水库灌区渠系及渠系建筑物优化设计要点

水库灌区渠系及渠系建筑物优化设计要点

广东省水利水电科学研究院广东广州510610

摘要:针对黄铜降水库灌区地形地貌、地质条件较复杂,沿线部分渠段边坡稳定性较差、易形成高陡边坡等问题,经现场踏勘结合河渠交叉建筑物方案比选原则,综合考虑工程占地、施工难度及工程投资等因素,优选渠系整体布置方案和渠系建筑物结构形式。经水力计算、应力计算等论证分析,结果表明渠系建筑物结构、型式、过流能力和防洪特性等,均满足SL482-2011等规范要求,优化设计方案具有较高的技术可行性和经济合理性。

关键词:水库灌区;渠系;渠系建筑物

0概况

黄铜降水库灌区位于德庆县莫村镇,距德庆县城66.5km,设计灌溉面积1.10万亩,属一般中型灌区,工程等别为Ⅲ等。灌溉范围主要涉及莫村镇,包括前锋村、曙光村,古有村、光明村、益村村和双栋村等行政村。灌区境内属丘陵地带,地势北高南低。

灌区位于悦城河上游,清水河、浊水河及悦城河干流的两岸,灌溉主要水源为黄铜降水库、黄惊坑水、悦城河、清水河、浊水河及区间集水。灌区农田为冲陇田、狭长形,主要种植水稻、柑橘、桑树、蔬菜等农作物。根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-99),渠道及灌排建筑物级别为5级,防洪标准为10年一遇。

黄铜降水库是中型水库,坝址位于悦城河上游清水河,集水面积25.8km2,总库容1542万m3,正常库容1020万m3,死库容96万m3,灌溉农田面积6500亩。大坝为均质土坝,最大坝高42.00m,坝顶高程486.50m,电站装机共9台机组,总容量5220kW。

1渠道及建筑物工程设计

1.1渠(沟)道纵断面设计

根据工程现有渠道的现状,本次设计,渠线布置基本保持原有渠线,对于现有渠道弯窄,需要拓宽渠道的渠段,或渠道急转或渠道突然收窄或扩宽的渠段,为保证灌溉水流条件,减少水流的阻力以及水头损失影响,适当调整渠道的走向,顺沿现有渠道的走势,以确保灌溉用水。

1.2渠(沟)道横断面设计

根据可研成果批复,黄铜降水库灌区改造工程对原有渠道进行防渗加固处理,全长13.886km,渠道沿悦城河两侧进行布置,根据各段渠道运行情况,结合渠道纵横断面,尽量少挖少填,适当清淤修整边坡,过水断面基本采用矩形和梯形断面,分段确定渠道的横断面。

(1)渠(沟)道改造措施及横断面形式

本设计以渠道节水防渗改造为重点,在保持现有断面形式的基础上,对渠道进行清淤及提高渠道衬砌率,提高灌排水利用系数和输水环节的水利用系数,改造后渠系水利用系数提高至0.65。

针对渠道现状及存在的问题,本次设计主要提出以下工程措施:渠道全段清淤、防渗衬砌。防渗结构应根据当地的气候、地形、土质、地下水等自然条件,渠道大小、输水方式、防渗标准、耐久性等工程要求,水资源条件、地表水和地下水结合运用情况,土地利用、材料来源、劳力、能源和机械设备供应情况等社会经济和生态环境因素,进行技术经济论证选定。

选定防渗结构应贯彻因地制宜、就地取材的原则。并应满足下列条件:(1)防渗效果好,最大渗漏量不超过规范允许值。(2)经久耐用,使用寿命长。(3)输水能力和防淤抗冲能力高。(4)施工简易,质量容易保证。(5)管理维修方便,价格合理。

本次设计拟在干渠沿程结合路缘石设置百米桩,百米桩尺寸为(长×宽×高)0.15m×0.12m×0.55m,埋入土深0.3m。

(2)渠道边坡

外坡为1:1,渠道边坡内坡基本为1:0.5,局部地段因倒塌等原因造成变形,应作适当修整。挖、填方渠道边坡系数根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-99)“6.1.19~6.1.22”中的规定确定;排水沟边坡系数根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-1999)“7.1.10~7.1.11”中的规定确定。

(3)渠顶高程、安全超高及衬砌超高

渠道岸顶超高根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-99)确定。4、5级渠道岸顶超高按下式计算确定。

现状渠顶超高不满足规范要求的,将渠堤进行加高,现状渠顶超高高于规范要求的,则维持现状渠提高程不变。为施工方便,在满足规范超高要求的基础上,根据渠道沿线地形情况采用统一超高值。

(5)渠顶宽度

由于灌区渠道两侧绝大部分为农田,征地难度很大,在征求业主及村民意见后,本次不进行检修道路设计。

(6)防渗衬砌形式及糙率n确定

灌区的渠道基本上为土渠,经过几十年的运行,已有不同程度的损坏,所有渠道均存在渗漏现象;部分渠段的渗漏量相当大,渠系水利用系数相当低。根据运用要求及现状,对需进行改造的渠道进行衬砌。

根据规范要求,对渠道衬砌须进行技术经济比较。根据运用要求及现状,拟初步提出如下衬砌方案,本次比较选取沙尾干渠K1+200处渠道衬砌形式进行方案比选:

方案一:浆砌石方案,即设浆砌石明渠厚40cm。由于该衬砌型式施工简便,耐久性好,具有一定优势。但其防渗效果不易保证,难于符合本工程对防渗提出的要求。且对石料需要量大,料场难于满足要求。

方案二:埋铺式塑料薄膜方案,用选用塑料防渗膜料做防渗底层,上设20cm砂粘土保护层。该衬砌型式防渗效果较好,重量轻,运输量小,造价相对低,但塑料薄膜对水体会造成污染,且土面层糙率大;且工程部分堤段鼠害较为严重,衬砌容易受破坏,使用年限较短,维修管理不便。

方案三:现浇混凝土方案,设C20混凝土衬砌厚15cm。该衬砌型式适用范围广,防冲防渗、耐久性好,使用年限较长(30~50年)。

现将各方案情况见表1。

由上表可知,方案一最不可取,故舍去。方案二造价方面具有较大优势,但本地区部分地段田鼠较为猖獗,对衬砌危害大,影响使用寿命。且施工前对基层要求较严格,相应会增加部分投资。方案三虽造价相对较高,但其施工简便,维修管理方便,应用范围广。所以本阶段选用混凝土衬砌方案。由于梯形断面工程占地较大,施工难度也较高,现状渠道多以矩形为主,结合德庆实际,渠道应尽量减少占地,避免出现新增用地。本次设计渠道主要采用矩形断面,因浆砌砖渠道施工较简单且造价较低,对于断面高度小于1m的渠道拟采用浆砌砖结构。当渠道高度大于或等于1m,浆砌砖因强度相对较小,结构稳定性较差,渠道耐用性差,而预制混凝土衬砌方案占地较大,且运输、安装难度大,占地较多,因此本方案也不采用预制混凝土衬砌方案。C20混凝土衬砌方案虽造价略高,但有整体性好,强度大,经久耐用,维修费用少,固当渠道高度大于或等于1m时,采用方案二进行设计。对于局部拓宽且现状为梯形断面的渠段,为避免大的开挖和回填及傍山渠道的稳定,采用方案三进行设计。

2水库灌区边坡稳定要求

以西干渠为例,K3+270~K3+700段和K4+700~K5+300段为傍山渠道,存在高边坡,边坡高度约2~5m,现状边坡没有坍塌现象,为确保边坡稳定,衬砌时避免对高边坡处进行开挖,先对西干渠K3+270桩号进行边坡稳定复核计算。由地质勘察资料可知,断面图层为素填土(C=23.7kp,ψ=15.1°),采用北京理正软件设计研究院有限公司开发的“理正边坡稳定分析软件”进行分析计算,考虑条块间作用力,强度计算采用有效应力法。经计算,西干渠K3+270桩号边坡稳定安全系数为2.182,大于1.20,渠道边坡满足稳定要求。2)受弯构件的抗弯抗剪计算

按《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)的规定,渠道侧墙为混凝土结构,暂按素混凝土构件(C20)进行计算,受弯构件正截面承载力公式为(7)渠道边坡稳定计算。

式中:

V—剪力设计值;

ft—混凝土轴心抗拉强度设计值,N/mm2;

b—截面宽度;

z—内力臂,当截面为矩形时取z=2h/3。

取不利断面(西干渠K2+500桩号)为例,素混凝土垂直挡墙选择最不利工况为渠内无水单侧受土压力的情况,贴坡式素混凝土最不利工况为渠内为设计水位单侧受土压力的情况,按以上公式复核侧墙底端的弯矩和剪力值分别为9.23kN?m和18.25kN?m。经计算,允许弯矩和剪力值分别为17.70kN?m和183.33kN?m,因此,需配置构造筋。

5.4.3渠系建筑物

(1)渡槽

两个渡槽均为原址上重建。1#渡槽跨越悦城河,引黄铜降三级站尾水对高阳干渠进行灌溉,总长107.4m,根据1:10000测量图和现场调查,高阳干渠灌溉面积500亩,灌溉设计流量0.067m3/s,加大流量为0.086m3/s,渡槽断面尺寸为(宽×高)0.4m×0.5m,坡度为6‰,槽身为C25钢筋混凝土矩形结构。糙率取0.018,相应设计水位为0.186m,加大水位为0.223m,满足过流能力。1#渡槽采用等跨间距9m的单排架共12跨,矩形渡槽采用简支。上游连接段3m,下游连接段2m,1#墩、2#墩和12#墩采用埋石混凝土结构,其他墩采用C25钢筋混凝土结构。

2#渡槽为东干渠跨越小河沟的过水渡槽,起始桩号为K4+491,长6m,共1跨。断面尺寸(宽×高)为1m×0.8m,灌溉设计流量为0.073m3/s,灌溉加大流量为0.095m3/s,坡降0.1‰,相应设计水位为0.366m,加大水位为0.446m。槽墩采用C20埋石混凝土,槽身采用C25钢筋混凝土结构。

因1#渡槽跨度长且墩高较大,设计难度大于2#渡槽,本设计以1#渡槽为例进行结构分析计算。详见《黄铜降水库灌区续建配套与节水改造工程水文水利及结构计算书》,经计算,渡槽结构设计满足要求。

(2)桥涵

灌区经过多年运行,很多涵洞淤积、堵塞严重,需要进行清淤处理。其中有10座老化塌方严重,影响过流能力,需要拆除重建。涵洞均采用C25钢筋混凝土结构,本工程共改造涵洞101m。

涵洞过流能力计算按《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-99)附录P无压力流短管公式进行计算:

m——无压力流时流量系数;

B——涵洞底宽,;

H0——计及流速水头的涵洞进口水头,m;

Aj——进洞水流的过水断面面积,m;

Ah——相应于涵洞进口水深的过水断面面积,m2;

Ak——相应于临界水深的过水断面的面积,m2;

Hk——洞内临界水深,m;

Q——涵洞设计流量(m3/s)。

以涵洞1为例,管涵直径为φ1m,涵洞上游水深取0.132m,计算涵洞过流能力为0.858m3/s,大于西干渠加大流量0.131m3/s和排洪流量0.311m3/s。

(3)陡坡

本次灌区计划改造跌水3座、陡坡1座。跌水分别位于西干渠K4+700、K5+300和K5+700处,均为原址重建。地基基础为中粗砂层,3个跌水均采用单级跌水结构,落差均为2.6m,进口连接段、控制缺口、消力池和出口连接段均采用C20钢筋砼结构,跌水墙采用C20埋石砼。

本设计在西干渠K3+700处设置陡坡1座,总落差4.50m,采用单级陡坡,总长27.2m,横断面采用矩形结构,尺寸(宽×高)为2.0m×1.0m,陡槽纵坡1:2.5,陡坡的进口连接段、控制堰口、陡坡段、消力池和出口连接段均为C20钢筋混凝土结构。

本次灌区计划改造跌水3座。跌水分别位于西干渠K4+700、K5+300和K5+700处,均为原址上重建。地基基础为中粗砂层,3个跌水均采用单级跌水结构,落差均为2.6m,进口连接段、控制缺口、消力池和出口连接段均采用C20钢筋砼结构,跌水墙采用C20埋石砼。

结束语:通过本次对黄铜降水库灌区典型点对点对比设计,使本次灌区改造工程渠系及渠系建筑物设计更合理体现灌区地貌、地质及水文特点,并在经济效益方面与社会效益方面做到最优化。

标签:;  ;  ;  

水库灌区渠系及渠系建筑物优化设计要点
下载Doc文档

猜你喜欢