引黄灌区渠道护坡改造方案分析

王先昌，韩继荣，王 瑞

（滨州市引黄灌溉服务中心，山东 滨州 256600）

在引黄灌区渠道衬砌护坡改造中，联锁式护坡水工砖、浆砌石、现浇混凝土是3 种常用护坡方案，采用哪种方案，应当因地制宜、综合分析，选择最适合的施工方案。本文通过对小开河引黄灌区渠道护坡损毁原因分析，得出联锁式护坡水工砖改造方案的适用场景，为今后类似水利工程建设提供参考。

1 工程概况

小开河引黄灌区位于山东省北部、黄河下游左岸，地处黄河三角洲腹地，纵贯山东省滨州市中部，设计灌溉面积7.33×104hm2，规划灌溉面积4.4×104hm2，设计引水流量60 m3/s，加大引水流量85 m3/s，是山东省大型引黄灌区之一。灌区自1993 年动工建设，1998 年输水干渠和主要建筑物建成并通水，已建成引黄闸1 座、输沙渠51.26 km、沉沙池4.16 km、输水渠38.03 km，渠道全部衬砌护坡。经过20 多年运行，目前部分渠道衬砌护坡破损严重，存在安全隐患，严重影响渠道正常运行，需要及时维护改造。

小开河引黄灌区渠道衬砌护坡损坏的原因主要有2 个方面：①由于灌区始建时，受地方财力限制，投资少，设计标准低，原渠道护坡设计衬砌板尺寸为长580 mm×宽380 mm×高60 mm，混凝土强度C25，抗冻等级F100，抗渗等级W6；②地下水影响，这是最主要原因。经过调查，地下水位以下渠道衬砌板损毁严重，分析原因主要是渠道外地下水位高，持续对渠道坡面形成侧向水压，同时衬砌板混凝土勾缝不密实、强度差，衬砌板勾缝损坏后起不到整体连接作用，在地下水的长期浸泡和渗流作用下，渠体为粉质壤土、粉质砂壤土等土质差的部位，水土从板缝处流失，衬砌板位移变形，进而出现隆起、沉陷现象[1]。针对渠道护坡出现的问题，需要在原衬砌混凝土板基础上对齿墙以上6 层预制混凝土板（高1.235 m）进行改造[2]。

2 材料介绍

2.1 联锁式护坡水工砖

联锁式护坡水工砖是一种可人工安装，适于中小水流情况下土壤侵蚀控制的联锁型预制混凝土块铺面系统。采用独特联锁设计的联锁式护坡水工砖，每块与周围6 块产生超强联锁、连环相扣，铺面在水流作用下具有良好的整体稳定性；高开孔率渗水型柔性结构铺面能够降低流速，减小流体压力和提高排水能力。联锁式护坡水工砖铺设在铺有滤水土工布的基面上，随着植被在砖孔和砖缝中生长，铺面的耐久性和稳定性将进一步提高，开孔部分一方面起到渗水、排水的作用，另一方面起到增加植被、美化环境、保护生态的作用[3]。

联锁式护坡水工砖采用德国先进的全自动制砖机生产，从上料拌和、液压震动至成品养护全过程智能控制，由于原材料质量保障、混凝土配合比准确、拌制时间稳定、液压震动力度一致、蒸养时间充足，生产过程无需人力参与其中，因此联锁式护坡水工砖成品规格一致、质量稳定、标准化程度高。

2.2 浆砌石

砌石材质坚实新鲜，无风化剥落层或裂纹，表面无污垢、水锈等杂质，用于表面的石材应色泽均匀。石料密度应大于25 kN/m3，抗压强度应大于60 MPa。石料外形规格上，毛石应成块状，最小重量不应小于25 kg。砌筑砂浆应满足施工图纸规定的强度和施工和易性要求，配合比必须通过试验确定。

砌筑前应将石料上的污垢冲洗干净，砌筑时保持砌石表面湿润；采用坐浆法分层砌筑，铺浆厚度宜3～5 cm，随铺浆随砌石，砌缝需用砂浆填充饱满，不得无浆直按贴靠，砌缝内砂浆应采用扁铁插捣密实，严禁先堆砌石块再用砂浆灌缝；上下层砌石应错缝砌筑，砌石外露面应平整美观，外露面上的砌缝应预留约4 cm 深的空隙，以备勾缝处理；勾缝前必须清缝，用水冲净并保持封槽内湿润，砂浆应分次向缝内填塞密实，勾缝砂浆标号应高于砌体砂浆，按实有砌缝勾平缝，严禁勾假缝、凸缝；砌筑完毕后应保持砌体表面湿润，做好养护[4]。

2.3 现浇混凝土

现浇混凝土采用现场搅拌或采购商品混凝土方式，强度应符合设计要求。在人工修坡达到规定要求后进行模板制作安装，模板的设计、制作和安装应保证模板结构有足够的强度和刚度，能承受混凝土浇筑和振捣的侧向压力和振动力，防止产生位移，确保混凝土结构外形尺寸准确。

混凝土人工入仓面后，人工进行仓面内摊铺作业，摊平后用平板振动器自坡脚向坡顶方向进行振捣，对于模板两侧平板振动器不易振密实的部位采用插入式振动器重新振捣，混凝土振捣密实后用滚筒碾压提浆，并用真空吸水器吸水，使混凝土内部密实，仓面用滚筒碾压整平后，在混凝土终凝前进行压光、成型，保证混凝土表面平整度达到设计要求。混凝土成型后12～24 h覆盖好草袋，洒水养护，养护不得少于14 d[5]。

3 参数设计

3.1 预制或现浇混凝土护坡厚度确定

混凝土板作为渠道护坡时，满足混凝土板整体稳定所需护坡板厚度可按下式确定[6]：

式中：t为混凝土护面板厚度（m）；η为系数，对开缝板可取0.075，上部为开缝板、下部为闭缝板可取0.1，此处取0.1；H为计算波高（m），取H1%；γb为混凝土板的容重（kN/m3），取24 kN/m3；γ为水的容重（kN/m3），取9.8 kN/m3；L为波长（m），取7 m；B为沿斜坡方向（垂直于水边线）的护面板长度（m），取0.907 m；m为斜坡坡率，取1.75。

经计算，t=0.075 m，混凝土护坡厚度设计值为100 mm。

3.2 砌石护坡厚度确定

参照干砌块石作为渠道护坡时，满足砌石整体稳定所需护坡板厚度可按下式确定：

式中：t为斜坡干砌块石护坡板厚度（m）；K1为系数，一般干砌石可取0.266；H为计算波高（m），d/L≥0.125，取H4%，d为堤前或岸坡前水深（m），取2.2 m；γb为块石的容重（kN/m3），取22 kN/m3；γ为水的容重（kN/m3），取9.8 kN/m3；L为波长（m），取7 m；m为斜坡坡率，取1.75。

经计算，t=0.156 m，干砌块石护坡厚度设计值为250 mm。

4 方案比选

4.1 方案1∶100 mmC30联锁式护坡水工砖衬砌，铺设土工布（8 kN/m）

该方案造价115 元/m2，优点是：联锁式护坡水工砖工厂化生产，规格尺寸标准统一，强度达标，质量稳定，可实现检测达标验收合格后进场的控制；铺设时由于砖与砖之间环环相扣，对基层坡面平整度要求很高，需要人工修坡，坡面平整度达标才能安装，提前控制了修坡质量；组装后形成整体结构，适应变形能力强，由于渠体外高位地下水可通过板缝空隙和开孔排出，释放了水压，稳定性极好；可提前预制，能节约工期，对灌区运行影响最小。缺点是：相比现浇混凝土护坡渠道糙率稍大，防渗效果稍差。联锁式护坡水工砖衬砌示意，如图1所示。

图1 联锁式护坡水工砖衬砌示意

4.2 方案2：250 mm 浆砌石衬砌，铺设土工布（8 kN/m）

该方案造价140元/m2，优点是：护坡重量大，稳定性好，抗冻效果好，使用年限长。缺点是：随着社会发展进步，砌石工属于重体力劳动，有砌石技术的劳动者越来越少，砌筑质量受人为因素影响较大，施工中石材厚度和砌筑砂浆质量容易出现偷工减料现象，施工质量难以保证；受国家环境保护和限制资源过度开采的影响，石材资源缺乏，价格较高；渠道糙率相对较大，影响输水速率；工程施工进度和质量易受恶劣天气影响。浆砌石衬砌示意，如图2所示。

图2 浆砌石衬砌示意

4.3 方案3：100 mmC30现浇混凝土衬砌，铺设土工布（8 kN/m）

该方案造价120 元/m2，优点是：防渗效果好，整体性好，渠道糙率最小，适合地上渠渠道护砌。缺点是：由于坡面土基层是人工修坡，平整度、密实度难以控制，容易出现混凝土浇筑偷工减料、厚度不达标现象，基层不密实易造成坡面沉降变形开裂，同时坡面施工对混凝土的塌落度和振捣密实度要求较高，施工管理难度大；工程施工进度和质量易受恶劣天气影响。现浇混凝土衬砌示意，如图3所示。

图3 现浇混凝土衬砌示意

3种方案技术经济比选，详见表1。

表1 技术经济比选

5 结论

经过分析，以上3 个方案各有优缺点，因此对于衬砌护坡改造方案的选择，应当从渠道类型、土质、地下水、工期、造价、施工控制等因素综合考虑，因地制宜选择最合适的方案。

浆砌石衬砌方案适用于工程当地石材丰富、价格较低、砌石工人技术熟练的情况，由于国家限制石料开采和砌石技术工人逐步减少，长远看此方案会被逐步淘汰；现浇混凝土衬砌方案适用于地上渠，也就是渠外地下水位低于渠底，地下水不会对渠坡形成水压，渠道护坡的主要目的是防止渗漏和引水畅通，这种情况下优选此方案；联锁式护坡水工砖衬砌方案适用于地下水位高的半地下渠或地下渠，不仅相互连接整体性好，还可利用板间缝隙和开孔排出地下水，释放对衬砌坡面的水压，同时施工工期最短，对渠道运行影响最小。

综上，在小开河引黄灌区渠道护坡改造中优选联锁式护坡水工砖衬砌方案，该方案最大限度减少人工成本，减少人为因素对工程质量的干扰，整个施工过程机械化程度最高，符合工程建设装配式发展的方向；同时，植被在板孔和板缝中生长，起到美化绿化作用，符合小开河引黄灌区生态绿色发展理念。