傍山渠道结构型式选择.pdf

2023年7月收稿日期：20230320作者简介：曾祥磊（1991），男，硕士，工程师，主要从事水工结构设计工作。DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.07.009傍山渠道结构型式选择曾祥磊，黄晶，郭斌，李密（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550002）摘要：夹岩水利工程灌区金沙分干渠渠道沿线产业园、居民房屋和公路较多，渠线穿过乡村果园、人畜活动密集区；渠道轴线与岩层走向成交角较小（即顺层坡），开挖切脚后易导致边坡失稳滑塌等。为便于后期运行管理，以典型傍山渠道作为分析对象，对渠道结构型式选择进行分析研究，提出将浆砌石明渠型式调整为钢筋混凝土箱涵型式。关键词：水利工程；灌区；渠道；箱涵中图分类号：TV68；S275.3文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）07-0030-06Selection of the Structure Type of Mountain-side CanalZENG Xiang-lei，HUANG Jing，GUO Bin，LI Mi（Guizhou Water Resources and Hydropower Survey，Design and Research Institute Co.，Ltd.，Guiyang 550002，China）Abstract：Jinsha Branch Canal in Jiayan Water Conservancy Project Irrigation Areas is characterized by numerousindustrial parks，residential houses and highways along the canal construction course.The canal passes through villageorchards and areas with dense human and livestock activities.The alignment of the canal axis is closely related to the trendof rock layers，resulting in a small angle（parallel）to the slope.Excavation and toe cutting can easily lead to slope instabilityand collapse.To facilitate future operation and management，a study is conducted on the selection of canal structure typesusing a typical mountain-side canal as the analysis object.It is proposed to adjust the current rubble-lined open channelstructure to a reinforced concrete box culvert structure.Key words：water conservancy project；irrigation area；canal；box culvert1工程概况贵州省夹岩水利枢纽及黔西供水工程（以下简称夹岩水利工程）位于贵州省毕节市及遵义市境内，是一座以供水和灌溉为主兼顾发电的大（1）型水利枢纽工程。工程总体布局以新建夹岩水库为集中供水水源，以已建附廓水库为反调节水库，并利用灌区现有小型水库屯蓄。工程由水源工程、毕大供水工程和灌区骨干输水工程三部分组成，总投资186.49亿元，水库库容13.23亿m，多年平均供水量6.88亿m3，总供水人口267万人，电站总装机容量90 MW。灌区骨干输水工程设计线路总长648.0 km，明渠设计长度96.1 km，以渠身断面呈下窄上宽的倒梯形结构型式为主。金沙分干渠为夹岩水利工程灌区骨干输水工程中较为重要的标段之一，主要向贵州省金沙县城禹龙片区（部分）、安岚源片区及化沙官片区供水，年输水量 5 062 万 m3，总长 34.586 km，其中渠道长14.986 km；渠道渠身完全置于基岩内的渠段为窄深式，断面为梯形，渠高2.302.90 m，渠底宽1.62.0 m，渠顶开口宽2.983.74 m；渠堤采用M7.5浆砌石砌筑，迎水面边坡1 0.3，采用C15混凝土防渗。随着社会经济发展对水安全的要求不断提高，合理选择渠道结构型式对于确保后期渠道水质安全、运行管理方便和控制运行管理成本等尤为重要。金沙分干渠渠道处于半山腰，植被茂盛，上部岩体风化脱落及周边枯枝落叶可能会造成敞口渠道在运行过程淤积，受洪水等自然灾害影响渠道常因边坡垮塌等因素造成破坏，如图12所示；渠道沿线产业园、居民房屋和公路较多，渠线穿过乡村果园、人畜活动密集区，造成管理不便和后期运行成本增加；部分渠道边坡较高且覆盖层较厚，部分渠道轴线与岩层走向成交角较小（即顺层坡），且靠山侧边坡倾角海河水利302023.No.7较大，开挖切脚后极易导致边坡失稳滑塌，基础及边坡处理工作量大。结合以上情况分析，认为进一步研究渠道结构型式是有必要的。2工程地质条件金沙分干渠所在工程区地形地貌主要为溶蚀-侵蚀地貌浅切中山地形，海拔1 0501 200 m，依次穿过T1m-1q地层，工程区地震动加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为 0.35 s，地震基本烈度为度，无活动性断裂带通过，区域地质构造稳定较好；渠道多采用傍山布置，沿线地形坡度一般为3040，其走向与岩层走向小角度相交，部分边坡为顺向坡，覆盖层 05 m 不等，局部段覆盖层埋深较大，下伏地层岩性有中厚层灰岩、薄层泥质白云岩、薄层泥质粉砂岩等，地下水埋深较大；部分渠道边坡为顺向坡，受层面、节理切割影响，开挖后易失稳滑塌破坏，需作加强支护处理；部分渠道边坡为土质边坡，自然边坡稳定，开挖后雨季易失稳滑动，需作加强处理。3方案比选3.1方案拟定根据实际情况，拟定4个方案进行比选。3.1.1方案1：浆砌石明渠方案浆砌石明渠方案及原设计方案渠身断面呈下窄上宽的倒梯形。渠道渠身完全置于基岩内的渠段为窄深式，断面为梯形，渠高2.302.90 m，渠底宽1.62.0 m，渠顶开口宽 2.983.74 m；渠堤采用 M7.5 浆砌石砌筑，迎水面边坡1 0.3，采用C15混凝土防渗。渠身处于强风化岩层时，渠道直接开挖石槽成形，采用C15混凝土防渗；渠身处于岩层较为破碎地段，可根据实际情况采用M7.5浆砌石衬砌，采用C15混凝土防渗。渠道基础不满足设计要求时，同样采用M7.5 浆砌石进行换填处理。渠道边坡采用喷 C20素混凝土进行支护，局部高边坡段增加钢筋网片及C25锚杆支护，锚杆长3.0 m。浆砌石明渠方案标准断面，如图3所示。图1已建渠道受损情况图2已建渠道受枯枝烂叶影响现场图3浆砌石明渠方案标准断面单位/mmC15混凝土压顶厚10 cm8002 9803 740100200300112C15混凝土排水沟30 cm20 cm地面线土石分界线土石回填M7.5浆砌石C15防渗混凝土厚15 cm原地面线设计水位加大水位C15防渗混凝土厚15 cm1 600/2 000渠底高程土石回填土石分界线1 600/2 000B1B2B1 0.51 0.32 4503 0502 3502 9501001501 0.53.1.2方案2：浆砌石明渠加盖板方案鉴于金沙分干渠承担有集镇及农村人口供水任务，在方案1基础上增设钢筋混凝土盖板，其标准断面如图4所示。曾祥磊，黄晶，郭斌，等：傍山渠道结构型式选择312023年7月图4浆砌石明渠加盖板方案标准断面单位/mm浆砌石明渠加盖板方案渠道横断面结构尺寸和原设计方案相同，结构尺寸详见表 1（受力筋选配C16200，分布筋选配C10200）。3.1.3方案3：钢筋混凝土箱涵方案为更好保证渠道安全稳定以及运行过程中水质问题，将渠道结构型式调整为钢筋混凝土箱涵，箱涵边墙及底板厚度拟采用与已变更部位相同厚度25 cm，顶板取 15 cm，箱涵底部设置 6 cm厚素 C25混凝土垫层；箱涵断面底宽为2.02.5 m，高为2.152.6 m，如图5所示。通过对比浆砌石明渠和钢筋混凝土箱涵方案发现，渠道结构调整后水深变化不大，可通过进出口部位进行微调，保证水面线顺接，不影响上下游建筑物衔接，计算成果详见表2。3.1.4方案4：钢管方案为更好保证渠道安全稳定以及运行过程中水质问题，渠道大流量部位（设计流量大于 3.2 m/s）改为钢筋混凝土箱涵，小流量部分（设计流量小于3.2 m/s）改为螺旋钢管，因各渠道前后建筑物已施工，经水力计算复核后无法采用有压管进行布置，故采用无压流管道布置。螺旋钢管（初拟管壁厚10 mm）方案管道底部采用 C15 混凝土垫层，管槽采用土石回填，并在转弯处采用布置镇墩或者包管处理；部分陡峭段及管道高于原地面线的部分采用支墩进行支撑。螺旋钢管标准断面，如图 6所示。考虑到同等条件下方案4螺旋钢管造价较高且施工难度较大，不利于现场施工，而且其投资远大于其余方案，故在后续的方案比选中仅对方案1、方案2、方案3进行比较研究。表1浆砌石明渠加盖板方案渠道结构尺寸拟定成果序号1234567渠道底宽2.02.02.02.02.02.01.6渠道上口宽3.743.74/3.653.65/3.593.59/3.533.62/3.533.53/3.47/3.282.69/2.89盖板宽度4.344.344.344.344.224.163.58备注板厚200 mm图5钢筋混凝土箱涵方案标准断面单位/mmC15混凝土压顶厚10 cm1002 4503 0502 3502 950土石回填2 000/1 6001 0.5M7.5浆砌石1 0.31 0.3设计水位M7.5浆砌石C25钢筋混凝土盖板土石分界线地面线厚200 mm4 340/1 000/4 160/3 580C15防渗混凝土1 0.5喷C20混凝土厚8 cm3 000/2 5002 000/1 500250250250250加大水位设计水位2 500/2 0003 000/2 5002502503 060/3 010/2 810/2 6102 350/2 300/2 100/19 0025060250150海河水利m322023.No.7表2渠道各断面水力计算成果断面序号1234567工况设计流量加大流量设计流量加大流量设计流量加大流量设计流量加大流量设计流量加大流量设计流量加大流量设计流量加大流量流量/（ms-1）6.0007.4406.0007.3675.7007.0525.6006.8925.4006.7085.0006.1293.2003.907底坡0.000 50.000 50.000 50.000 50.000 50.000 50.000 5钢筋混凝土箱涵底宽/m2.52.52.52.52.52.52水深/m1.8332.1741.8332.1571.7602.0831.7362.0451.6872.0011.5891.8631.4271.672糙率0.0140.0140.0140.0140.0140.0140.0140.0140.0140.0140.0140.0140.0140.014渠道高度/m2.602.602.602.602.552.352.15渠道超高/m0.430.440.520.560.550.490.48水面线以上空间占断面面积比例/%15.5716.2319.1320.6020.7519.8821.09浆砌石明渠底宽/m2.02.02.02.02.02.01.6水深/m1.842.101.842.091.782.031.762.001.721.971.641.861.441.63糙率0.0150.0150.0150.0150.0150.0150.0150.0150.0150.0150.0150.0150.0150.015渠道边坡系数0.30.30.30.30.30.30.3渠道高度/m2.92.9/2.82.82.8/2.72.72.7/2.62.3图6螺旋钢管方案标准断面单位/mm3.2技术经济比较根据拟定比较的3种方案，按照相同原则计算出各方案工程量，结果详见表3。根据以上情况，对3种方案优缺点进行对比分析，结果详见表4。鉴于金沙分干渠承担有集镇及农村人口供水任务且社会经济发展对水安全的要求不断提高，并从后期渠道水质安全、运行管理方便和控制运行管理成本等角度出发，推荐采用方案3即钢筋混凝土箱涵结构型式。3.3结构计算结合对比情况，现对推荐采用方案（钢筋混凝土箱涵）进行结构稳定复核；此处选取结构尺寸较大断面进行计算复核，即对断面尺寸为2.5 m2.6 m渠道断面进行计算分析。3.3.1承载能力计算根据 水工挡土墙设计规范，渠道基底面应力可按下式计算：maxmin=G/AM/W（1）式中：G为作用在暗渠上全部垂直于水平面的荷载（kN）；M为各力对暗渠中心力矩之和（kNm）；A为暗渠基底面的面积（m2）；W为对挡土墙纵向形心轴的截面矩（m）。根据 水工建筑物荷载设计规范，作用在单位长度箱涵侧面土石回填后最大主动土压力标准值计算公式为：Fak=12土H2Ka（2）式中：Fak为主动土压力标准值（kN/m），作用于距箱涵底部的h/3的侧墙处；土为箱涵侧面填土容重（kN/m3）；H为箱涵高度（m）；Ka为主动土压力系数，计算公式为Ka=tan2（45-/2），其中 为填土内摩擦角取20。原地面线设计水位加大水位螺旋钢管DN2200 壁厚10 mm901 0.31 0.31 4501 6803003002 2202 8201502 2202 370C15混凝土垫层曾祥磊，黄晶，郭斌，等：傍山渠道结构型式选择332023年7月表33种方案工程量对比序号1234567891011121314151617181920212223242526项目渠道土方开挖/m3渠道石方开挖/m3土石回填/m3M7.5浆砌块石/m3埋石混泥土/m3C15渠道混凝土（R28一级配）/m3C15排水沟混凝土（R28二级配）/m3C15压顶混凝土（R28二级配）/m3C25暗渠混凝土（R28二级配）/m3C25预制混凝土盖板/m3C25混凝土盖板/m3C25箱涵混凝土（R28二级配）/m3C25排架混凝土（R28二级配）/m3C25板梁混凝土（R28二级配）/m3C25边墩（支墩）混凝土（R28二级配）/m3C25混凝土（R28二级配）/m3C25基础混凝土/m3C25垫层混凝土/m3喷混凝土（地面）/m3聚硫密封胶止水/m3橡胶止水带/m沥青杉木板/m2排水孔/根钢筋制安/t预埋钢板（3 600 mm500 mm10 mm）/t锚杆（C25 L=3 m）地面/根方案1127 608167 82911 95384 9498413 6141 3401 0343232801174 04828040251723831344 1787.281 21 7343 6138 36871528.26978方案2127 608167 82911 95384 9498413 6141 3401 03432328011 3164 04828040251723831344 1787.281 21 7343 6138 3682 14828.26978方案3129 876176 70053 55421 784843 281301217-2 36730 988280-251723832 1881 6461.114 323676-3 56528.26-注：按照原设计概算编制原则，方案1投资为6 389.88万元，方案2投资为8 080.01万元，方案3为7 889.87万元。表43种方案优缺点对比分析方案方案1（原浆砌石明渠）方案2（原浆砌石明渠加盖板）方案3（未实施明渠变更为钢筋混凝土箱涵）优点1.原审批方案，不需走变更程序；2.工程投资相对最省1.对渠道顶部进行封闭可使水质不受沿线污染影响，渠道不受枯枝落叶及生产生活垃圾堵塞，也可防止人畜掉落进渠道，防止安全事故的发生；2.本段渠道改为封闭式结构后，考虑沿线均为封闭结构，沿线将减少输水损失29万m/a，若考虑全部用于城镇供水，结合初步设计城镇供水水价为2.00元/m，每年收益约58万元1.渠道全部封闭，水质不受外部环境影响，更好满足经济发展对水安全的要求；2.运行管理工作量小，费用省；3.结构整体性好，抵御自然灾害的能力强；4.砂石料用量比方案1和方案2少，料场变化增加投资少；5.工程投资相对节省；6.同方案2第2条缺点1.渠道水质容易受外部环境影响，运行管理不便;2.块石用量大，且浆砌石明渠施工成本高1.方案发生变化，需履行变更手续;2.投资相对最高；3.同方案1第2条1.同方案2第1条；2.投资相对较大投资/万元6 389.888 080.017 889.87海河水利342023.No.7根据式（1）、（2）对各段箱涵地基承载力进行复核后，max=81.867 kPa，min=5.544 kPa。3.3.2抗滑稳定计算基底与岩基接触面的抗剪断摩擦系数f=0.35，抗剪断黏聚力 c=100 kPa，抗滑稳定安全系数 KC=3.0。其计算公式为：KC=fG+cA/HKC（3）式中：KC为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；G为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载（kN）；A为箱涵地面面积（m2）；f为基底与岩基接触面的抗剪断摩擦系数，取0.35；c为基底与岩基接触面的抗剪断黏聚力（kPa）。当渠道无水为最不利情况，根据式（3）对无水情况下各渠段抗滑稳定安全系数进行复核，经复核抗滑稳定安全系数最小值为6.529，大于规范允许值3.0。3.3.3抗倾覆稳定计算箱涵抗倾覆稳定安全系数根据下式进行计算：K0=MVMH（4）式中：K0为箱涵抗倾覆稳定安全系数；MV为对箱涵基底前趾的抗倾覆力矩（kNm）；MH为对箱涵基底前趾的倾覆力矩（kNm）。当渠道无水为最不利情况，根据式（4）对无水情况下各渠段抗倾覆稳定安全系数进行复核，经复核抗倾覆安全系数最小值为1.996，大于规范允许值1.3。综上，该方案结构稳定满足相关规范要求。4结语根据当前的经济水平，原设计明渠方案在技术上是可行的。随着经济社会发展对供水安全的要求越来越高，对渠道输水方式的研究是有必要的。鉴于目前傍山明渠大多承担有集镇及农村人口供水任务，从后期渠道水质安全、运行管理方便和控制运行管理成本等角度出发，为更好适应当前社会经济发展对水安全的要求，减小渠道沿线产业园、居民房屋、公路、乡村果园和人畜活动密集区的影响，降低后期渠道运行成本，本文结合前期研究成果对夹岩水利工程金沙分干渠标段渠道结构型式经过综合对比后，推荐傍山明渠宜采用钢筋混凝土箱涵结构。参考文献1 张斌，田凯翔，王涛.夹岩水利枢纽工程输水灌区明渠结构设计比选J.水利水电快报，2020，41（9）：33-36.2 索丽生，刘宁.水工设计手册（第 9卷 灌排、供水）M.北京：中国水利水电出版社，2014.3 熊启钧.涵洞M.北京：中国水利水电出版社，2006.很大，不必计算，重点计算施工期的土工膜稳定性。上游坡比为 12.2，属于缓坡，计算公式如下：k=ftg（8）式中：为上游坡与水平面夹角（）；f为复合土工膜与整平层间摩擦系数，无量纲，取0.480.62。本工程中，=24.444，f=0.5，经计算得k=1.1，满足抗滑稳定要求。同时，为了增加土工膜与支持层之间的稳定系数，上游坝坡每隔8 m设置1道嵌固槽，采用C20混凝土作为嵌固槽的压重。3结论本文以水城县营盘水库为例，研究了坝顶高程和建基面确定方法，同时还探讨了大坝应力分析及稳定计算方法和结果。根据计算结果，水库校核水位为1 813.725 m，坝顶超高值为0.835 m，则大坝计算最高水位为 1 814.56 m，大坝坝顶设 1.1 m 高防浪墙，防浪墙顶高程取 1 815.10 m，坝顶高程为1 814.00 m，则坝顶高程大于水库校核水位，且防浪墙顶高程大于大坝计算最高水位，本工程大坝坝顶高程和防浪墙顶高程取值满足规范要求；各工况下，大坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范要求，大坝安全可靠。参考文献1 范启俭.那吉佛仔迳水库除险加固设计分析J.水利科学与寒区工程，2022，5（12）：101-104.2 赵静，郑培溪.刍议大石洞水库病险及其加固处理设计J.山西建筑，2022，48（14）：185-188.3 刘爱环，曹巧丽，谢晨希.高寨水库放空兼冲沙底孔改造兼加高设计J.内蒙古水利，2022（3）：46-48.4 刘福.会昌县石陂水库新建埋石混凝土重力坝设计分析J.黑龙江水利科技，2022，50（2）：61-63，69.5 杜全胜，严克兵，何楠.某水库枢纽布置设计J.河南水利与南水北调，2022，51（1）：59-61.6 包第啸，曹阳.玻利维亚伊卡拉水电站工程主要建筑物优化设计J.海河水利，2020（6）：27-28.7 孜木耐提 尔肯.西海子水库大坝除险加固设计方案的研究分析J.陕西水利，2020（8）：218-219.8 胡德保，查恩尧.丹竹水库拦河大坝坝型比选及设计要点分析J.水科学与工程技术，2019（4）：69-72.9 龙明星，赵志远，李斌旭.桃源水库碾压混凝土重力坝优化设计J.水利规划与设计，2018（8）：146-148，184.（上接第23页）曾祥磊，黄晶，郭斌，等：傍山渠道结构型式选择35