正反拱箱形暗涵渠道的设计(1).docx

正反拱箱形暗涵渠道的设计
摘要： 针对高台县三清干渠CH23+066～26+674渠段穿越小海子水库库区，经方案比较，优选出适宜强冻胀和软弱基土地层的正反拱箱形暗涵渠道方案；设计的正反拱拱箱形暗涵渠道经实践应用，设计合理，抗冻胀性能强，推广价值极为广泛。

关键词： 箱形暗涵 渠道 设计
1 工程概况
　　高台县友联灌区位于河西走廊中部，属黑河流域中游沿岸大型灌区之一，高台县三清干渠是友联灌区主要的引水渠道。干渠从临泽县蓼泉镇塘湾村处的黑河南岸开口引水，西至高台县骆驼城山水河，全长67.75km，设计流量3.90m3/s，加大流量4.90m3/s，控制灌溉面积6.74万亩。同时承担着小海子水库1048.1万m3和鮑家湖水库447万m3的蓄水任务。三清干渠始建于1975年，原为土渠运行，2001～2004年黑河流域近期治理项目中已完成三清干渠改建衬砌40.48km，干渠CH23+066～26+674渠段3.608km，因受小海子水库除险加固工程施工及考虑小海子水库调节灌溉等因素影响，未进行建设。
2.存在问题及工程建设原由
　　三清干渠CH23+066～26+674渠段地处小海子水库北侧，紧靠小海子水库土坝布置。由于小海子水库除险加固工程完成后，扩大了小海子水库库容，新建小海子水库坝堤位于该段干渠下游，从而使三清干渠CH23+066～26+674渠段处在水库中。在小海子水库除险加固工程设计中，曾考虑废除三清干渠CH23+066～26+674渠段，让三清干渠上游引来的水进入小海子水库，经水库调节后输出到下游三清干渠，以满足灌溉需求。但经勘测后发现，三清干渠CH26+674处渠底高程为1365.156m（也即小海子水库三清干渠放水洞洞底高程），而小海子水库丰稔干渠放水洞高程为1362.0m（也即水库库底高程），相差3.156m。经计算，要满足三清干渠从水库引水，水库水位高程必须达到1366.5m，此时水库最大水深4.5m，相应库容为240万m3。同时，由于5～7月份黑河基本断流，三清干渠通常只能引1～2m3/s黑河潜流，此时正是灌溉高峰期，灌溉用水量很大，水库水位很难满足三清干渠引水要求。若采用废除三清干渠CH23+066～26+674渠段，经小海子水库调节后输出到下游三清干渠的方案，将造成在小海子水库低水位时，三清干渠无法正常引水，而丰稔干渠则可尽情引水的局面。同时易造成各渠系分水不均矛盾，导致诱发社会不稳定因素的发生。若保证小海子水库水位满足三清干渠正常引水，水库库容需维持在240万m3左右，该库容将成为死库容不能发挥应有的效益，小海子水库的灌溉效益将锐减。
　　综上所述，为了保证三清干渠正常引水，同时使小海子水库的灌溉效益得到充分发挥，修建三清干渠CH23+066～26+674渠段是解决问题的关键。
3.工程设计
3.1抗冻胀设计
　　经地质勘察，三清干渠CH23+066～26+674渠段大部分座落在沙壤土层上，为冻胀性土层。高台县气象局实测本区多年平均冻土深度为106cm，即标准冻深106cm。经计算，设计冻深值为阳坡85.3cm，渠底98.5cm，阴坡127.84cm，冻胀量为7.57cm。依据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23-19）规定，冻胀量远大于衬砌渠道的允许位移值，需从适应冻胀、回避冻胀、消减或消除冻胀等方面采用抗冻胀结构及工程措施。
　　根据工程级别、日照及遮荫程度、地下水位埋深、渠道走向等因素，工程措施采用砂砾石置换冻胀基土，置换厚度为阳坡50～70cm，渠底60cm，阴坡60～95cm。抗冻胀结构措施采用设计方案比较优选。
3.2设计方案比选
　　根据对小海子水库地形地貌和三清干渠渠线的勘查，三清干渠CH23+066～26+674渠段在渠线布置上有三种方案可进行比选。
　　方案一：渠线沿新建小海子水库土坝外北侧绕坝布置方案。该方案渠线长约4.5km，但因该段地势低洼，地面高程低于渠顶设计高程约3～5m，属全填方渠道，填方工程量大，且建成后渠基为柔弱地基，渠道沉降隐患大，对渠道长期运行不安全。
　　方案二：渠线沿小海子水库外以南布置方案。该方案设计渠线自三清干渠CH18+925处沿原小海子水库回水线以南进行布置，渠线长约7km。因该段渠线经过之地全部为沙丘，且地势较高，属全挖方渠道，挖方工程量大。同时受地形所限，渠线须两次穿越312国道，渠线长，施工难度大，工程造价高。
　　方案三：沿原渠线布置方案。该方案设计渠线沿三清干渠原渠线布置，渠线平行于原小海子水库土坝，穿越小海子水库，渠线长3.608km。该方案渠基挖填适中，渠线短，工程量小，施工方便。但因穿越水库，需充分考虑冻胀、稳定等影响因素。
　　经综合分析比较，方案一安全隐患大，不宜采用；方案二渠线长，施工难度大，工程造价高，不经济；方案三渠线短，工程量小，施工方便、经济合理，较为理想。因此，渠线布置选择方案三。
　　根据选定的渠线，抗冻胀结构措施采用以下三种设计方案进行比较优选。
　　方案A：梯形明渠衬砌方案
　　设计采用已建三清干渠梯形断面结构形式，渠底为C15细粒砼砌石衬砌，厚度40cm；渠坡为C15砼预制块衬砌，厚度8cm；采用砂砾石垫层置换冻土，根据抗冻胀规范计算，置换厚度为：渠底60cm，渠阴坡60～95cm，渠阳坡50～70cm。方案A特性见表1。
表1 设计方案比选表
方 案
方案一
方案二
方案三
结构形式
梯形渠道
玻璃钢管渠道
正反拱箱形暗涵渠道
衬砌方式
C15砼预制块和C15细粒砼组合衬砌
玻璃钢管承插连接衬砌
C20钢筋砼现浇衬砌
优 点
防渗、抗冻胀、抗冲刷性能好，适宜于一般、中强冻胀区；施工工序较少，工程造价低。
耐腐蚀、抗老化，抗冻性能好，自重轻，寿命长，摩擦力小，输水性能好。
采用弧底结构抗冻性能好，适宜于强、极强冻胀区和软土地基层；自重大，稳定性好，施工简便。工程造价适中。
缺 点
水库高水位时干渠将被库水淹没，渠岸易被库水淘蚀冲毁；渠道抗冻胀能力差，易于冻胀破坏，使用年限短。
自重轻，在水中易漂浮，施工要求严格，工程造价高。
施工工序多，工程质量不易控制。
使用年限
30
30～50
30～50
每km投资
148万元
363万元
272万元
方案评价
差
差
最优
　　方案B：玻璃钢管衬砌方案
　　渠床的冻胀　　性属于强冻胀的中型渠道，回避冻胀的结构措施应采用暗渠或暗管输水，设计采用玻璃钢管承插连接衬砌，管径2.2m，管壁厚23mm。玻璃钢管管身由连续的玻璃纤维不饱和聚酯树脂、环氧树脂为基料，以石英砂及碳酸钙为无机非金属颗粒为填料压制而成。方案B特性见表1。
方案C：正反拱箱形暗涵渠道方案
　　渠床的冻胀性属于强冻胀的中型渠道，回避冻胀的结构措施应采用暗渠或暗管输水，暗渠的埋置深度应等于或大于工程设计冻深。设计渠底采用反拱弧底、渠顶为正拱盖板的正反拱箱形暗涵，底部设置非冻胀性土置换层。设计暗涵净宽3.0m，净高2.3m，内直墙高度1.3m；设计全部断面采用C20钢筋砼现浇结构，拱顶厚20cm，反拱弧底厚40cm，侧墙厚30cm。采用砂砾石垫层置换冻土，置换厚度为：渠底80cm。方案C特性见表1。
　　根据对拟选的三个设计方案进行分析比较（见表1设计方案比选表），结论为：正反拱箱形暗涵渠道方案较方案一具有抗强冻胀、抗滑坡性能强，适宜软土地基层和使用年限长等优点；较方案二具有自重大，稳定性好，施工简便，工程造价低等优点。
　　综上所述，三清干渠CH23+066～26+674渠段采用正反拱箱形暗涵渠道方案衬砌最为适宜。
3.3抗冻胀结构及强度设计
　　根据优选的正反拱箱形暗涵渠道，按照上下游渠道设计渠深确定的渠深为230cm，经计算，暗涵净宽300cm。由于拱的矢跨比越大，拱脚水平推力越小，对于减小拱脚水平位移引起的应力越有利；本次设计取1/6，即拱矢高度为50cm。
　　反拱底板内弯矩较小，主要承受轴向压力，因反拱底板跨度较小，反拱底板采用等截面圆弧拱，拱底厚度为40cm，拱顶厚度为20cm。
　　为保证三清干渠CH23+066～26+674渠段断面结构设计的合理性，对三清干渠正反拱箱形暗涵断面进行结构分析计算。按照实际情况，共分为以下四种工况：
a、第一种工况：箱形暗涵有水，库中有水
b、第二种工况：箱形暗涵有水，库中无水
c、第三种工况：箱形暗涵无水，库中有水
d、第四种工况：箱形暗涵无水，库中无水
在此只计算最不利的第三种工况：箱形暗涵无水，库内有水。
1）内力计算
　　由于渠外坡土压力比库中水压力下的多，只计算库中水压力产生的内力。
Mw=P水××h=17.689××1.9=11.2KN.m
M=γ0.ψ.Mw=1×1.0×11.2=11.2KN.m
2)配筋计算
　　由《钢筋砼计算手册》查附录表，取砼保护层C=25mm（二类环境条件），估计钢筋直径d=10mm，则a=C+d/2=30mm，h0=h-a=300-30=270mm，板计算宽度b=1000mm。
αs===0.01914
ζ===0.01932＜ζb=0.614（截面尺寸和砼强度满足要求）
AS=fc.ζ.b.h0/fy=10×0.01932×1000×270/210=242 mm2
ρ=AS/b.h0=242/（1000×270）=0.091%＜ρmin=0.15%
　　根据以上计算得，截面尺寸和砼强度满足要求，只需按要求配构造筋，受力纵筋选用φ30@300；箍筋选用φ8@300（@300表示每两根钢筋中心的距离为300mm）。三清干渠属严寒地区过水渠道，根据规定混凝土强度设计为C20,抗冻标号为D100，抗渗标号为S4。
3.4抗滑稳定性分析
　　为保证三清干渠的稳定性，对三清干渠CH23+066～26+674渠段断面进行了稳定分析计算。
1）外力计算
　　箱形暗涵共受到四项外力，其中箱形暗涵自重和渠外坡土压力为永久外力，而箱形暗涵中水自重和库中水压力为可变外力，下面分别计算。
①箱形暗涵自重：
标准值：gk渠=γv=24×（3.8×0.4+3.8×0.2+1.8×0.3×2）=80.64 KN/m
设计值：g渠=γGgk=1.05×80.64=84.67 KN/m
②箱形暗涵中水自重：
标准值gk水=γv=9.8×（1.02×2+3×1.3）=50.27 KN/m
设计值g水=γQgk=1.2×50.27=60.32 KN/m
③箱形暗涵外坡主动土压力
标准值Pk土=0.5γ Ka=0.5×16××=8.7 KN/m
设计值P土=γGPka土=1.05×8.7=9.14 KN/m
④库中水压力
标准值Pk水= =0.5×9.8×1.9×1.9=17.69 KN/m
设计值P水=γQPk水=1.2×17.69=21.22 KN/m
2)稳定计算
　　根据实际情况，箱形暗涵渠底与砂砾石垫层摩擦系数f取0.45，抗滑稳定安全系数ks为1.3，共分为以下四种工况：
a、第一种工况：箱形暗涵有水，库中有水
ks===5.4＞1.3
b、第二种工况：箱形暗涵有水，库中无水
ks===6.59＞1.3
c、第三种工况：箱形暗涵无水，库中有水
ks===3.15＞1.3
d、第四种工况：箱形暗涵无水，库中无水
ks===4.16＞1.3
综合上述计算分析，在四种工况下，箱形暗涵都稳定。
3.5设计成果
　　三清干渠CH23+066～26+674渠段长3.608km，控制灌溉面积6.74万亩，设计流量为3.90m3/s，设计正常水深1.5m，加大流量为4.90m3/s，设计纵坡1/3300。设计为正反拱箱形暗涵渠道，暗涵净宽3.0m，净高2.3m，内直墙高度1.3m，设计超高取0.8m；设计全部断面采用C20钢筋砼现浇结构，拱顶厚20cm，反拱弧底厚40cm，侧墙厚30cm。采用砂砾石垫层置换冻土，置换厚度为：渠底80cm。伸缩缝每9米设置一道，伸缩缝材料采用预埋环型橡胶带止水，以适应沉陷变形和防止漏水。
　　为考虑今后检修方便，在桩号26+666、27+266、28+266、28+466顶部设检修孔，检修孔采用钢筋砼预制盖板加橡皮止水，以防水库水进入渠内。
　　三清干渠暗涵左岸可用壤土填至与渠顶齐平，宽度2～3m；右岸岸顶宽度1.5m，用干砌块石护岸坡，以防止水库水淘空渠低。
4 结语
　　正反拱箱形暗涵渠道具有防渗、抗冻胀、抗冲刷性能较好，整体性稳定性较强，适宜于强、极强冻胀区和软土地基层；具有施工工序少，工程造价适中等优点。实践应用表明，正反拱箱形暗涵对解决软土地基不均匀沉陷、强冻胀基土对渠道冻胀破坏等具有十分显著的效果，推广价值极为广泛。