浅谈水网建设中的渠道护坡设计

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1工程背景

受台风及恶劣天气影响，部分地区遭遇100年一遇强降雨，部分河流出现超警戒特大洪水，致使多处坝段、渠道出现险情，造成大面积农田积水、村庄被淹、人民受灾。地层岩性也是发生渠道破坏的重要原因，渠道沿线地层岩性如为砂壤土、细砂、砂砾石含粘性土、细砾时，渠道存在渗漏及冲刷问题;地层岩性如为盐渍土层，渠坡易在水的溶蚀作用下，结构发生破坏，渠道运行时产生地下水位壅高，会产生浸没问题，并伴有次生盐渍化问题。在此背景下，为了工程能够长久安全运行，便于维护管理，本文对渠坡土质易受水流淘刷、易冻融破坏、易失稳，易产生浸没问题的渠道要选取合理的断面型式及边坡衬砌防护措施，以全面增强河道的防洪能力。

2渠道衬砌

2.1渠道糙率

渠道未衬砌部分糙率选取0.025;实心生态连锁板块衬砌部分糙率参照预制板砌筑糙率选取0.017;PP纤维混凝土板及现浇混凝土板衬砌糙率选取0.014;机制模袋衬砌部分糙率参照浆砌卵石糙率，并进行适当降低，选取0.0225;石笼、雷诺护垫糙率参照干砌块石，选取0.033。

2.2渠道纵横断面选取

对于复建渠道、改扩建渠道基本维持现有渠道比降，对于新建渠道根据渠道沿线的地形地质条件、渠道首末段水位关系、所选择的衬砌材料与型式、不冲流速、渠道建筑工程投资、占地、施工难易程度、运行维护管理等因素综合确定。渠道采用的断面型式主要由矩形断面、梯形断面和U型断面。(1)矩形断面。优点:相同过流能力下断面面积最小，占地小，投资低，渠道糙率小，流态好，输水能力强，不易破损，使用寿命长，工程造价低。缺点:由于渠道过流能力不大，矩形设计断面高宽比较大，断面周边受土压力较大，边坡不稳定容易破损。(2)梯形断面。优点:断面底宽相对较大，当渠道水深较小时，也能排走较大的水量，且边坡稳定，在地形、地质无特殊情况的地区均可采用，结构简单，施工方便，便于运行管理和维护。缺点:工程造价相对矩形断面略高，占地面积较大。(3)U型断面:优点:混凝土U形渠道是反拱结构，抗冻能力强，不易破坏。缺点:由于U型渠道整体施工，对施工技术尤其是基础处理要求较高，施工难度较大。

2.3衬砌方案型式

根据不同现场实际情况使用不同的护坡衬砌型式，现总结以下7种衬砌方案:方案1∶100mm实心生态板块+30mm中粗砂找平层+无纺布(10kN/m)/复合土工膜方案2∶100mm实心生态板块+70mm苯板+30mm中粗砂找平层+无纺布(10kN/m)/复合土工膜方案3∶80mmPP纤维混凝土板+30mm中粗砂找平层+无纺布(10kN/m)方案4∶100mm现浇混凝土板+30mm中粗砂找平层+无纺布(10kN/m)方案5∶120mm模袋混凝土+30mm中粗砂找平层+无纺布(10kN/m)方案6∶120mm模袋混凝土+70mm苯板+30mm中粗砂找平层+无纺布(10kN/m)方案7∶250mm格宾石笼(雷诺护垫)+无纺布(10kN/m)

2.4渠道衬砌选取原则

2.4.1方案1、2对渠道流量较大，流速相对较高的渠道，以及渠道内冬季有水，水深较浅，并且渠道从城市中经过，为减轻冰冻对渠坡的破坏，延长渠道的合理使用年限，并且结合城市生态景观效果，迎水侧渠坡采用100mm厚生态连锁板块进行衬砌。如该段渠道水位高于原地面，可能产生浸没影响，在生态连锁板块下铺设一层复合土工膜防渗，或铺设一层无纺布。对采用生态连锁板块衬砌的渠道为考虑生态效果，渠道设计水深+波浪爬高部分采用实心生态连锁板块，实心板块以上至渠顶采用空心生态连锁板块或六菱形混凝土框格，其内铺腐殖土撒草籽或花籽。实心生态连锁板块施工容易，单体连锁板块结构简单、适宜工业化生产，施工速度快，不受气候限制，适应冻胀变形能力较强，施工后外观效果较好，造价便宜。2.4.2方案3PP纤维砼板因板厚度较薄，浇筑时混凝土板表面的平整度不易控制，在北方施工工期受气候限制，PP纤维砼板适应土体的冻胀变形能力较差，含水土体冻胀后会造成板块隆起、断裂，施工后外观效果一般。2.4.3方案4现浇混凝土衬砌主要设置在盐渍化分布区的渠道、易受水流冲刷和冻融破坏的盐碱土渠道、易受水流淘刷破坏的砂壤土和细砂渠道、从城市周边绕过的渠道、渠道挖深较大、地下水位相对较高且冬季冻胀较严重的渠坡段、水位高于原地面且易产生浸没影响的渠道及灌区灌溉干渠相结合的渠道等，但现浇混凝土施工要求高，容易开裂，施工不易控制。2.4.4方案5、6对渠道挖深较大，地下水位相对较高，冬季渠道内水位较高，冻胀较严重的渠坡段采用机制模袋护坡，为保证在冰推力作用下模袋结构的完整性，模袋内每隔400mm插入1根直径12mm钢筋，但机制模袋混凝土施工后外观效果不理想。2.4.5方案7对渠道内冬季有水，渠道位于野外，并且渠道施工期间地下水位相对较高，难于进行混凝土脚槽浇筑的渠道，为减轻冰冻对渠坡的破坏，渠道迎水坡采用250mm厚格宾石笼(雷诺护垫)衬砌，经实践验证效果比较理想。低碳钢丝石笼的整体性和抗外力方面要优于雷诺护垫，因此冰推力较大时，优先选用低碳钢丝石笼。2.4.6苯板保温方案苯板的导热系数小，每10mm厚苯板就可减少100～150mm的冻深，因此一般护坡板下设50～100mm厚的苯板，就可满足抗冻胀要求。苯板具有保温效果好，施工方便的优点，在当地缺乏非冻胀性土料时，可以采用苯板保温。

2.5衬砌结构抗冻胀能力和防渗效果

渠道工程衬砌结构主要有生态连锁板块、PP纤维砼板、机制模袋、现浇混凝土和格宾石笼(雷诺护垫)。2.5.1衬砌结构抗冻胀能力(1)生态连锁板块组装施工后，相邻板块之间互相连锁，护坡板块间整体性强，且具有一定的柔性，当坡面发生冻胀或融沉变形时，连锁板块仍能保持正常的工作性能，具有较好的抗冻胀能力。(2)PP纤维砼板冻胀变形能力较差。(3)现浇混凝土冻胀变形能力好。(4)机制模袋内每隔400mm插入1根直径12mm钢筋，增强模袋混凝土结构的整体性，能够很好的抵抗模袋混凝土受到外部冰推力或下部冻胀性土体的冻胀力顶托，常用于冬季易受冰推或冻胀破坏的水库坝体迎水坡和渠道迎水坡，抗冻胀能力比较理想。(5)格宾石笼和雷诺护垫冻胀能力较好，但格宾石笼的整体性和抗外力方面要优于雷诺护垫，优先选用格宾石笼。2.5.2渠道防渗渠道衬砌范围内对存在渗漏和浸没问题的渠道段采用铺设复合土工膜进行防渗处理，复合土工膜衔接处采用热熔焊接，复合土工膜上再铺设生态连锁板块等硬性结构对其进行保护。复合土工膜的渗漏系数约为0.08m3/m2•d，如果对渠底、渠坡过水范围内均采用复合土工膜进行防渗，通过理论计算，每km渠道渗漏输水损失率为6.41‱，防渗效果非常理想。

2.6衬砌渠道不冲不淤流速复核

当流速过大时，渠道水流会对边坡产生破坏。当流速过小时，渠道水流挟沙能力减小，当流速小到一定程度时，部分泥沙开始在渠道内淤积。根据流量计算正常工作条件下的水力要素，最小设计流量取渠道设计流量的0.4倍，以最小设计流量验算渠道的不淤条件;渠道加大流量取设计流量的1.3倍，以加大流量确定渠堤和防渗结构的超高，并验算不冲流速。

3结论

(1)为了工程长久安全运行，便于维护管理，减少水在沿途的渗漏损失，提高水的利用率，要根据不同的环境和地质条件，对渠坡土质易受水流淘刷、易冻融破坏、易失稳，易产生浸没问题的渠道选取合适的纵横断面型式以及衬砌防护措施。(2)为使渠道水流运行平稳，不发生淤积和冲刷，要保证衬砌渠道内水流流速大于不淤流速，小于不冲流速。(3)本文为河道治理过程中的渠道护坡设计具有提供参考，但只列举了渠道设计中的几种形式和选择原则。在实际河道治理设计中，要选择2种以上的方案，从技术、经济、环境、社会等方面，对渠道护坡的科学性、先进性、经济性以及与环境的可适性等进行研究比选，选择合理的护坡样式。

作者:唐帅 单位:山东省水利勘测设计院有限公司