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摘要：針對高臺縣三清干渠CH23+066～26+674渠段穿越小海子水庫庫區，經方案比較，優選出適宜強凍脹和軟弱基土地層的正反拱箱形暗涵渠道方案；設計的正反拱拱箱形暗涵渠道經實踐應用，設計合理，抗凍脹性能強，推廣價值極為廣泛。

關鍵詞：箱形暗涵渠道設計

1工程概況

高臺縣友聯灌區位于河西走廊中部，屬黑河流域中游沿岸大型灌區之一，高臺縣三清干渠是友聯灌區主要的引水渠道。干渠從臨澤縣蓼泉鎮塘灣村處的黑河南岸開口引水，西至高臺縣駱駝城山水河，全長67.75km，設計流量3.90m3/s，加大流量4.90m3/s，控制灌溉面積6.74萬畝。同時承擔著小海子水庫1048.1萬m3和鮑家湖水庫447萬m3的蓄水任務。三清干渠始建于1975年，原為土渠運行，2001～2004年黑河流域近期治理項目中已完成三清干渠改建襯砌40.48km，干渠CH23+066～26+674渠段3.608km，因受小海子水庫除險加固工程施工及考慮小海子水庫調節灌溉等因素影響，未進行建設。

2.存在問題及工程建設原由

三清干渠CH23+066～26+674渠段地處小海子水庫北側，緊靠小海子水庫土壩布置。由于小海子水庫除險加固工程完成后，擴大了小海子水庫庫容，新建小海子水庫壩堤位于該段干渠下游，從而使三清干渠CH23+066～26+674渠段處在水庫中。在小海子水庫除險加固工程設計中，曾考慮廢除三清干渠CH23+066～26+674渠段，讓三清干渠上游引來的水進入小海子水庫，經水庫調節后輸出到下游三清干渠，以滿足灌溉需求。但經勘測后發現，三清干渠CH26+674處渠底高程為1365.156m（也即小海子水庫三清干渠放水洞洞底高程），而小海子水庫豐稔干渠放水洞高程為1362.0m（也即水庫庫底高程），相差3.156m。經計算，要滿足三清干渠從水庫引水，水庫水位高程必須達到1366.5m，此時水庫最大水深4.5m，相應庫容為240萬m3。同時，由于5～7月份黑河基本斷流，三清干渠通常只能引1～2m3/s黑河潛流，此時正是灌溉高峰期，灌溉用水量很大，水庫水位很難滿足三清干渠引水要求。若采用廢除三清干渠CH23+066～26+674渠段，經小海子水庫調節后輸出到下游三清干渠的方案，將造成在小海子水庫低水位時，三清干渠無法正常引水，而豐稔干渠則可盡情引水的局面。同時易造成各渠系分水不均矛盾，導致誘發社會不穩定因素的發生。若保證小海子水庫水位滿足三清干渠正常引水，水庫庫容需維持在240萬m3左右，該庫容將成為死庫容不能發揮應有的效益，小海子水庫的灌溉效益將銳減。

綜上所述，為了保證三清干渠正常引水，同時使小海子水庫的灌溉效益得到充分發揮，修建三清干渠CH23+066～26+674渠段是解決問題的關鍵。

3.工程設計

3.1抗凍脹設計

經地質勘察，三清干渠CH23+066～26+674渠段大部分座落在沙壤土層上，為凍脹性土層。高臺縣氣象局實測本區多年平均凍土深度為106cm，即標準凍深106cm。經計算，設計凍深值為陽坡85.3cm，渠底98.5cm，陰坡127.84cm，凍脹量為7.57cm。依據《渠系工程抗凍脹設計規范》（SL23-19）規定，凍脹量遠大于襯砌渠道的允許位移值，需從適應凍脹、回避凍脹、消減或消除凍脹等方面采用抗凍脹結構及工程措施。

根據工程級別、日照及遮蔭程度、地下水位埋深、渠道走向等因素，工程措施采用砂礫石置換凍脹基土，置換厚度為陽坡50～70cm，渠底60cm，陰坡60～95cm。抗凍脹結構措施采用設計方案比較優選。

3.2設計方案比選

根據對小海子水庫地形地貌和三清干渠渠線的勘查，三清干渠CH23+066～26+674渠段在渠線布置上有三種方案可進行比選。

方案一：渠線沿新建小海子水庫土壩外北側繞壩布置方案。該方案渠線長約4.5km，但因該段地勢低洼，地面高程低于渠頂設計高程約3～5m，屬全填方渠道，填方工程量大，且建成后渠基為柔弱地基，渠道沉降隱患大，對渠道長期運行不安全。

方案二：渠線沿小海子水庫外以南布置方案。該方案設計渠線自三清干渠CH18+925處沿原小海子水庫回水線以南進行布置，渠線長約7km。因該段渠線經過之地全部為沙丘，且地勢較高，屬全挖方渠道，挖方工程量大。同時受地形所限，渠線須兩次穿越312國道，渠線長，施工難度大，工程造價高。

方案三：沿原渠線布置方案。該方案設計渠線沿三清干渠原渠線布置，渠線平行于原小海子水庫土壩，穿越小海子水庫，渠線長3.608km。該方案渠基挖填適中，渠線短，工程量小，施工方便。但因穿越水庫，需充分考慮凍脹、穩定等影響因素。

經綜合分析比較，方案一安全隱患大，不宜采用；方案二渠線長，施工難度大，工程造價高，不經濟；方案三渠線短，工程量小，施工方便、經濟合理，較為理想。因此，渠線布置選擇方案三。

根據選定的渠線，抗凍脹結構措施采用以下三種設計方案進行比較優選。

方案A：梯形明渠襯砌方案

設計采用已建三清干渠梯形斷面結構形式，渠底為C15細粒砼砌石襯砌，厚度40cm；渠坡為C15砼預制塊襯砌，厚度8cm；采用砂礫石墊層置換凍土，根據抗凍脹規范計算，置換厚度為：渠底60cm，渠陰坡60～95cm，渠陽坡50～70cm。方案A特性見表1。

表1設計方案比選表

方案

方案一

方案二

方案三

結構形式

梯形渠道

玻璃鋼管渠道

正反拱箱形暗涵渠道

襯砌方式

C15砼預制塊和C15細粒砼組合襯砌

玻璃鋼管承插連接襯砌

C20鋼筋砼現澆襯砌

優點

防滲、抗凍脹、抗沖刷性能好，適宜于一般、中強凍脹區；施工工序較少，工程造價低。

耐腐蝕、抗老化，抗凍性能好，自重輕，壽命長，摩擦力小，輸水性能好。

采用弧底結構抗凍性能好，適宜于強、極強凍脹區和軟土地基層；自重大，穩定性好，施工簡便。工程造價適中。

缺點

水庫高水位時干渠將被庫水淹沒，渠岸易被庫水淘蝕沖毀；渠道抗凍脹能力差，易于凍脹破壞，使用年限短。

自重輕，在水中易漂浮，施工要求嚴格，工程造價高。

施工工序多，工程質量不易控制。

使用年限

30

30～50

30～50

每km投資

148萬元

363萬元

272萬元

方案評價

差

差

最優

方案B：玻璃鋼管襯砌方案

渠床的凍脹性屬于強凍脹的中型渠道，回避凍脹的結構措施應采用暗渠或暗管輸水，設計采用玻璃鋼管承插連接襯砌，管徑2.2m，管壁厚23mm。玻璃鋼管管身由連續的玻璃纖維不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂為基料，以石英砂及碳酸鈣為無機非金屬顆粒為填料壓制而成。方案B特性見表1。

方案C：正反拱箱形暗涵渠道方案

渠床的凍脹性屬于強凍脹的中型渠道，回避凍脹的結構措施應采用暗渠或暗管輸水，暗渠的埋置深度應等于或大于工程設計凍深。設計渠底采用反拱弧底、渠頂為正拱蓋板的正反拱箱形暗涵，底部設置非凍脹性土置換層。設計暗涵凈寬3.0m，凈高2.3m，內直墻高度1.3m；設計全部斷面采用C20鋼筋砼現澆結構，拱頂厚20cm，反拱弧底厚40cm，側墻厚30cm。采用砂礫石墊層置換凍土，置換厚度為：渠底80cm。方案C特性見表1。

根據對擬選的三個設計方案進行分析比較（見表1設計方案比選表），結論為：正反拱箱形暗涵渠道方案較方案一具有抗強凍脹、抗滑坡性能強，適宜軟土地基層和使用年限長等優點；較方案二具有自重大，穩定性好，施工簡便，工程造價低等優點。

綜上所述，三清干渠CH23+066～26+674渠段采用正反拱箱形暗涵渠道方案襯砌最為適宜。

3.3抗凍脹結構及強度設計

根據優選的正反拱箱形暗涵渠道，按照上下游渠道設計渠深確定的渠深為230cm，經計算，暗涵凈寬300cm。由于拱的矢跨比越大，拱腳水平推力越小，對于減小拱腳水平位移引起的應力越有利；本次設計取1/6，即拱矢高度為50cm。

反拱底板內彎矩較小，主要承受軸向壓力，因反拱底板跨度較小，反拱底板采用等截面圓弧拱，拱底厚度為40cm，拱頂厚度為20cm。

為保證三清干渠CH23+066～26+674渠段斷面結構設計的合理性，對三清干渠正反拱箱形暗涵斷面進行結構分析計算。按照實際情況，共分為以下四種工況：

a、第一種工況：箱形暗涵有水，庫中有水

b、第二種工況：箱形暗涵有水，庫中無水

c、第三種工況：箱形暗涵無水，庫中有水

d、第四種工況：箱形暗涵無水，庫中無水

在此只計算最不利的第三種工況：箱形暗涵無水，庫內有水。

1）內力計算

由于渠外坡土壓力比庫中水壓力下的多，只計算庫中水壓力產生的內力。

Mw=P水××h=17.689××1.9=11.2KN.m

M=γ0.ψ.Mw=1×1.0×11.2=11.2KN.m

2)配筋計算

由《鋼筋砼計算手冊》查附錄表，取砼保護層C=25mm（二類環境條件），估計鋼筋直徑d=10mm，則a=C+d/2=30mm，h0=h-a=300-30=270mm，板計算寬度b=1000mm。

αs===0.01914

ζ===0.01932＜ζb=0.614（截面尺寸和砼強度滿足要求）

AS=fc.ζ.b.h0/fy=10×0.01932×1000×270/210=242mm2

ρ=AS/b.h0=242/（1000×270）=0.091%＜ρmin=0.15%

根據以上計算得，截面尺寸和砼強度滿足要求，只需按要求配構造筋，受力縱筋選用φ30@300；箍筋選用φ8@300（@300表示每兩根鋼筋中心的距離為300mm）。三清干渠屬嚴寒地區過水渠道，根據規定混凝土強度設計為C20,抗凍標號為D100，抗滲標號為S4。

3.4抗滑穩定性分析

為保證三清干渠的穩定性，對三清干渠CH23+066～26+674渠段斷面進行了穩定分析計算。

1）外力計算

箱形暗涵共受到四項外力，其中箱形暗涵自重和渠外坡土壓力為永久外力，而箱形暗涵中水自重和庫中水壓力為可變外力，下面分別計算。

①箱形暗涵自重：

標準值：gk渠=γv=24×（3.8×0.4+3.8×0.2+1.8×0.3×2）=80.64KN/m

設計值：g渠=γGgk=1.05×80.64=84.67KN/m

②箱形暗涵中水自重：

標準值gk水=γv=9.8×（1.02×2+3×1.3）=50.27KN/m

設計值g水=γQgk=1.2×50.27=60.32KN/m

③箱形暗涵外坡主動土壓力

標準值Pk土=0.5γKa=0.5×16××=8.7KN/m

設計值P土=γGPka土=1.05×8.7=9.14KN/m

④庫中水壓力

標準值Pk水==0.5×9.8×1.9×1.9=17.69KN/m

設計值P水=γQPk水=1.2×17.69=21.22KN/m

2)穩定計算

根據實際情況，箱形暗涵渠底與砂礫石墊層摩擦系數f取0.45，抗滑穩定安全系數ks為1.3，共分為以下四種工況：

a、第一種工況：箱形暗涵有水，庫中有水

ks===5.4＞1.3

b、第二種工況：箱形暗涵有水，庫中無水

ks===6.59＞1.3

c、第三種工況：箱形暗涵無水，庫中有水

ks===3.15＞1.3

d、第四種工況：箱形暗涵無水，庫中無水

ks===4.16＞1.3

綜合上述計算分析，在四種工況下，箱形暗涵都穩定。

3.5設計成果

三清干渠CH23+066～26+674渠段長3.608km，控制灌溉面積6.74萬畝，設計流量為3.90m3/s，設計正常水深1.5m，加大流量為4.90m3/s，設計縱坡1/3300。設計為正反拱箱形暗涵渠道，暗涵凈寬3.0m，凈高2.3m，內直墻高度1.3m，設計超高取0.8m；設計全部斷面采用C20鋼筋砼現澆結構，拱頂厚20cm，反拱弧底厚40cm，側墻厚30cm。采用砂礫石墊層置換凍土，置換厚度為：渠底80cm。伸縮縫每9米設置一道，伸縮縫材料采用預埋環型橡膠帶止水，以適應沉陷變形和防止漏水。

為考慮今后檢修方便，在樁號26+666、27+266、28+266、28+466頂部設檢修孔，檢修孔采用鋼筋砼預制蓋板加橡皮止水，以防水庫水進入渠內。

三清干渠暗涵左岸可用壤土填至與渠頂齊平，寬度2～3m；右岸岸頂寬度1.5m，用干砌塊石護岸坡，以防止水庫水淘空渠低。

4結語

正反拱箱形暗涵渠道具有防滲、抗凍脹、抗沖刷性能較好，整體性穩定性較強，適宜于強、極強凍脹區和軟土地基層；具有施工工序少，工程造價適中等優點。實踐應用表明，正反拱箱形暗涵對解決軟土地基不均勻沉陷、強凍脹基土對渠道凍脹破壞等具有十分顯著的效果，推廣價值極為廣泛。