藺紅軍 馬向紅

（1.鳳翔縣水土保持工作站 陜西 鳳翔 721400；2.鳳翔縣城關(guān)鎮(zhèn)水務(wù)管理站 陜西 鳳翔 721400）

灌區(qū)是河庫等水源工程發(fā)揮灌溉效益的末級(jí)水利設(shè)施，渠道是灌區(qū)水利設(shè)施重要的主體工程。U形斷面渠道具有防滲效果好，水力條件優(yōu)，技術(shù)更合理，抗破壞能力強(qiáng)，占地少，省工省料等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)踐中已被廣泛應(yīng)用?；〉滋菪螖嗝媲朗腔诖骍形斷面渠道的下部圓弧部分和大梯形斷面渠道的上部結(jié)構(gòu)而形成的一種特殊斷面形式的渠道，在灌區(qū)U型渠道改造中普遍使用。

東風(fēng)水庫灌區(qū)建成于1972年，為中型灌區(qū)，總灌溉面積6.86萬畝，由兩條干渠輸水，兩條干渠設(shè)計(jì)流量均為2m3/s。干渠均為梯形斷面，砼預(yù)制板襯砌，經(jīng)過40多年的運(yùn)行后急需更新改造。2005年后逐步對(duì)兩條干渠進(jìn)行了改造，改造后的渠道斷面均為弧底梯形，至今運(yùn)行情況良好，節(jié)水效益顯著。本文以此為例，就弧底梯形渠道橫斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工技術(shù)作一探討。

1 U形斷面的選定

U形斷面的形式，可根據(jù)渠道設(shè)計(jì)流量、底部圓弧特征和上部直線的坡比選定：

當(dāng)設(shè)計(jì)流量小于1m3/s或傾角在20°以內(nèi)時(shí)，選擇U形斷面，常用傾角9°、12°、14°；

當(dāng)設(shè)計(jì)流量在1m3/s～3m3/s或傾角大于30°時(shí)，選擇弧底梯形斷面或U形大傾角斷面，常用傾角45°；

當(dāng)設(shè)計(jì)流量大于5m3/s或地形地質(zhì)條件要求寬淺式渠道時(shí)，選擇弧底梯形斷面。

圖1 弧底梯形渠道橫斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

東風(fēng)水庫灌區(qū)地處黃土臺(tái)塬區(qū)，地勢(shì)起伏不大，灌區(qū)基本平整，土層以黃土為主。干渠工程（以下稱東風(fēng)干渠）坐落在黃土層上，地基良好。干渠上段為填方，下段為半挖半填狀。根據(jù)其設(shè)計(jì)流量，渠道更新改造工程橫斷面選擇弧底梯形斷面。

2 弧底梯形渠道橫斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)測(cè)確定原梯形橫斷面

原梯形渠道由于運(yùn)行已久，橫斷面往往發(fā)生不同程度的變形，其底寬、口寬、高度與原設(shè)計(jì)一般都有5%左右的偏差，需重新復(fù)測(cè)來確定原梯形橫斷面尺寸。方法是：每50m～100m測(cè)定一個(gè)斷面，然后取其平均值或取其出現(xiàn)概率較大的尺寸，并與原設(shè)計(jì)相比較，重新確定橫斷面，以使新設(shè)計(jì)的弧底梯形斷面渠道最大程度地與現(xiàn)狀渠道相符合，保證改造工程設(shè)計(jì)合理，易施工。經(jīng)復(fù)測(cè)，東風(fēng)干渠原梯形橫斷面尺寸為：底寬1.15m，渠深 1.25m，坡比 1∶1，底角 135°，斷面面積2.7m2。

2.2 確定弦深比

弧底梯形渠道橫斷面理論設(shè)計(jì)的合理性，可以用弦深比表示：

式中，Kb——弧底梯形渠的弦深比；

b——弧底梯形渠的弦長(zhǎng)（m）；

H——弧底梯形渠的設(shè)計(jì)最大水深（m）。

當(dāng)水面線（水深）剛好通過弧底圓心時(shí)，設(shè)計(jì)的斷面即為最佳水力斷面。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)梯形邊坡系數(shù)m(1∶m)為常用的0.5與1.0時(shí)，其弧底梯形渠的最佳Kb值分別為1.79和1.41，最大允許值分別為3.22和3.25。Kb值愈大，則渠道斷面愈寬淺，斷面過水能力愈差。

2.3 確定圓弧尺寸

原梯形渠道更新改造成弧底梯形渠道時(shí)，因?yàn)橐劳性菪吻膊桓淖冊(cè)菪纹卤?，所以?shí)際設(shè)計(jì)中必須抓住“一個(gè)中心、三個(gè)切點(diǎn)”。一個(gè)中心就是原渠道的中心線，三個(gè)切點(diǎn)即原梯形渠底的中點(diǎn)，擬設(shè)圓弧與原梯形渠斜邊的兩個(gè)交點(diǎn)。擬設(shè)弧底梯形渠道圓弧的圓心必定在原梯形渠道的中心線上，即原渠底邊的垂直平分線上，圓弧底部的中點(diǎn)必定在原梯形渠底邊的中點(diǎn)上，圓弧上部?jī)蓚€(gè)端點(diǎn)（圓弧與原梯形斜邊交點(diǎn)）必定與原梯形斜坡緊切，即所設(shè)計(jì)的圓弧必須與原梯形的這三點(diǎn)相外切。這樣，經(jīng)分析推導(dǎo)，新設(shè)計(jì)的弧底梯形渠道的橫斷面尺寸公式為：

式中，R——設(shè)計(jì)圓弧半徑（m）；

B——原梯形渠底寬（m）；

α——設(shè)計(jì)圓弧包心角（度），一般在100°左右；

m——原梯形坡比（1：m）；

θ——原梯形渠底角（度）。

h——新設(shè)計(jì)渠道襯砌超高，當(dāng)流量為1m3/s～10m3/s時(shí)，取 0.2m～0.35m。

由此看來，原梯形渠底與邊坡尺寸是圓弧設(shè)計(jì)的決定因素，渠底與邊坡尺寸愈大，設(shè)計(jì)的圓弧愈大，反之愈小。這樣設(shè)計(jì)的圓弧與原梯形斜坡過度自然，銜接平順，符合實(shí)際需要。當(dāng)圓心高度確定后，據(jù)此可設(shè)計(jì)最佳設(shè)計(jì)水深，達(dá)到最佳水力斷面的理論要求。如果設(shè)計(jì)半徑較大，則要削減原梯形渠道，增加土方開挖量；如果設(shè)計(jì)半徑較小，則要回填土，增加土方填筑，既不經(jīng)濟(jì)也不合理。

根據(jù)上述公式，計(jì)算得東風(fēng)干渠的R為1.39m，α 為 90°，b為 1.96m。

2.4 斷面復(fù)核

底部圓弧設(shè)計(jì)好后，渠深等尺寸可按原渠不變，即可進(jìn)行斷面水力計(jì)算，復(fù)核流量。由于圓弧水力條件好，新設(shè)計(jì)的弧底梯形渠道的過水能力一般要比原梯形渠稍大，這時(shí)可不改變?cè)揽偢叨龋m當(dāng)降低渠道襯砌高度，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理，費(fèi)省效宏之目的。東風(fēng)干渠更新改造后的弧底梯形斷面尺寸最終確定為：圓弧半徑1.4m，包心角90°，弦長(zhǎng)2m，渠深1.45m（含超高0.2m），最大設(shè)計(jì)水深1.4m，弦深比1.6，符合最佳水力斷面要求，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

3 施工技術(shù)

東風(fēng)干渠更新改造工程在襯砌施工中，主要把握好以下關(guān)鍵技術(shù)：

3.1 土方施工做到“清、實(shí)、正”

渠道改造工程必須依靠原渠道固有基礎(chǔ)，同時(shí)也為了節(jié)約工程投資。土方施工是在原有渠道梯形土方基礎(chǔ)上進(jìn)行，一般采用“椽幫堰”技術(shù)，做到“清、實(shí)、正”。清，就是要清基，掌握一個(gè)“凈”字。原預(yù)制板拆除后，要將渠道內(nèi)雜草、雜物清除干凈，原土鏟除10cm厚，必要時(shí)建臺(tái)挖槽，使新老土緊密結(jié)合。實(shí)，就是土方夯實(shí)要達(dá)標(biāo)，掌握一個(gè)“實(shí)”字。新土回填總高度控制在2/5渠高即可，即圓弧段高度內(nèi)。這部分土方采用大面積人工夯實(shí)或機(jī)械碾壓，須分層碾壓，分層厚度15cm～20cm，干容重必須達(dá)到1.55g/cm3以上。剩余上部3/5高度內(nèi)兩側(cè)土方使用下部圓弧段刻槽后的棄土，不足部分另拉新土，施工方法用椽幫堰，人工夯實(shí)。正，就是土渠形狀要標(biāo)準(zhǔn)，掌握一個(gè)“正”字。渠道土方夯實(shí)后，就要刻制成設(shè)計(jì)尺寸的U形土渠槽?？墒孪扔帽忤F或圓鋼做一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的U形土渠試模，以渠道中心線控制偏直度，用渠道高程控制比降，直到刻制修整的U形土渠槽與標(biāo)準(zhǔn)試模完全吻合為止。

3.2 砼施工把好模具關(guān)和振搗關(guān)

3.2.1 施工模具

施工砼呈流態(tài)狀，要想將其固結(jié)成為特有的工程形狀，必須制作一套適用的模具。實(shí)踐中有兩種模具施工法，一種是內(nèi)外模人工施工法，另一種是滑模半機(jī)械施工法。

內(nèi)外模施工就是用角鋼各制作一套內(nèi)模（擋頭）和外模（擋頭），外模邊線尺寸與U形土渠槽尺寸一致，內(nèi)模邊線尺寸與設(shè)計(jì)U形渠內(nèi)徑尺寸一致，內(nèi)外模（擋頭）之間用窄面建筑鋼模板（寬 10cm～15cm，長(zhǎng) 150cm）作面板。實(shí)際施工中采用隔塊跳倉澆筑法，即先用外模隔塊跳倉（跳倉長(zhǎng)度135 cm～140cm）澆筑砼U形渠段，等外模澆筑的U形渠凝固成形后，再用內(nèi)模填空澆筑。此法適用于中小口徑且傾角在15°以內(nèi)的U形渠道（斗渠及以下）砼襯砌，以人工施工為主，群眾易掌握，方便靈活，模具成本小，增加模具數(shù)量即可開設(shè)較多的工作面，施工質(zhì)量也較好，但模具需頻繁拆卸安裝，重復(fù)工序多，進(jìn)度較慢。

滑模施工法就是制作一套完整的全斷面U形鋼模具，利用傳動(dòng)系統(tǒng)將鋼模具沿兩邊渠堤邊施工邊向前拉動(dòng)滑行，一次性澆筑成型砼的一種施工方法。模具骨架以角鋼為主，面板用整片薄鋼板制作。此法人工、機(jī)械結(jié)合施工，砼澆筑速度快，施工質(zhì)量好，模具攤銷成本小，不用頻繁拆卸安裝，但模具制作要求高，一次性成本高，對(duì)施工人員操作要求高，適用于渠道口徑大，內(nèi)坡比較大的弧底梯形渠道。但不論采用哪種模具進(jìn)行施工，模具制作都要正規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，滿足剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性三要求。材料以角鋼、圓鋼、鋼板為主，制作工藝要精細(xì)，尺寸準(zhǔn)確，誤差小，細(xì)部精確。

東風(fēng)干渠2005年初期改造時(shí)，由東風(fēng)水庫灌溉管理處組織施工，采用的就是內(nèi)外模人工施工法。2008年后，灌區(qū)干渠進(jìn)入全面改造期，由縣水電建筑公司施工，他們采用滑模施工法，既提高了工程質(zhì)量，又保證了工程進(jìn)度。

3.2.2 砼澆筑

不論采用哪種施工模具，砼澆筑除按設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)嚴(yán)格拌制外，澆筑時(shí)都要把好振搗關(guān)。振搗必須密實(shí)，先底部后兩側(cè)，分層振搗，達(dá)到原漿收面。小斷面渠道以人工用鋼釬振搗為主，大斷面渠道用振搗器振搗，底部圓弧段用平板振搗器振搗，坡面段用插入式振搗器振搗，邊角、切點(diǎn)處要加強(qiáng)振搗。振搗時(shí)模具要固定牢靠，必要時(shí)加砂袋壓重，切忌使模板“上浮”或“鼓肚”。同時(shí)，掌握好拆模時(shí)間，一般在砼初凝后，以不粘結(jié)、很利索、不影響砼質(zhì)量為準(zhǔn)。

3.3搞好渠道整修

砼澆筑完后，發(fā)現(xiàn)有漏石、蜂窩、麻面、鼓肚的地方，要及時(shí)修補(bǔ)處理?？设彸?，用高標(biāo)號(hào)水泥砂漿抹面，木抹打搓，后用鋼模壓光收平；渠口不平不直，可加做砼渠沿，即“封頂戴帽”；兩側(cè)渠堤培土整修，達(dá)到面平線直，有超高，寬度夠，外坡均勻。

4 結(jié)論

灌區(qū)渠道改造基于原有基礎(chǔ)，一般不改變?cè)啦贾煤驮O(shè)計(jì)流量，弧底梯形斷面渠道最適合于已成灌區(qū)中較大梯形渠道的更新改造，它具有與原梯形渠道符合性好，節(jié)省工程量（尤其是土方），水力條件優(yōu)，投資省的特點(diǎn)。實(shí)際設(shè)計(jì)中只要把握住“一個(gè)中心、三個(gè)切點(diǎn)”，優(yōu)化圓弧設(shè)計(jì)；施工中把好土方和砼澆筑關(guān)，就能取得理想的改造效果，使渠道面貌煥然一新，投入運(yùn)行，繼續(xù)發(fā)揮效益。陜西水利