摘 要:渠道衬砌防渗措施有很多,本文根据潘庄灌区的具体情况通过方案比选,选择优胜方案进行优化设计,为同类工程设计提供了可借鉴的经验。
关键词:渠道衬砌 防渗措施 方案比选 优化设计
1、工程概况
潘庄引黄灌区位于德州市西部,东邻李家岸引黄灌区,南靠黄河,与济南市隔河相望,西部与聊城市接壤,西北部及北部以卫运河、漳卫新河为界与河北省相毗邻。控制土地面积5851km2,设计灌溉面积500万亩。
灌区总人口324.7万人,其中城镇人口86.3万人。工农业总产值435.1亿元(1990年不变价,下同),其中:工业总产值328.5亿元,农业总产值106.6亿元。国内生产总值259亿元。
潘庄灌区是鲁北主要粮棉生产基地,在德州市国民经济和社会发展中占有十分重要的地位。铁路、公路四通八达。京沪、德石、济邯铁路和京福高速、济聊高速、青银高速、104、105国道纵横分布,交通便利。地理、自然资源条件优越,具有巨大发展潜力。
潘庄引黄灌区于1972年建成启用,设计灌溉面积500万亩,设计流量124m3/s,属大型引黄灌区。承担德州市德城区、武城、夏津、平原、陵县、宁津、禹城、齐河八个县(市、区)农业灌溉以及德州市生活用水和华能德州电厂、华鲁恒升集团供水。年平均引黄水量9.5亿m3,取得了十分显著的经济效益和社会效益。随着社会经济的发展,对水的需求量逐年增加,而黄河来水近年来呈逐渐减少趋势,灌区水资源供需矛盾日益突出,因此,灌区迫切需要进行挖潜改造建设,实施节水改造工程。
2、现有渠道衬砌措施
目前渠道防渗的工程措施很多,按防渗材料可分为土料、水泥土、石料、混凝土和沥青混凝土、沥青玻璃纤维布油毡及塑料薄膜等,各种防渗材料的特点、适用条件、使用年限、防渗效果等都不相同。
土料防渗包括粘土夯实、灰土、三合土、粘砂混合土等防渗措施。土料防渗效果较好,技术较简单,易于为群众掌握,造价低,但抗冻性、耐久性差,防冲性能差,允许流速低,质量不易保证,不适于机械、水力清淤及缺乏粘土资源的灌区。
水泥土防渗是利用土料、水泥和水拌和而成的材料作为防渗材料的一种防渗措施,防渗效果较好,施工较简单,造价较低,但早期强度和抗冻性较差,适于气候温和地区的3~5级渠道衬砌,对耐久性要求较高的明渠,宜用塑性水泥土,表面再用水泥砂浆、混凝土预制板、石板等做保护层。
砌石防渗抗冻、抗冲、耐磨、耐久性较好,使用年限较长,具有较强的稳定渠道作用,施工较简便,但不易采用机械化施工,施工质量较难控制,影响防渗效果,造价相对较高,适用于石材来源丰富的地区。
混凝土防渗是利用预制、现浇或喷射混凝土衬砌渠道的一种防渗措施,具有防渗效果好,抗冻、耐久性好,糙率小,允许流速大,强度高,便于管理,适应性广泛的优点,但适应变形能力差。
塑膜防渗是利用塑料薄膜、复合土工膜等土工织物等来减小或防止渠道渗漏损失的技术措施,防渗效果好,适应变形能力强,质量轻、用量少、施工简便,工期短,造价低,耐腐蚀性强,有保护层时,只要精心施工,确保质量,保护层完好,其使用寿命可达30年以上,土工膜料防渗常用于有保护层的防渗结构,保护层一般采用土料、混凝土等。
3、渠道衬砌方案比选
拟定五种方案进行比较:
方案一:土料防渗加混凝土预制板衬砌。全断面土料防渗,渠坡采用混凝土预制板,两边坡水位变化区均设聚苯乙烯泡沫板保温。坡脚采用浆砌石条形基础,坡顶混凝土预制板。
方案二:水泥土防渗加混凝土预制板衬砌。全断面水泥土防渗,渠坡采用混凝土预制板,两边坡水位变化区均设聚苯乙烯泡沫板保温。坡脚采用浆砌石条形基础,坡顶混凝土预制板。
方案三:浆砌方块石加塑料薄膜衬砌。厚18cm的浆砌方块石下铺设塑料薄膜,对渠道进行全断面衬砌,砌石与塑料薄膜间铺设素土垫层,垫层厚15cm,坡脚采用浆砌石条形基础,坡顶采用浆砌方块石。
方案四:浆砌块石衬砌。厚30cm的浆砌块石对渠道进行全断面衬砌,坡脚采用浆砌石条形基础,坡顶采用浆砌方块石。
方案五:复合土工膜防渗加混凝土预制板衬砌,全断面复合土工膜防渗。渠坡采用混凝土预制板,混凝土板下铺设复合土工膜,两边坡水位变化区均设聚苯乙烯泡沫板保温。坡脚采用浆砌石条形基础,坡顶混凝土预制板。
根据本工程的特点,方案比较主要考虑的指标有:①工程造价;②防渗性;③抗冻胀性;④耐久性;⑤稳定性;⑥施工难易程度及工期;⑦管理运行。
根据各指标在本工程中的重要性,进行级差量化处理,分值最高的方案即为最佳方案。各方案分值计算结果见下图。
经计算,方案五分值最高,结合灌区的实际情况,决定采用复合土工膜加混凝土预制板衬砌方案。
4、潘庄灌区渠道衬砌优化设计
(1)断面型式:梯形
(2)边坡:渠道原设计边坡为1:3,根据渠道的土壤岩性,考虑输沙渠含沙量较大,水流速度较快及水流条件较复杂等原因,衬砌边坡按A(1:2.5)和B(1:3)进行方案比较,从边坡稳定上分析,由于工程设计上设置了坡脚齿墙,故抗滑稳定计算两方案均满足要求;从投资上分析A方案较B方案可节省坡面衬砌长度1.79m,但增加回填土方量9.3m3,投资相差为混凝土板减少投资164元/m,增加回填土投资207元/m;从工程总体安排上分析,由于渠道衬砌工程是续建工程,B方案符合规划,连接顺畅, A方案变边坡则需增加渐变坡段;从输水水流角度分析,A方案较B方案造成连接段水流变化产生局部紊流,对渠道不利;从渠道堤防角度分析,A方案较B方案变边坡后,不仅影响到渠道边坡稳定也影响到堤防,出现缩堤;从沿岸建筑物角度分析,变断面后,建筑物应相应进行调整。因此,综合考虑,衬砌段渠道边坡仍采用1:3。衬砌顶以上堤防土坡边坡为1:3。
(3)渠道糙率:因总干渠为综合防渗,边坡采用砼板衬砌,河底为塑料薄膜上加土料保护层设计方案,砼板糙率取0.017,土底糙率取0.0225。因此渠道糙率应为综合糙率。因为渠底糙率大于边坡糙率,所以采用加权平均法进行计算。计算公式为:
式中:nr为砼板糙率,取0.017;
x1为砼板衬砌长度,根据本段边坡和水深计算,输沙渠为17.71m,总干渠为12.52m;
n2为渠底糙率,取0.0225;
x2为渠底宽长度,本段总干渠输沙渠底宽为45m,总干渠底宽为31m;
计算得综合糙率为:输沙渠为0.021,总干渠为0.021。
(4)衬砌顶高程:
根据《灌溉与排水工程设计规范》GB50288-99,输沙渠的加大流量系数为10%,该段渠道的设计流量为124m3/s,加大流量为136.4m3/s。
衬砌顶高程=渠道设计水位+安全超高
按照规范要求,并考虑泥沙淤积的影响,安全超高取1.0m。
衬砌顶高程通过渠道加大流量进行复核。经复核,满足要求。
(5)纵断面设计
山东省水利勘测设计院编制的《潘庄引黄灌区续建配套与节水改造规划报告》进行了渠道纵断面调整,且符合实际情况,本次不再进行调整,仍采用1/5000。
5、结语
本文通过渠道衬砌方案比选,根据灌区具体情况选择优化方案无疑将产生较好的经济社会效益。
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