暗涵渠道設(shè)計(jì)管理論文

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摘要：針對(duì)高臺(tái)縣三清干渠CH23+066～26+674渠段穿越小海子水庫庫區(qū)，經(jīng)方案比較，優(yōu)選出適宜強(qiáng)凍脹和軟弱基土地層的正反拱箱形暗涵渠道方案；設(shè)計(jì)的正反拱拱箱形暗涵渠道經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用，設(shè)計(jì)合理，抗凍脹性能強(qiáng)，推廣價(jià)值極為廣泛。

關(guān)鍵詞：箱形暗涵渠道設(shè)計(jì)

1工程概況

高臺(tái)縣友聯(lián)灌區(qū)位于河西走廊中部，屬黑河流域中游沿岸大型灌區(qū)之一，高臺(tái)縣三清干渠是友聯(lián)灌區(qū)主要的引水渠道。干渠從臨澤縣蓼泉鎮(zhèn)塘灣村處的黑河南岸開口引水，西至高臺(tái)縣駱駝城山水河，全長67.75km，設(shè)計(jì)流量3.90m3/s，加大流量4.90m3/s，控制灌溉面積6.74萬畝。同時(shí)承擔(dān)著小海子水庫1048.1萬m3和鮑家湖水庫447萬m3的蓄水任務(wù)。三清干渠始建于1975年，原為土渠運(yùn)行，2001～2004年黑河流域近期治理項(xiàng)目中已完成三清干渠改建襯砌40.48km，干渠CH23+066～26+674渠段3.608km，因受小海子水庫除險(xiǎn)加固工程施工及考慮小海子水庫調(diào)節(jié)灌溉等因素影響，未進(jìn)行建設(shè)。

2.存在問題及工程建設(shè)原由

三清干渠CH23+066～26+674渠段地處小海子水庫北側(cè)，緊靠小海子水庫土壩布置。由于小海子水庫除險(xiǎn)加固工程完成后，擴(kuò)大了小海子水庫庫容，新建小海子水庫壩堤位于該段干渠下游，從而使三清干渠CH23+066～26+674渠段處在水庫中。在小海子水庫除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)中，曾考慮廢除三清干渠CH23+066～26+674渠段，讓三清干渠上游引來的水進(jìn)入小海子水庫，經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后輸出到下游三清干渠，以滿足灌溉需求。但經(jīng)勘測后發(fā)現(xiàn)，三清干渠CH26+674處渠底高程為1365.156m（也即小海子水庫三清干渠放水洞洞底高程），而小海子水庫豐稔干渠放水洞高程為1362.0m（也即水庫庫底高程），相差3.156m。經(jīng)計(jì)算，要滿足三清干渠從水庫引水，水庫水位高程必須達(dá)到1366.5m，此時(shí)水庫最大水深4.5m，相應(yīng)庫容為240萬m3。同時(shí)，由于5～7月份黑河基本斷流，三清干渠通常只能引1～2m3/s黑河潛流，此時(shí)正是灌溉高峰期，灌溉用水量很大，水庫水位很難滿足三清干渠引水要求。若采用廢除三清干渠CH23+066～26+674渠段，經(jīng)小海子水庫調(diào)節(jié)后輸出到下游三清干渠的方案，將造成在小海子水庫低水位時(shí)，三清干渠無法正常引水，而豐稔干渠則可盡情引水的局面。同時(shí)易造成各渠系分水不均矛盾，導(dǎo)致誘發(fā)社會(huì)不穩(wěn)定因素的發(fā)生。若保證小海子水庫水位滿足三清干渠正常引水，水庫庫容需維持在240萬m3左右，該庫容將成為死庫容不能發(fā)揮應(yīng)有的效益，小海子水庫的灌溉效益將銳減。

綜上所述，為了保證三清干渠正常引水，同時(shí)使小海子水庫的灌溉效益得到充分發(fā)揮，修建三清干渠CH23+066～26+674渠段是解決問題的關(guān)鍵。

3.工程設(shè)計(jì)

3.1抗凍脹設(shè)計(jì)

經(jīng)地質(zhì)勘察，三清干渠CH23+066～26+674渠段大部分座落在沙壤土層上，為凍脹性土層。高臺(tái)縣氣象局實(shí)測本區(qū)多年平均凍土深度為106cm，即標(biāo)準(zhǔn)凍深106cm。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)凍深值為陽坡85.3cm，渠底98.5cm，陰坡127.84cm，凍脹量為7.57cm。依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL23-19）規(guī)定，凍脹量遠(yuǎn)大于襯砌渠道的允許位移值，需從適應(yīng)凍脹、回避凍脹、消減或消除凍脹等方面采用抗凍脹結(jié)構(gòu)及工程措施。

根據(jù)工程級(jí)別、日照及遮蔭程度、地下水位埋深、渠道走向等因素，工程措施采用砂礫石置換凍脹基土，置換厚度為陽坡50～70cm，渠底60cm，陰坡60～95cm。抗凍脹結(jié)構(gòu)措施采用設(shè)計(jì)方案比較優(yōu)選。

3.2設(shè)計(jì)方案比選

根據(jù)對(duì)小海子水庫地形地貌和三清干渠渠線的勘查，三清干渠CH23+066～26+674渠段在渠線布置上有三種方案可進(jìn)行比選。

方案一：渠線沿新建小海子水庫土壩外北側(cè)繞壩布置方案。該方案渠線長約4.5km，但因該段地勢低洼，地面高程低于渠頂設(shè)計(jì)高程約3～5m，屬全填方渠道，填方工程量大，且建成后渠基為柔弱地基，渠道沉降隱患大，對(duì)渠道長期運(yùn)行不安全。

方案二：渠線沿小海子水庫外以南布置方案。該方案設(shè)計(jì)渠線自三清干渠CH18+925處沿原小海子水庫回水線以南進(jìn)行布置，渠線長約7km。因該段渠線經(jīng)過之地全部為沙丘，且地勢較高，屬全挖方渠道，挖方工程量大。同時(shí)受地形所限，渠線須兩次穿越312國道，渠線長，施工難度大，工程造價(jià)高。

方案三：沿原渠線布置方案。該方案設(shè)計(jì)渠線沿三清干渠原渠線布置，渠線平行于原小海子水庫土壩，穿越小海子水庫，渠線長3.608km。該方案渠基挖填適中，渠線短，工程量小，施工方便。但因穿越水庫，需充分考慮凍脹、穩(wěn)定等影響因素。

經(jīng)綜合分析比較，方案一安全隱患大，不宜采用；方案二渠線長，施工難度大，工程造價(jià)高，不經(jīng)濟(jì)；方案三渠線短，工程量小，施工方便、經(jīng)濟(jì)合理，較為理想。因此，渠線布置選擇方案三。

根據(jù)選定的渠線，抗凍脹結(jié)構(gòu)措施采用以下三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較優(yōu)選。

方案A：梯形明渠襯砌方案

設(shè)計(jì)采用已建三清干渠梯形斷面結(jié)構(gòu)形式，渠底為C15細(xì)粒砼砌石襯砌，厚度40cm；渠坡為C15砼預(yù)制塊襯砌，厚度8cm；采用砂礫石墊層置換凍土，根據(jù)抗凍脹規(guī)范計(jì)算，置換厚度為：渠底60cm，渠陰坡60～95cm，渠陽坡50～70cm。方案A特性見表1。

表1設(shè)計(jì)方案比選表

方案

方案一

方案二

方案三

結(jié)構(gòu)形式

梯形渠道

玻璃鋼管渠道

正反拱箱形暗涵渠道

襯砌方式

C15砼預(yù)制塊和C15細(xì)粒砼組合襯砌

玻璃鋼管承插連接襯砌

C20鋼筋砼現(xiàn)澆襯砌

優(yōu)點(diǎn)

防滲、抗凍脹、抗沖刷性能好，適宜于一般、中強(qiáng)凍脹區(qū)；施工工序較少，工程造價(jià)低。

耐腐蝕、抗老化，抗凍性能好，自重輕，壽命長，摩擦力小，輸水性能好。

采用弧底結(jié)構(gòu)抗凍性能好，適宜于強(qiáng)、極強(qiáng)凍脹區(qū)和軟土地基層；自重大，穩(wěn)定性好，施工簡便。工程造價(jià)適中。

缺點(diǎn)

水庫高水位時(shí)干渠將被庫水淹沒，渠岸易被庫水淘蝕沖毀；渠道抗凍脹能力差，易于凍脹破壞，使用年限短。

自重輕，在水中易漂浮，施工要求嚴(yán)格，工程造價(jià)高。

施工工序多，工程質(zhì)量不易控制。

使用年限

30

30～50

30～50

每km投資

148萬元

363萬元

272萬元

方案評(píng)價(jià)

差

差

最優(yōu)

方案B：玻璃鋼管襯砌方案

渠床的凍脹性屬于強(qiáng)凍脹的中型渠道，回避凍脹的結(jié)構(gòu)措施應(yīng)采用暗渠或暗管輸水，設(shè)計(jì)采用玻璃鋼管承插連接襯砌，管徑2.2m，管壁厚23mm。玻璃鋼管管身由連續(xù)的玻璃纖維不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂為基料，以石英砂及碳酸鈣為無機(jī)非金屬顆粒為填料壓制而成。方案B特性見表1。

方案C：正反拱箱形暗涵渠道方案

渠床的凍脹性屬于強(qiáng)凍脹的中型渠道，回避凍脹的結(jié)構(gòu)措施應(yīng)采用暗渠或暗管輸水，暗渠的埋置深度應(yīng)等于或大于工程設(shè)計(jì)凍深。設(shè)計(jì)渠底采用反拱弧底、渠頂為正拱蓋板的正反拱箱形暗涵，底部設(shè)置非凍脹性土置換層。設(shè)計(jì)暗涵凈寬3.0m，凈高2.3m，內(nèi)直墻高度1.3m；設(shè)計(jì)全部斷面采用C20鋼筋砼現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，拱頂厚20cm，反拱弧底厚40cm，側(cè)墻厚30cm。采用砂礫石墊層置換凍土，置換厚度為：渠底80cm。方案C特性見表1。

根據(jù)對(duì)擬選的三個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析比較（見表1設(shè)計(jì)方案比選表），結(jié)論為：正反拱箱形暗涵渠道方案較方案一具有抗強(qiáng)凍脹、抗滑坡性能強(qiáng)，適宜軟土地基層和使用年限長等優(yōu)點(diǎn)；較方案二具有自重大，穩(wěn)定性好，施工簡便，工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，三清干渠CH23+066～26+674渠段采用正反拱箱形暗涵渠道方案襯砌最為適宜。

3.3抗凍脹結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)

根據(jù)優(yōu)選的正反拱箱形暗涵渠道，按照上下游渠道設(shè)計(jì)渠深確定的渠深為230cm，經(jīng)計(jì)算，暗涵凈寬300cm。由于拱的矢跨比越大，拱腳水平推力越小，對(duì)于減小拱腳水平位移引起的應(yīng)力越有利；本次設(shè)計(jì)取1/6，即拱矢高度為50cm。

反拱底板內(nèi)彎矩較小，主要承受軸向壓力，因反拱底板跨度較小，反拱底板采用等截面圓弧拱，拱底厚度為40cm，拱頂厚度為20cm。

為保證三清干渠CH23+066～26+674渠段斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)三清干渠正反拱箱形暗涵斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。按照實(shí)際情況，共分為以下四種工況：

a、第一種工況：箱形暗涵有水，庫中有水

b、第二種工況：箱形暗涵有水，庫中無水

c、第三種工況：箱形暗涵無水，庫中有水

d、第四種工況：箱形暗涵無水，庫中無水

在此只計(jì)算最不利的第三種工況：箱形暗涵無水，庫內(nèi)有水。

1）內(nèi)力計(jì)算

由于渠外坡土壓力比庫中水壓力下的多，只計(jì)算庫中水壓力產(chǎn)生的內(nèi)力。

Mw=P水××h=17.689××1.9=11.2KN.m

M=γ0.ψ.Mw=1×1.0×11.2=11.2KN.m

2)配筋計(jì)算

由《鋼筋砼計(jì)算手冊》查附錄表，取砼保護(hù)層C=25mm（二類環(huán)境條件），估計(jì)鋼筋直徑d=10mm，則a=C+d/2=30mm，h0=h-a=300-30=270mm，板計(jì)算寬度b=1000mm。

αs===0.01914

ζ===0.01932＜ζb=0.614（截面尺寸和砼強(qiáng)度滿足要求）

AS=fc.ζ.b.h0/fy=10×0.01932×1000×270/210=242mm2

ρ=AS/b.h0=242/（1000×270）=0.091%＜ρmin=0.15%

根據(jù)以上計(jì)算得，截面尺寸和砼強(qiáng)度滿足要求，只需按要求配構(gòu)造筋，受力縱筋選用φ30@300；箍筋選用φ8@300（@300表示每兩根鋼筋中心的距離為300mm）。三清干渠屬嚴(yán)寒地區(qū)過水渠道，根據(jù)規(guī)定混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C20,抗凍標(biāo)號(hào)為D100，抗?jié)B標(biāo)號(hào)為S4。

3.4抗滑穩(wěn)定性分析

為保證三清干渠的穩(wěn)定性，對(duì)三清干渠CH23+066～26+674渠段斷面進(jìn)行了穩(wěn)定分析計(jì)算。

1）外力計(jì)算

箱形暗涵共受到四項(xiàng)外力，其中箱形暗涵自重和渠外坡土壓力為永久外力，而箱形暗涵中水自重和庫中水壓力為可變外力，下面分別計(jì)算。

①箱形暗涵自重：

標(biāo)準(zhǔn)值：gk渠=γv=24×（3.8×0.4+3.8×0.2+1.8×0.3×2）=80.64KN/m

設(shè)計(jì)值：g渠=γGgk=1.05×80.64=84.67KN/m

②箱形暗涵中水自重：

標(biāo)準(zhǔn)值gk水=γv=9.8×（1.02×2+3×1.3）=50.27KN/m

設(shè)計(jì)值g水=γQgk=1.2×50.27=60.32KN/m

③箱形暗涵外坡主動(dòng)土壓力

標(biāo)準(zhǔn)值Pk土=0.5γKa=0.5×16××=8.7KN/m

設(shè)計(jì)值P土=γGPka土=1.05×8.7=9.14KN/m

④庫中水壓力

標(biāo)準(zhǔn)值Pk水==0.5×9.8×1.9×1.9=17.69KN/m

設(shè)計(jì)值P水=γQPk水=1.2×17.69=21.22KN/m

2)穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)實(shí)際情況，箱形暗涵渠底與砂礫石墊層摩擦系數(shù)f取0.45，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)ks為1.3，共分為以下四種工況：

a、第一種工況：箱形暗涵有水，庫中有水

ks===5.4＞1.3

b、第二種工況：箱形暗涵有水，庫中無水

ks===6.59＞1.3

c、第三種工況：箱形暗涵無水，庫中有水

ks===3.15＞1.3

d、第四種工況：箱形暗涵無水，庫中無水

ks===4.16＞1.3

綜合上述計(jì)算分析，在四種工況下，箱形暗涵都穩(wěn)定。

3.5設(shè)計(jì)成果

三清干渠CH23+066～26+674渠段長3.608km，控制灌溉面積6.74萬畝，設(shè)計(jì)流量為3.90m3/s，設(shè)計(jì)正常水深1.5m，加大流量為4.90m3/s，設(shè)計(jì)縱坡1/3300。設(shè)計(jì)為正反拱箱形暗涵渠道，暗涵凈寬3.0m，凈高2.3m，內(nèi)直墻高度1.3m，設(shè)計(jì)超高取0.8m；設(shè)計(jì)全部斷面采用C20鋼筋砼現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，拱頂厚20cm，反拱弧底厚40cm，側(cè)墻厚30cm。采用砂礫石墊層置換凍土，置換厚度為：渠底80cm。伸縮縫每9米設(shè)置一道，伸縮縫材料采用預(yù)埋環(huán)型橡膠帶止水，以適應(yīng)沉陷變形和防止漏水。

為考慮今后檢修方便，在樁號(hào)26+666、27+266、28+266、28+466頂部設(shè)檢修孔，檢修孔采用鋼筋砼預(yù)制蓋板加橡皮止水，以防水庫水進(jìn)入渠內(nèi)。

三清干渠暗涵左岸可用壤土填至與渠頂齊平，寬度2～3m；右岸岸頂寬度1.5m，用干砌塊石護(hù)岸坡，以防止水庫水淘空渠低。

4結(jié)語

正反拱箱形暗涵渠道具有防滲、抗凍脹、抗沖刷性能較好，整體性穩(wěn)定性較強(qiáng)，適宜于強(qiáng)、極強(qiáng)凍脹區(qū)和軟土地基層；具有施工工序少，工程造價(jià)適中等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐應(yīng)用表明，正反拱箱形暗涵對(duì)解決軟土地基不均勻沉陷、強(qiáng)凍脹基土對(duì)渠道凍脹破壞等具有十分顯著的效果，推廣價(jià)值極為廣泛。