梯形断面渠道工程设计及复式衬砌结构分析研究

寇思飞,宫 烁,王 媛,顾嵋杰,王军忠

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065;2.陕西省宝鸡峡引渭灌溉中心,陕西 西安 712000;3.陕西省渭河生态区保护中心,陕西 西安 710004)

1 工程概况

某水库工程位于新疆阿克苏地区台兰河,通过在河道修建拦河闸,引水注入河道左岸台地的水库库盆,对汛期洪水进行调蓄,形成以灌溉、工业供水、地下水库补水的综合利用水利工程。工程规模为中型,主要由引水闸、引水渠道、水库库盆和供水渠道四部分组成,其中引水渠道长3.98 km,设计流量40 m3/s,为3级建筑物。由于水库在汛期引水,洪水泥沙含量较大、推移质较多,在引水渠道进口之前设置特殊沉沙池漏斗,以保证引水水质良好。针对地形特点以及引水渠道比降要求,将渠道高程落差适当集中,设置跌水建筑物连接上下游引水渠道。

2 引水渠道平面布置

引水渠道沿线地形平坦开阔,地势西北高东南低,轴线的布置分别从地质条件、工程总体布置、工程量、禁建区界线和工程投资等方面进行综合分析比选,结合了沉沙池漏斗排沙通畅的布置,且避开了冲洪沟等不良地质区域。沉沙池末端接引水渠渠首节制闸,渠道沿节制闸中心轴线向下游延伸,在桩号(K1+906.47)处向西南方向偏转圆弧连接下游,圆弧半径200.0 m,轴线顺时针转角27°,之后到达水库进水口,引水渠线总长度3.98 km。

3 渠道纵断面设计

本工程引水渠道起点为排沙漏斗末端处的节制闸后,起点高程为1 579.00 m;终点位于水库进水口渐变段前,终点高程为1 518.60 m;起讫点高差60.4 m,总长度为3.98 km,原地面平均比降1.55%。渠道纵坡的拟定主要依据渠线所经过的地形、地貌条件和输水流量,保证设计输水能力、边坡稳定、水流安全通畅,使渠道不产生冲刷和淤积;还要考虑工程占地相对较少,工程量相对较小,施工、运行和管理方便。经过土石方挖填平衡、运行管理等方面充分论证之后,选定1/200的纵坡降,沿线布置14座跌水建筑物以降低落差。

4 渠道横断面设计

引水渠道横断面的设计内容包括:断面形式、渠道边坡、渠道底宽、衬砌结构分析、渠道岸顶超高等渠道设计参数。

4.1 引水渠道断面形式

引水渠道布置在中低山丘陵地貌区以北台兰河左岸宽缓台地,自下而上为砂卵砾石层和冰碛块碎石层,渠基土均为非冻胀性土;渠道沿线地下水埋深较深,不考虑地下水影响。根据水文、地质、施工等条件,确定引水渠道断面形式采用梯形断面。

4.2 引水渠道边坡

表1 渠道边坡稳定计算成果表

4.3 引水渠道底宽的确定

按下述公式进行水力最佳断面水力要素的计算:

(1)

(2)

(3)

(4)

R0=A0/x0

(5)

V0=Q/A0

(6)

式中:Q、m、i、n分别为渠道设计流量、内边坡系数、渠底比降、渠床糙率;h0、b0、A0、χ0、R0、V0分别为水力最佳断面水深、底宽、过水断面面积、湿周、水力半径、流速。

经计算:h0=2.228 m,b0=1.183 m,A0=11.319 m2,χ0=10.164 m,R0=1.114 m,V0=3.534 m/s。由标准中查出与α=1.00、1.01、1.02、1.03、1.04相应的h/ho值,以及与α、m相应的β值,再分别按下述公式计算相应的h、b及V、A、R值。

(7)

(8)

(9)

式中:α为水力最佳断面流速与实用经济断面流速的比值;β为实用经济断面底宽与水深的比值;h、V、A、χ、R、b、β分别为实用经济断面水深、流速、过水断面面积、湿周、水力半径、底宽;

经计算,实用经济断面成果表详见表2。

表2 实用经济断面计算成果表

本工程渠道沿线地质条件较好、不受地下水干扰;仅洪水季节引水,最大引水流量为40 m3/s,考虑小流量渠道运行的流速、水深条件,结合工程的施工条件,确定引水渠采用宽浅式梯形断面,考虑减少渠道渗漏与蒸发的损失,渠底宽拟定为4.0 m,对应的40 m3/s引水流量时水力要素见表3。

表3 引水渠道水力要素表

4.4 渠道水流流态判别

渠道临界水深以hk表示,根据《水力学》临界水深应满足的条件为:

(10)

(11)

对于梯形断面面积Ak=(b+mhk)hk和水面宽度Bk= b+2mhk代入临界流方程可得:

(12)

将上式整理成迭代公式为:

(13)

以hk=0代入上述等式右端可得迭代初值公式为:

(14)

由上述公式计算出迭代初值为2.169,迭代计算过程及结果列于表4中:

表4 迭代计算结果

经过迭代计算,得出临界水深hk=1.688 m,对应的临界流速vk=3.41 m/s,本次设计正常水深h=1.75 m,对应流速v=3.26 m/s,因此判断引水渠道中水流为缓流,重力作用大于水流惯性力作用,流态较稳定,可为渠道设置多跌水创造有利条件。

4.5 衬砌结构分析

根据项目所在地工程地质、水文地质、当地材料条件,结合工程使用耐久性、施工便利性、工程投资、管理运行等方面的因素,对当地常见的三种渠道衬砌结构形式进行比较选择,综合确定衬砌方案,见表5。

(1)方案一:渠道底采用厚30 cm厚C25细粒砼砌卵石,渠底以上边坡0.5 m高度采用厚30 cm的细粒砼砌卵石,其余边坡采用15 cm厚的C25现浇砼板衬砌。

(2)方案二:渠道底部及边坡采用30 cm厚C25细粒砼砌卵石。

(3)方案三:渠道全断面衬砌C25现浇砼板,渠道底部砼板厚30 cm,边坡砼板厚15 cm。

通过上述方案比选,方案一单位长度投资较适中,采用复式衬砌结构断面,利用了各类衬砌材料的优势,施工技术成熟,引水安全,耐久性好;方案二单位长度投资较少,施工难度大,且大面积砌石施工进度慢,施工质量难以保证;方案三单位长度投资较高,虽然该方案施工工艺简单、维修方便,但砼板抗磨损能力差。

因此,结合台兰河多泥沙的实际情况,渠道横断面防渗方案采用方案一,即在同一断面不同位置采用不同衬砌结构,渠道底板及下边坡衬砌细粒砼卵砌石,上部边坡衬砌砼板。根据当地渠道运行经验,结合运行常水位,渠底至边坡50 cm以下部分采用细粒砼卵砌石,衬砌厚度相应加厚可有效抗冻胀和防冲刷破坏,且形成的戗台可为边坡衬砌砼板提供良好的基础条件。由于引水渠道渠基主要为冰碛块碎石层和砂卵砾石层,透水性强,在衬砌材料底部自下而上铺设5 cm厚M10砂浆垫层、两布一膜(150 g/m2+0.3 mm+150 g/m2)作为渠道防渗。综上形成的复式衬砌结构既利用了渠底卵石材料抗冲耐磨的优势,也发挥了现浇砼板工期较短的优势,同时铺设土工膜,增强了垂直防渗的性能,减少输水渗漏损失,对于多泥沙河流引水,能有效改善工程使用年限,具有施工便捷、造价经济、耐久性好、输水效率高等特点。复式衬砌结构断面如图1所示。

表5 渠道复式衬砌结构分析

图1 渠道衬砌结构图

由于引水渠道沿线较长,跨越的沟道较多,引水渠道可能易受暴雨冲刷,或者由于施工原因将不可避免地出现防渗膜破坏,造成膜下渗水、积水,导致砼板顶托破坏情况的发生,如果设置了横隔梁可以把衬砌板破坏限制在一定范围内,遏制发生连续破坏。因此,引水渠道沿线每隔50 m设置一道宽0.3 m、深0.5 m的现浇砼横隔墙。

4.6 综合糙率的确定

本次设计的引水渠道防渗方式采用复式衬砌结构,渠道底板及下边坡采用细粒砼砌卵石,渠道上边坡采用现浇砼板,根据《灌区建筑物的水力计算与结构计算》一书中有关推荐,按照下列公式计算综合糙率。

(15)

(16)

(17)

式中:n综为综合糙率;n1为深槽部分的糙率,本次设计细粒砼砌卵石糙率取0.028;n2为滩槽部分的糙率,本次设计混凝土糙率取0.017;x1为深槽部分的湿周;x2为滩槽部分的湿周;其余符号意义同前。

经计算,本次设计的引水渠道复式衬砌结构断面的综合糙率为0.023 3,由于经过多次试算调整,因此与确定实用经济断面进行计算时的综合糙率一致。

4.7 渠道岸顶超高

引水渠道为3级建筑物,根据《灌溉与排水工程设计标准》的规定,渠道岸顶超高按土石坝设计要求论证确定。根据《碾压式土石坝设计规范》规定,渠顶在设计水位以上的超高按下式计算。

Y=R+e+A

(18)

式中:Y为渠顶超高(m);R为最大波浪在迎水坡上的爬高(m);e为最大风壅水面高度(m);A为安全加高(m);渠道的级别为3级,A 设计=0.7 m;

通过确定设计风速、风区长度、波浪的平均波高、波浪的平均波长等参数计算平均波浪爬高和风壅水面高度,得出渠顶安全超高计算结果见表6。

表6 引水渠道岸顶超高计算结果 m

根据表6计算结果,引水渠道岸顶超高为1.10 m,渠顶高度取2.90 m。根据灌溉排水规范,渠道衬砌超高值在设计水位以上可采用0.3～0.8 m,为了渠道施工方便以及渠道的稳定运行,保证边坡与压顶的结合连续,衬砌超高与岸顶超高同取1.10 m,即渠道全断面衬砌。

4.8 渠堤宽度

根据灌溉排水规范,堤顶宽度应根据边坡稳定分析、渠堤管理及交通要求确定,中型及以上灌区干、支渠顶宽度不应小于2.0 m,引水渠道为3级渠道,考虑工程建成后在左侧渠堤设巡渠道路,确定引水渠左侧渠堤宽度为5.0 m,右侧渠堤宽度为2.0 m。

5 结语

本文以某平原水库引水渠道为例,分析研究了梯形断面渠道设计过程,由于断面的复式衬砌结构,确定底宽试算的同时,综合糙率发生相应的变化,导致确定渠道实用经济断面尺寸具有一定的联动性,需要反复试算并验证确定。引水渠道工程断面通过比选分析研究采用复式衬砌结构,针对透水性强地区、多泥沙河流引输水工程,具有引输水利用率高、造价经济、施工便利、耐久性好的优势,极大地改善了工程使用年限。