傍山渠道结构型式选择

曾祥磊，黄 晶，郭 斌，李 密

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002）

1 工程概况

贵州省夹岩水利枢纽及黔西供水工程（以下简称夹岩水利工程）位于贵州省毕节市及遵义市境内，是一座以供水和灌溉为主兼顾发电的大（1）型水利枢纽工程。工程总体布局以新建夹岩水库为集中供水水源，以已建附廓水库为反调节水库，并利用灌区现有小型水库屯蓄。工程由水源工程、毕大供水工程和灌区骨干输水工程三部分组成，总投资186.49亿元，水库库容13.23 亿m³，多年平均供水量6.88 亿m3，总供水人口267 万人，电站总装机容量90 MW。灌区骨干输水工程设计线路总长648.0 km，明渠设计长度96.1 km，以渠身断面呈下窄上宽的倒梯形结构型式为主。金沙分干渠为夹岩水利工程灌区骨干输水工程中较为重要的标段之一，主要向贵州省金沙县城禹龙片区（部分）、安岚源片区及化沙官片区供水，年输水量5062 万m3，总长34.586 km，其中渠道长14.986 km；渠道渠身完全置于基岩内的渠段为窄深式，断面为梯形，渠高2.30～2.90 m，渠底宽1.6～2.0 m，渠顶开口宽2.98～3.74 m；渠堤采用M7.5 浆砌石砌筑，迎水面边坡1∶0.3，采用C15混凝土防渗。

随着社会经济发展对水安全的要求不断提高，合理选择渠道结构型式对于确保后期渠道水质安全、运行管理方便和控制运行管理成本等尤为重要。金沙分干渠渠道处于半山腰，植被茂盛，上部岩体风化脱落及周边枯枝落叶可能会造成敞口渠道在运行过程淤积，受洪水等自然灾害影响渠道常因边坡垮塌等因素造成破坏，如图1—2 所示；渠道沿线产业园、居民房屋和公路较多，渠线穿过乡村果园、人畜活动密集区，造成管理不便和后期运行成本增加；部分渠道边坡较高且覆盖层较厚，部分渠道轴线与岩层走向成交角较小（即顺层坡），且靠山侧边坡倾角较大，开挖切脚后极易导致边坡失稳滑塌，基础及边坡处理工作量大。结合以上情况分析，认为进一步研究渠道结构型式是有必要的。

图1 已建渠道受损情况

图2 已建渠道受枯枝烂叶影响现场

2 工程地质条件

金沙分干渠所在工程区地形地貌主要为溶蚀-侵蚀地貌浅切中山地形，海拔1050～1200 m，依次穿过T1m-∈1q 地层，工程区地震动加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，地震基本烈度为Ⅵ度，无活动性断裂带通过，区域地质构造稳定较好；渠道多采用傍山布置，沿线地形坡度一般为30～40°，其走向与岩层走向小角度相交，部分边坡为顺向坡，覆盖层0～5 m 不等，局部段覆盖层埋深较大，下伏地层岩性有中厚层灰岩、薄层泥质白云岩、薄层泥质粉砂岩等，地下水埋深较大；部分渠道边坡为顺向坡，受层面、节理切割影响，开挖后易失稳滑塌破坏，需作加强支护处理；部分渠道边坡为土质边坡，自然边坡稳定，开挖后雨季易失稳滑动，需作加强处理。

3 方案比选

3.1 方案拟定

根据实际情况，拟定4个方案进行比选。

3.1.1 方案1：浆砌石明渠方案

浆砌石明渠方案及原设计方案渠身断面呈下窄上宽的倒梯形。渠道渠身完全置于基岩内的渠段为窄深式，断面为梯形，渠高2.30～2.90 m，渠底宽1.6～2.0 m，渠顶开口宽2.98～3.74 m；渠堤采用M7.5 浆砌石砌筑，迎水面边坡1∶0.3，采用C15 混凝土防渗。渠身处于强风化岩层时，渠道直接开挖石槽成形，采用C15混凝土防渗；渠身处于岩层较为破碎地段，可根据实际情况采用M7.5 浆砌石衬砌，采用C15 混凝土防渗。渠道基础不满足设计要求时，同样采用M7.5 浆砌石进行换填处理。渠道边坡采用喷C20素混凝土进行支护，局部高边坡段增加钢筋网片及C25 锚杆支护，锚杆长3.0 m。浆砌石明渠方案标准断面，如图3所示。

图3 浆砌石明渠方案标准断面

3.1.2 方案2：浆砌石明渠加盖板方案

鉴于金沙分干渠承担有集镇及农村人口供水任务，在方案1基础上增设钢筋混凝土盖板，其标准断面如图4所示。

浆砌石明渠加盖板方案渠道横断面结构尺寸和原设计方案相同，结构尺寸详见表1（受力筋选配C16@200，分布筋选配C10@200）。

表1 浆砌石明渠加盖板方案渠道结构尺寸拟定成果m

3.1.3 方案3：钢筋混凝土箱涵方案

为更好保证渠道安全稳定以及运行过程中水质问题，将渠道结构型式调整为钢筋混凝土箱涵，箱涵边墙及底板厚度拟采用与已变更部位相同厚度25 cm，顶板取15 cm，箱涵底部设置6 cm 厚素C25 混凝土垫层；箱涵断面底宽为2.0～2.5 m，高为2.15～2.6 m，如图5所示。

图5 钢筋混凝土箱涵方案标准断面

通过对比浆砌石明渠和钢筋混凝土箱涵方案发现，渠道结构调整后水深变化不大，可通过进出口部位进行微调，保证水面线顺接，不影响上下游建筑物衔接，计算成果详见表2。

表2 渠道各断面水力计算成果

3.1.4 方案4：钢管方案

为更好保证渠道安全稳定以及运行过程中水质问题，渠道大流量部位（设计流量大于3.2 m³/s）改为钢筋混凝土箱涵，小流量部分（设计流量小于3.2 m³/s）改为螺旋钢管，因各渠道前后建筑物已施工，经水力计算复核后无法采用有压管进行布置，故采用无压流管道布置。螺旋钢管（初拟管壁厚10 mm）方案管道底部采用C15 混凝土垫层，管槽采用土石回填，并在转弯处采用布置镇墩或者包管处理；部分陡峭段及管道高于原地面线的部分采用支墩进行支撑。螺旋钢管标准断面，如图6所示。

图6 螺旋钢管方案标准断面

考虑到同等条件下方案4 螺旋钢管造价较高且施工难度较大，不利于现场施工，而且其投资远大于其余方案，故在后续的方案比选中仅对方案1、方案2、方案3进行比较研究。

3.2 技术经济比较

根据拟定比较的3 种方案，按照相同原则计算出各方案工程量，结果详见表3。

表3 3种方案工程量对比

根据以上情况，对3 种方案优缺点进行对比分析，结果详见表4。

表4 3种方案优缺点对比分析

鉴于金沙分干渠承担有集镇及农村人口供水任务且社会经济发展对水安全的要求不断提高，并从后期渠道水质安全、运行管理方便和控制运行管理成本等角度出发，推荐采用方案3 即钢筋混凝土箱涵结构型式。

3.3 结构计算

结合对比情况，现对推荐采用方案（钢筋混凝土箱涵）进行结构稳定复核；此处选取结构尺寸较大断面进行计算复核，即对断面尺寸为2.5 m×2.6 m 渠道断面进行计算分析。

3.3.1 承载能力计算

根据《水工挡土墙设计规范》，渠道基底面应力可按下式计算：

式中：ΣG为作用在暗渠上全部垂直于水平面的荷载（kN）；ΣM为各力对暗渠中心力矩之和（kN·m）；A为暗渠基底面的面积（m2）；W为对挡土墙纵向形心轴的截面矩（m³）。

根据《水工建筑物荷载设计规范》，作用在单位长度箱涵侧面土石回填后最大主动土压力标准值计算公式为：

式中：Fak为主动土压力标准值（kN/m），作用于距箱涵底部的h/3 的侧墙处；γ土为箱涵侧面填土容重（kN/m3）；H为箱涵高度（m）；Ka为主动土压力系数，计算公式为Ka=tan2（45°-φ/2），其中φ为填土内摩擦角取20°。

根据式（1）、（2）对各段箱涵地基承载力进行复核后，σmax=81.867 kPa，σmin=5.544 kPa。

3.3.2 抗滑稳定计算

基底与岩基接触面的抗剪断摩擦系数f=0.35，抗剪断黏聚力c=100 kPa，抗滑稳定安全系数KC=3.0。其计算公式为：

式中：KC为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；G为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载（kN）；A为箱涵地面面积（m2）；f为基底与岩基接触面的抗剪断摩擦系数，取0.35；c为基底与岩基接触面的抗剪断黏聚力（kPa）。

当渠道无水为最不利情况，根据式（3）对无水情况下各渠段抗滑稳定安全系数进行复核，经复核抗滑稳定安全系数最小值为6.529，大于规范允许值3.0。

3.3.3 抗倾覆稳定计算

箱涵抗倾覆稳定安全系数根据下式进行计算：

式中：K0为箱涵抗倾覆稳定安全系数；∑MV为对箱涵基底前趾的抗倾覆力矩（kN·m）；∑MH为对箱涵基底前趾的倾覆力矩（kN·m）。

当渠道无水为最不利情况，根据式（4）对无水情况下各渠段抗倾覆稳定安全系数进行复核，经复核抗倾覆安全系数最小值为1.996，大于规范允许值1.3。

综上，该方案结构稳定满足相关规范要求。

4 结语

根据当前的经济水平，原设计明渠方案在技术上是可行的。随着经济社会发展对供水安全的要求越来越高，对渠道输水方式的研究是有必要的。鉴于目前傍山明渠大多承担有集镇及农村人口供水任务，从后期渠道水质安全、运行管理方便和控制运行管理成本等角度出发，为更好适应当前社会经济发展对水安全的要求，减小渠道沿线产业园、居民房屋、公路、乡村果园和人畜活动密集区的影响，降低后期渠道运行成本，本文结合前期研究成果对夹岩水利工程金沙分干渠标段渠道结构型式经过综合对比后，推荐傍山明渠宜采用钢筋混凝土箱涵结构。