洛惠渠灌区U型渠道外倾角施工与效果评价

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进行渠道改造是灌区提高水利用系数、保护输水工程安全运行的重要措施,洛惠渠灌区在改造渠道中采用合理的外倾角进行U型渠道混凝土衬砌,改造后渠道抗冻胀性效果好,砼质量易于控制,渠道占地小,不易淤积,节水效果十分显著.

U型渠道外倾角应用思考

陕西省洛惠渠灌区位于关中平原东部,灌溉渭南大荔、蒲城、澄城三县31个乡镇及3个农场共74.3万亩.干渠5条,长103公里,支渠14条,长131公里,斗渠249条,长932公里,分引渠4560条,长1407公里,灌区灌溉渠道经过不断改善、调整与扩建,逐步形成比较健全的干、支、斗、分、引五级渠,也成为关中东部小麦、玉米、棉花、油菜、瓜果、蔬菜生产基地.但是由于灌区位于黄土塬区,气候条件恶劣,加之受原技术水平和施工经济条件限制,工程设计标准不高,衬砌率低,渠道经过几十年运行,原衬砌渠道大部分遭到破坏,致使渠道渗漏严重.近年来,随着灌区工程相继实施,有效地提高了水利用系数,保护输水工程安全.尤其是在灌区渠道改造中,采用合理外倾角的设计,进行U型衬砌,取得了非常显著的成效,渠道面貌焕然一新,节水效果十分显著.

1灌区历年渠道设计与运行情况

1999年以前,灌区就对渠道进行U型衬砌改造,当时考虑到外倾角越小,施工越方便,对提高表面质量及内在质量效果越明显,故所有改造的U型渠道外倾角均采用8.5°.但由于灌区所处的特殊地理位置,冬季气温低,冻胀破坏力强,实践证明外倾角8.5°的U型渠道在运行2-3年后,衬砌板直线段在冻胀力及外力作用下,基本从衬砌底部向上1/3高度处内倾倒塌,淤积于渠道中,严重影响灌溉效益的发挥.

2衬砌渠道破坏的根由

灌区冬寒、夏热.根据资料统计,年平均气温12.2℃,绝对最高温度36.9℃,绝对最低温度-25.1℃,属寒温带半干燥气候区,最大冻土深度为0.4m左右,因灌区主要为小麦冬灌及玉米夏灌,按照灌区灌溉习惯,冬季灌溉为每年11月下旬开始至冬至前后,历时40天左右,春季灌溉为每年2、3月开始,历时50天左右,夏季灌溉为每年6月至8月,灌溉历时40天左右.冬春灌时,灌区气候较为寒冷,灌溉以不结冰进行渠道输水,渠道存在冻胀现象,过去设计只注重考虑了防冲和防渗问题,对渠道冻胀考虑不周,导致大部分渠道因外倾角小而造成冻胀破坏、渗漏、淤积严重.根据工程现场调查发现,凡冻胀破坏渠道都明显有裂缝和下部混凝土隆起现象,破坏渠道达80%以上.1999年以后灌区进行渠道改造.施工中统一采用U型断面,为了减小渠道破坏渗漏,将外倾角加大至12°,在现浇板后铺设了防渗膜,根据渠道流量适当加大衬砌厚度,厚度为8-10cm.施工完后经过试行,渠道现状较好.

3选择12°外倾角的理由

根据过去灌区渠道衬砌的断面型式,主要有梯形、8.5°外倾角的U型渠道.渠道边坡的破坏主要在衬砌下部的1/3处,而U型渠道的U型部位抗冻胀能力最强,因此在合理的选择外倾角及直线段长度的同时,直线段与弧段的连接必须在衬砌高度底向上的1/3以上.而理论上渠道的外倾角越大,渠道越稳定,但在实际施工过程中,外倾角越大,施工难度越大,蜂窝、麻面、表面平整度愈难控制,占地面积也越大;外倾角小,虽然能有效的降低施工和质量控制的难度,但直线段的抗冻胀及抗内倾能力降低,渠道结构稳定性相对较差.合理的选择外倾角度至关重要.1999年世界银行贷款项目工程实施后,灌区在对其中一个标段渠道改造采用12°夹角,另一个标段渠道改造采用了15°夹角.在运行管理过程中观测,两种外倾角的渠道都比较稳定,改善水流条件,减少淤积,减轻冻胀破坏,延长工程寿命.但在施工中12°外倾角的渠道占地面积小;有效减少了工程回填量,缩断了工期,降低了成本;外形美观,宽深比优于15°夹角.因此,灌区在所有的支渠衬砌中,都采用了12°的外倾角.


4外倾角12°的优点

4.1砼质量易于控制.在实际施工过程中,砼外倾角越小,边坡坡度越小,砼内气泡容易消除,蜂窝、麻面愈少,同时砼表面平整度愈易控制.

4.2抗冻胀性效果好.12°外倾角U型断面较8.5°外倾角断面抗冻胀性能强.在工程实践中发现,U型砼渠道冻胀破坏主要发生在阴坡衬砌下部的1/3处,12°外倾角U型断面将破坏位置放在了弧形断面处,有利于抵抗冻涨破坏,外倾角的加大增加了对破坏的抵抗力,增强了渠道抗冻胀的性能.

4.3降低工程成本.根据计算,外倾角增大,渠道稳定性越好,但相应的占地面积大,渠道土方工程量增大,砼工程量也有所增加,相应工程成本增大.为了合理的选择既经济又实用美观的U型渠道断面,我们通过工程实践、比较,认为12°外倾角的渠道在满足我灌区的具体情况的同时,有效的降低了工程成本.

4.4节约水量、不易淤积.U型断面较梯形断面每公里输水损失可减少3.7%,防渗效果最好,它近似于最佳水力断面,水流条件好,流速大,输水输沙能力强.通过以纵坡比1/2000,半径、斜坡长各为1m的渠道为例(见下表),只有12°外倾角的渠道既能满足强度要求,又能有效的增大过水流量.这样,只要选择合理的纵坡比,既能节约水量,渠道又不易淤积.

4.5占地面积小.同样以纵坡比1/2000,半径、斜坡长各为1m为例,灌区215km的支渠,仅占地面积一项,15度比12°多占地25亩,18度比12°多占地48亩;同时由下表可以看出,过水面积也随着外倾角的加大而降低.

4.6美观大方.渠道夹角直接影响渠道的美观,无论渠道是宽浅式还是窄深式,都显得不美观大方,只有渠口宽度与渠道深度的比例在1.34-1.36之间,渠道才显得美观大方,同时还要满足直段长等于半径,而要满足以上条件,12°夹角时最理想的选择.

5改进施工工艺

回填开挖好土模后,原先在砼浇筑过程中都采用直面模板,但模架在制作过程中,弧面只能制作成弧形.虽然模板与模架弧形段之间缝隙不是很大,但跑浆现象严重,导致砼表面蜂窝、麻面现象严重,同时砼强度也有所降低.在多年的施工管理中,通过不断改进模具及设计.在设计渠道断面时,就考虑模具的尺寸与组合情况,在满足过水流量的同时,渠道衬砌周长的一半等于模板宽度的整数倍(模板宽度为20cm),组合后两边对称.根据断面设计情况,增加了异型模板(即弧面、直面相结合的模板).在模架制作中,对底部中点及异型模板点做了明显标识,有效的降低了模板安装时与口线不平行的现象.通过以上工艺及设计的改进,衬砌后渠道口线与板棱平行,同时也杜绝了跑浆现象,提高了砼表面及内在质量.

6结论

在U型渠道防渗衬砌工程中,灌区过去U型渠道断面设计外倾角为8.5°,在冻胀力作用下直线段易倾覆破坏的现象,近几年灌区在渠道改造中采用12°和15°的外倾角,在实践中试验、探索和总结,认为12°外倾角的U型渠道断面设计在灌区应用效果良好.近年来累计衬砌支渠48km,经过近十年运行管理,无一处发生内倾倒塌现象,大大提高了灌区渠系水利用系数及灌溉输水能力,节水效果十分显著.另外,12°外倾角的U型渠道断面设计,对提高防渗工程质量、加快施工进度,降低工程造价和提高工程效益起到了良好的作用,对提高灌区抗御自然灾害的能力、促进灌区农业结构调整和农业增产、农民增收,实现灌区水资源的合理配置,保障农村经济的可持续发展起到了一定的作用.

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