某大型输水明渠工程优化设计分析

葛文慧

(黑龙江省宝泉岭垦区水利勘测设计有限责任公司，黑龙江宝泉岭154211)

1 工程概况

某输水明渠全长275 km，渠段沿线多属倾斜平原和丘陵地貌，覆盖层由山麓坡积物和冲击物构成，表层土壤以壤土、沙壤土、砂土以及碎石为主。山丘土层瘠薄，多有岩石裸露，散落分布有叶林、灌木丛及草本植物，植被较差;冲积扇及河道两岸滩地赋存深厚的砂砾石层;平原地区肥厚，种植业发达。沿线属温带半湿润地带，东亚季风气候区，四季分明。冬季受西伯利亚大陆气候气团控制，寒冷多雪，属寒冷气候区。

2 工程地质

土岩体结构类型依据地表至渠道底板以下5 m的土岩体的岩性组合特征等因素，划分为土体、岩体、土岩体和填土4大结构类型，共计64个工程地质段，见表1。

3.1 水面线设计

根据总干渠控制点水位及水头分配成果，其种渠道分配水头8.343 m，建筑物7.746 m，从上游向下游分段扣除渠道沿程损失，逐一扣除每座建筑物所分配水头，计算出总干渠各段设计水面线。

水面线设计时考虑了以下各类损失:①各类需分配水头的河渠交叉建筑物;②为穿越山体而设置的隧洞;③铁路、公路交叉建筑物中的渠道倒虹吸、暗渠;④单独设置的节制闸;⑤明渠的沿程损失，渠道纵坡在1/25 00～1/20 00。

3.2 横断面型式

在明渠的各种断面形状中，半圆形断面是水力最佳的，但半圆形断面不易施工，工程中采用最多的是梯形断面。梯形水力最佳断面通常都是窄深式的断面，这种断面虽然工程量很小，但不便于施工及维护，常因土方单价偏高而影响经济性。经过比较，对于大流量输配水的某干渠选用梯形实用经济断面，并为增强渠道抗冻稳定性，过水断面采用弧型坡脚。在不同的地形条件下，分别采用全挖、全填、半挖半填3种不同的构筑方式和断面结构，其中全挖方渠段长85 km，全塌方渠段长15 km，半挖半填渠段长102 km。全挖方渠道为地面高程高于渠道一级马道高程的渠段，视开挖深度采用单一边坡梯形断面或带马道的梯形断面。全填方渠道为地面高程低于渠底的渠段，横断面型式与全挖方渠道第一级马道以下部分相同。半挖半填渠道为地面高程介于渠底高程和堤顶高程之间的渠段，其内坡断面型式为单一边坡的梯形断面，填方外坡布置型式同全填方断面。

表1 渠道工程地质分段表

3 施工工艺

3.1 水面线设计

根据总干渠控制点水位及水头分配成果，其种渠道分配水头8.343 m，建筑物7.746 m，从上游向下游分段扣除渠道沿程损失，逐一扣除每座建筑物所分配水头，计算出总干渠各段设计水面线。

水面线设计时考虑了以下各类损失:①各类需分配水头的河渠交叉建筑物;②为穿越山体而设置的隧洞;③铁路、公路交叉建筑物中的渠道倒虹吸、暗渠;④单独设置的节制闸;⑤明渠的沿程损失，渠道纵坡在1/25 000～1/20 000。

3.2 横断面型式

在明渠的各种断面形状中，半圆形断面是水力最佳的，但半圆形断面不易施工，工程中采用最多的是梯形断面。梯形水力最佳断面通常都是窄深式的断面，这种断面虽然工程量很小，但不便于施工及维护，常因土方单价偏高而影响经济性。经过比较，对于大流量输配水的某干渠选用梯形实用经济断面，并为增强渠道抗冻稳定性，过水断面采用弧型坡脚。在不同的地形条件下，分别采用全挖、全填、半挖半填3种不同的构筑方式和断面结构，其中全挖方渠段长85 km，全塌方渠段长15 km，半挖半填渠段长102 km。全挖方渠道为地面高程高于渠道一级马道高程的渠段，视开挖深度采用单一边坡梯形断面或带马道的梯形断面。全填方渠道为地面高程低于渠底的渠段，横断面型式与全挖方渠道第一级马道以下部分相同。半挖半填渠道为地面高程介于渠底高程和堤顶高程之间的渠段，其内坡断面型式为单一边坡的梯形断面，填方外坡布置型式同全填方断面。

3.3 边坡稳定分析及边坡系数

边坡稳定计算以地表至渠底下5 m范围内的土岩体地质参数为主要依据，同时考虑地下水位及渠道挖填情况，各断面挖方部位c，φ，γ根据地质勘察成果取值。地下水位以下部位取饱和固结快剪指标，对于地下水位以上部位采用自然快剪指标。

运行期，地下水位在设计水位以下，采用有顶托渗流情况下河流补给地下水时的公式计算:

地下水位上升系数S由下式计算:

地下水向渠内渗透浸润线，按下式计算:

地下水渗透量:

渠道正常运用期，由于全断面衬砌并铺设土工膜，按透水地基上有铺盖斜墙土坝渗流计算公式计算浸润线:

在地震基本烈度VII度区，考虑地震力作用对边坡稳定的影响，进行抗震计算。一级马道或堤顶公路荷载按汽—10级荷载考虑，将汽车荷载按土的容重简化为均布荷载作用在路面上。

经计算分析，渠道土质边坡系数为2.0－3.0，其中大部分渠段为2.5或2.0;岩心段边坡，根据其风化程度，结构面产状等因素分析确定，边坡系数一般为0.7～1.0。

3.4 水力设计及断面要素

土渠段过水断面全部以混凝土衬砌，现场拉模浇注，真空吸水处理，表面压实抹光，石渠段采用喷射混凝土补砌和砂浆抹面，表面光滑程度能够保证渠道综合糙率0.015。为满足渠道安全输水要求，渠道超高按下式计算:

堤方和半挖半填渠道堤顶高程或挖方渠道一级马道高程，按下式计算:

3.5 渠道渗漏计算与防渗设计

渠道渗漏损失主要与渠床的土壤性质、水文地质条件、渠道湿周及输水时间等因素有关，渠道渗漏损失量随渗漏过程而变，分为自由渗漏和顶托渗漏。根据渠道沿线各段的土质、渗透系数、地下水位及渠道挖填情况，各渠段防渗前的自由渗漏按下式计算:

渠道顶托渗漏计算公式为:S顶=rs;渠道防渗后渗漏量按下式计算:S防=as。

总干渠沿线黄土类覆盖长度占渠长的60%以上，土质渠基多为轻壤及砂质壤土，在无防渗措施情况下渠道渗漏量很大，因此应采取防渗措施，并根据各渠段土质、挖填情况，选取不同防渗方案，经过投资、防渗效果比较，选定最佳方案。

渠道衬砌分为现浇混凝土和喷射混凝土两种形式:土质渠段采用现浇混凝上衬砌，弱风化或较新鲜岩石段，先喷混凝土找平，然后用水泥砂浆抹面。为降低造价和衬砌施工方便，各段渠道均采用等厚矩形泥凝土板衬砌。

现浇混凝土板最小厚度，在温和地区为8 cm，寒冷地区为10 cm，考虑总干渠常年输水，渠底不会出现负温，确定渠道现浇温凝土边坡厚10 cm，渠底厚8 cm。

现浇混凝土纵缝、横缝间距均为5 m。对于压煤渠段等特殊段加设沉降缝，纵横沉降缝间距均为1.0 m。渠道衬砌分缝采用结构简单，施工方便的矩形缝，缝宽一般采用3 cm。本段渠道伸缩缝为通缝(贯通初砌板厚)，缝宽3.0 cm。初砌分缝填料选用性能良好的聚氯乙烯胶泥，对于特殊段渠道及变形较大部位选用聚氯乙烯胶泥，对于特殊段渠道及变形较大部位选用聚硫密封胶。

3.6 渠道防冻胀设计

总干渠地处浅层季节冻十区，冬季基土冻胀对渠道混凝土衬砌有很大的破坏作用。对于标准冻深＞10 cm的渠段，需进行渠道的设计冻深和冻胀量计算，当渠道的设计冻胀量＞1 cm时，采取抗冻胀措施。

防冻胀设计既要保证工程安全，又要尽量降低工程造价，达到技术可行、经济合理、安全可靠。为此对防冻胀设计按3种情况考虑:①渠坡水位变幅区防冻，其他部位不防冰;②渠坡全防冻，渠底不防冻;③全断面防冻。

3.7 渠道衬砌结构设计

3.7.1 抗浮稳定

渠道衬砌板受到地下水杨压力顶托时，渠道内、外水压力相等工况下，稳定满足要求。经计算，当渠道水位骤降时，渠内外水位差不允许＞0.06～0.11 m;在渠内无水时，渠外地下水位受渠底板抗浮稳定要求控制，即地下水位应不高于渠底0.11 m。

3.7.2 抗滑稳定

抗滑稳定根据下式计算:K=摩擦力/下滑力(K=1.2－1.3)。渠道衬砌危险滑动面出现在复合土工膜与保温板之间，为了保证保温板与复合土工膜之间不产生相对滑动，采用防渗保温一体化材料。

3.7.3 渠道衬砌排水设计

在地下水位高于渠道设计渠底的渠段，地下水会对渠道衬砌板产生扬压力，一般平原地区渠道沿线地下水位采用水均衡法进行预测，预测渠道建成后的地下水位，采用连续3个丰水年补给的标推。地下水位高出渠道设计渠底的渠段长31.9 km，占渠线总长的14%，其中地下水位高出渠道设计水位的渠段长6.8 km，除建筑物外需做排水的渠段长28.281 km。地下排水有两种方式:外排，总干渠附近存在天然沟空等有自流外排条件的渠段或地下水水质不符合要求而必须外排的渠段12是内排，村地下水水质良好，且不具备自流外排条件的渠段，特地下水内排入总下渠。在总干渠渠坡脚两侧衬砌混凝土板下埋设透水暗管集水，每隔一定间距设一逆止式集水箱，集水箱出水管的出口下缘距渠底5 cm。当地下水水位高于渠内水位时，地下水通过集水暗管汇入集水箱，逆止式阀门自动开启，由出水管排入渠内.使地下水位降低;当地下水水位低于渠内水位时，逆止式阀门自动关闭，防止渠水外渗。

3.8 渠坡防护设计

为了汇集和排除渠道坡面雨水，防止渠坡冲蚀和雨水渗入危及渠道安全，需对渠道坡面进行防护。渠坡防护措施是在渠道衬砌板顶至一级马道坡面采用现浇混凝土板防护;一级马道以上渠坡及填方渠段背水被面设置排水沟。

3.9 渠外截排水沟、防护堤及防护林带布置

为排除总干渠外地面的坡水，疏通串流区和总干渠截断的原有排水通道，需要渠外设置截洪排水沟(简称截流沟)。截流沟一般位于左岸防护林带的左侧，采用土渠。当渠道穿过山堑、山坡地段，地形较陡，为保护渠道安全，截流沟采用浆砌石护砌。

［1］ 毛耀，邵东国，沈佩君.南水北调中线工程水量优化调度模型研究［J］.武汉水利电力大学学报，1998，31(01):6－10.

［2］ 王银堂，胡四一，周全林，文丹，王方清，吴泽宇.南水北调中线工程水量优化调度研究［J］.水科学进展，2001，112(11):72－80.

［3］ 王长德，阮新建.南水北调中线总干渠控制运行设计［J］.人民长江，30(01):19－21.