水利工程渠道覆盖断面结构设计优化.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 21 日 作者简介：刘加铨（1996）,男，汉族，广西钦州人，本科，钦州市水利电力勘测设计院，即将评中级职称，研究方向为水工设计。-190-水利工程渠道覆盖断面结构设计优化 刘加铨 钦州市水利电力勘测设计院，广西 钦州 535000 摘要：摘要：为提高水利工程渠道抗渗性能，降低渠道渗流量，本文以钦州市某水利工程为例，针对其渠道防渗漏结构进行设计优化研究。通过分析水利工程渠道防渗设计原则，选择防渗能力最强的矩形断面，采用分段试验法计算防渗高度，对渠道覆盖断面结构进行优化。研究表明，优化设计方案应用后可有效降低渠道渗流量，提高抗渗性能，具有良好的工程应用价值。关键词：关键词：水利工程；水利工程渠道；覆盖断面结构；设计优化 中图分类号：中图分类号：TV223.4+3 水利工程渠道的防渗设计与覆盖结构设计直接影响渠道的抗渗性能和安全运行。选择合理的渠道覆盖断面结构形式，优化防渗结构设计，是提高水利工程渠道抗渗性能，降低渗漏量的关键。本文以钦州市某水利工程项目为例，从渠道防渗设计原则与关键技术要点入手，对渠道覆盖断面结构形式选择、防渗高度计算以及覆盖层结构优化进行研究，目的是提出渠道覆盖断面结构设计优化方案，以有效改善渠道的抗渗能力，确保水利工程安全运行。1 工程概况 钦州市某地区城乡同源同网饮水安全供水工程项目建设始于 2011 年，至 2013 年完工，项目总投资约9868 万元，供水能力达每日 4 万立方米，供水保障率高达 99%。该水利工程由输水系统和配水系统组成，水库总干渠全长约 28 公里，包括供水渠道、涵洞和管线等。主干渠修建于 20 世纪 80 年代，原有渠道和渡槽为开放式。为保证供水质量，需对渠道进行改造和防渗处理。当前，渠道出现大量裂缝和下沉，混凝土模板裂缝超过 100 条，均不同程度渗漏。为解决渠道渗漏问题，需对其防渗漏结构进行优化设计研究，以提高渠道抗渗性能，确保工程安全运行。2 水利工程渠道设计原则 渠道设计应考虑工程防渗要求，选择抗渗性能良好的断面形式，采用抗渗材料，并对基底及连接部位进行防渗处理，最大限度提高渠道整体的抗渗性能。对于不同的地质水文条件，需要采用适应当地情况的设计方案。渠道设计也应充分考虑经济合理性，选择符合工程要求、造价较低的设计方案1。此外，渠道设计还需要考虑未来的可维护性，便于操作人员进行维护与管理。渠道结构应方便检修与疏通，有利于长期安全运行。综合来看，渠道设计应兼顾防渗、经济性与可维护性，综合考虑各项因素，采用适应当地实际、经济合理、易于维护的设计方案，以满足水利工程的需求。在设计优化过程中，应坚持这些基本原则，以实现渠道设计的优化目标。3 水利工程渠道结构设计要点 3.1 渠道防渗要点 在水利工程渠道的防渗设计中，应对渠底和两侧边坡的防渗进行统一考虑和处理。渠底防渗可考虑采用混凝土、水泥砂浆等抗渗材料进行全面衬砌，厚度一般控制在 2030 厘米。对于渠的基础处理，当底土含水量大、孔隙度较高时，可在渠底预先铺设 510厘米的黏土层，或在底部施工防渗墙，阻断底部渗流。渠壁防渗除采用抗渗混凝土外，还可考虑喷射混凝土进行渠壁衬砌，厚度为 1015 厘米，可显著提高渠壁的防渗性能2。对于渠壁基础土，当含水量过大时，也需要设置防渗墙进行处理。在渠道转折处的断面、渠底与渠壁的连接处以及预埋件位置，更应重点加强防渗质量控制，采取加厚衬砌、双层防渗等处理措施。3.2 渠道抗滑抗倾覆稳定设计要点 在水利工程渠道的结构设计中，应重点考虑渠体结构的抗滑稳定和抗倾覆。渠底平整、粗糙，增加底中国科技期刊数据库 工业 A-191-面摩擦力，提高抗滑稳定性。渠体应合理配载，控制质心位置，增大抗倾力矩。同时，配合挡土墙等辅助结构，提高整体抗滑抗倾能力，确保渠体稳定。3.3 渠道承受土压水压设计要点 渠道设计时，应充分考虑土压力和水压力的共同作用。采用充分预压、合理埋深，减小土压作用。加固渠壁，提高抗压强度，避免破坏。同时，配合渗流截排系统，降低水压力，防止水压破坏。汛期前应对病险渠段进行加固，确保安全。变形节处应采用灵活连接，适应土压水压变化。4 水利工程渠道覆盖断面结构形态 水利工程渠道的覆盖断面结构形式直接影响渠道的抗渗性能和施工难易程度。常见的明渠覆盖断面结构形式有矩形断面（a）、梯形断面（b）、复合型断面（c）、U 形断面（d），如图 1 所示。图 1 常见渠道防渗漏断面结构形式图 4.1 矩形断面 矩形断面是水利工程渠道常用的一种覆盖断面结构形式。相比其他形状，矩形断面具有结构简单、施工方便、抗渗性能好等特点。矩形断面渠道底板与竖壁连接处构造简单，易于处理断面拐角处的防渗措施，能够有效控制底部与壁部的渗漏。同时，矩形断面截水面积最小，在相同排水断面条件下，可减小渗流量。矩形断面也利于采取统一的衬砌防渗措施，实现对整个截面的全面防渗。此外，矩形断面可充分利用木模板等便于现场加工的模板材料，施工简便快捷。但矩形断面受力稍复杂，底板承受的土压较大，设计和施工时应充分考虑这一点。4.2 梯形断面 梯形断面是水利工程渠道常用的一种覆盖断面结构形式，由渠底水平底板和两侧相对的斜坡组成。与矩形断面相比，梯形断面整体结构更加稳定，但抗渗性略差于矩形断面。梯形断面渠道底板承受的土压力较小，斜坡能够与周围地形相协调，有利于整体稳定。因此，在地形起伏较大的山丘地带，梯形断面可发挥其抗侧向土压的结构优势，成为较佳的断面选择4。梯形断面两侧可设置排水沟，有利于地表水排出，减少对结构的冲刷。4.3 复合型断面 复合型断面是将不同形状的断面组合而成的一种渠道覆盖结构形式。复合型断面能够综合不同断面形状的优势，使渠道抗渗性能和结构稳定性都得到提高。典型的复合型断面可以将矩形底板与梯形斜坡结合使用。矩形底板位于下部，可采用统一的防渗措施，控制底部渗流；梯形斜坡位于上部，可与周围地形协调，提高整体稳定性。也可在矩形断面两侧边墙顶部做小平角过渡，上部采用弧形结构。这种结合直线与曲线的复合断面，既保证了底部的防渗效果，也改善了上部结构的力学性能。4.4 U 型断面 U 型断面是一种底部呈半圆形结构的渠道覆盖断面形式。U 型断面由半圆形渠底和两侧竖直侧墙组成，整体为一个大致的 U 形结构。U 型断面具有一定的抗渗性能。其半圆形渠底可采用整体浇筑，防止底部接缝渗漏，控制底部渗流。两侧竖直侧墙也利于统一防渗处理。但由于其底部呈半圆形，渗流截面积大于矩形断面，总体抗渗性稍差于矩形断面。U 型断面底部半圆结构也更难于施工，需采用圆弧形模板，施工过程复杂。然而，U 型断面本身具有良好的力学性能，半圆底部可有效抵抗水流冲刷，侧墙承受侧向土压力时也较为稳定。5 水利工程渠道覆盖断面结构设计优化 5.1 覆盖断面结构形式优化 该水利工程项目输水渠道位于山区，地形起伏较大，且沿线分布有许多村寨和工厂。为兼顾渠道的抗渗性与结构稳定性，经比较梯形断面、矩形断面等多种覆盖结构后，决定对6.5米宽的渠道采用梯形断面，以提高抗侧向土压能力；对 3.2 米宽的渠道采用矩形断面，以发挥其良好的抗渗作用。考虑到山区道路较窄，为防止车辆驶入渠道，在村寨附近的河道两侧设置 0.35 米高的砖墙；在沟谷段采用拱顶结构以覆盖渠中国科技期刊数据库 工业 A-192-道。这种综合考虑地形、交通等因素，分析不同断面优势的设计方案，既满足了渠道的抗渗要求，也提高了结构的整体稳定性，是较优的覆盖断面形式选择。设梯形断面抗侧向土压安全系数：Fs=/0 其中，Fs 为抗侧向土压安全系数，为梯形断面抗侧向土压强度，0 为作用侧向土压力。增加 Fs 有利于提高梯形断面结构的整体稳定性。5.2 防渗高度计算优化 针对该水利工程输水渠道的防渗设计，根据渠道沿线的土层情况和边坡稳定性分析，采用分段试验法确定渠道防渗高度。将渠道分为上、中、下游 3 个代表性断面进行防渗试验，记录渗水量和接水时间，经过重复试验取平均值，计算出每个断面渠壁的防渗高度：上游断面：渠道长度 L1=5km，渠壁面积 F1=32m2，土层渗透系数 k1=1.5x10-6cm/s，重复试验测得平均渗流量 q1=8 m3/d，平均接水时间 t1=10 d。h1=(q1*t1)/(F1*k1)=1.2 m 中游断面：渠道长度 L2=7km，渠壁面积 F2=40m2，土层渗透系数k2=2.0 x10-6cm/s，重复试验测得平均渗流量q2=10 m3/d，平均接水时间 t2=12 d。h2=(q2*t2)/(F2*k2)=1.5 m 下游断面：渠道长度 L3=6km，渠壁面积 F3=30m2，土层渗透系数 k3=1.2x10-6cm/s，重复试验测得平均渗流量 q3=7 m3/d，平均接水时间 t3=8 d。h3=(q3*t3)/(F3*k3)=1.0 m 根据计算结果，确定上、中、下游渠壁防渗高度分别为 1.2 米、1.5 米、1.0 米。采用分段试验法确定变化防渗高度，既考虑了不同部位的地层差异，也综合了渗流量和接水时间两个参数，计算结果更加准确可靠。5.3 覆盖层结构优化 针对该水利工程渠道存在的渗漏问题，经过现场勘察分析，提出了覆盖层结构优化方案。根据渠道形状和负荷要求，选择采用预应力空心板进行覆盖。6.5米宽的渠道采用 110 毫米厚的 0.45 米宽空心板，3.2米宽的渠道采用倒 T 型梁支撑 110 毫米中空板片。选择预应力空心板覆盖的主要原因是考虑到该水利工程位于山区地带，地形复杂，采用预应力空心板可方便快速完成施工，同时也能够满足所需要的结构强度要求6.5米宽的渠道采用110毫米厚的0.45米宽空心板，以确保覆盖层承受荷载的需要。3.2 米宽的渠道为次要通道，可采用稍低规格但同样采用预应力技术的 110毫米中空板片。考虑到箱体整体性能，3.2 米宽的渠道在顶部加入 40 毫米厚 C25 细石混凝土层，以提高覆盖层的隔热性能，渠道沟槽覆盖结构图如图 2 所示。我国南方地区气候条件较热，考虑到渠道输水的需要，采用细石混凝土层可减少覆盖板吸收太阳辐射热量，避免水温过高5。为方便维修检修，渠道两侧每隔 500米设置一个检修孔。沟槽覆盖采用拱顶结构，拱圈采用 1:3 混凝土块砌体，移去原渠墙 1.2 米高后再砌筑，以提高结构稳定性。图 2 渠道沟槽覆盖断面结构优化示意图 6 结构优化效果评估 为评估水利工程渠道防渗漏结构优化设计的效果，本研究选择渠道渗漏量作为评价指标。渠道渗漏量直接反映了防渗漏结构的效果，是评估优化效果最直观的指标。根据水利工程建设要求，渠道允许最大渗漏量不得超过 0.05 立方米/秒。则可以按照下述方法计算渠道渗漏量：渗漏量 X=渗流损失量 q 平均湿周 L/86.4 其中，X 表示渠道渗漏量（立方米/秒）;q 表示渗流损失量（立方米/秒）;L 表示测量区域内的渠道总长度（米）。随机选择渠道的 5 个区段进行测试，分别测量优化前和优化后的渗漏量。结果显示，在优化前，5 个区段的渗漏量分别为 0.985、1.241、1.523、1.254、0.985立方米/秒，全部超过了 0.05 立方米/秒的要求。而在中国科技期刊数据库 工业 A-193-结构优化后，5 个区段的渗漏量分别降低至 0.011、0.013、0.015、0.021、0.020 立方米/秒，均低于限定值。通过与优化前对比发现，渠道区段渗漏量显著下降，平均降低了 85%以上，效果显著。这说明结构优化设计达到了预期目标，大幅提升了渠道的抗渗性能，有效解决了渗漏问题，确保了工程安全运行。该结构优化设计方案经过现场验证，证明具有非常好的实际应用价值和推广前景。结束语 综上所述，水利工程渠道防渗漏性能直接影响工程的安全运行，而渠道结构优化设计可以有效提高防渗漏效果。本研究以钦州市某水利工程为例，针对渠道渗漏问题，通过选择矩形防渗断面、计算优化防渗高度、采用合适覆盖层结构等措施，获得了显著的防渗漏效果。研究证实，针对不同工程情况，应当提出结构优化设计方案，在保证经济合理的前提下，选择抗渗材料、优化层序结构、计算合理防渗高度等，以达到减少渠道渗漏、确保水利工程安全运行的目的。今后可在更多不同场景条件下验证和优化该设计思路，以提高防渗漏结构设计的适用性，为水利工程建设提供支持。参考文献 1罗金柳.水利工程渠道覆盖断面结构设计优化J.河南水利与南水北调,2023,52(11):67-69.2陈小明.小型农田水利灌溉中 U 型渠道的应用实践J.当代农机,2023,(11):74-75.3刘国鹏.水利工程渠道防渗施工的关键技术探究J.科技资讯,2023,21(22):133-136.4王增强.农田水利灌溉渠道防渗保温防冻胀技术J.水上安全,2023,(13):83-85.5吕柏霖.农田水利工程渠道设计与施工管理关键点分析J.农家参谋,2020,(23):84+91.