算。矩形渠底板应力分析按照弹性地基梁法计算，边墙作为固结于底板上的悬臂梁考虑。根据材料力学及简明建筑结构设计手册计算各工况下内力，根据《水工混凝土结构设计规范》计算各构件配筋及裂缝宽度。

矩形渠采用C25混凝土，HRB400钢筋，最大裂缝宽度限值0.30 mm。按照《水工混凝土结构设计规范》进行计算，满足最小配筋率要求，裂缝开展宽度满足规范要求。

4 结语

鸭东干渠矩形渠防渗改造有效解决渗漏的同时拓宽了右岸干渠检查道路，解决了渠道穿越村庄巡渠不便及居民出行安全等问题。为灌区渠道防渗改造打开了新思路，对灌区现代化改造具有重要意义。