德州市潘庄灌区衬砌方案优化设计

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。