正反拱箱形暗涵渠道的设计

1、正反拱箱形暗涵渠道的设计（doc 13 页）正反拱箱形暗涵渠道的设计 摘要：针对高台县三清干渠 CH23+06626+674渠段穿越小海子水库库区， 经方案比较，优选出适宜强冻胀和软弱基土地层的正反拱箱形暗涵渠道方案；设计的正反拱拱箱形暗涵渠道经实践应用，设计合理，抗冻胀性能强，推广价值极为广泛。关键词：箱形暗涵渠道 设计1 工程概况高台县友联灌区位于河西走廊中部，属黑河流域中游沿岸大型灌区之一， 高台县三清干渠是友联灌区主要的引水渠道。干渠从临泽县蓼泉镇塘湾村处的黑河南岸开口引水，西至高台县骆驼城山水河，全长67.75km,设计流量3.90m3/s,力口大流量4.90m3/s,控制灌溉面积

2、6.74万亩。同时承担着小海子水库1048.1万m3和鲍家湖水库447万 m3的蓄水任务。三清干渠始建于1975年，原为土渠运行，200120 04 年黑河流域近期治理项目中已完成三清干渠改建衬砌40.48km，干渠CH23+06626+674渠段3.608km,因受小海子水库除险加固工 程施工及考虑小海子水库调节灌溉等因素影响，未进行建设。2 .存在问题及工程建设原由三清干渠CH23+06626+674渠段地处小海子水库北侧，紧靠 小海子水库土坝布置。由于小海子水库除险加固工程完成后，扩大了小海子水库库容，新建小海子水库坝堤位于该段干渠下游，从而使三清干渠CH23+06626+674渠段处在

3、水库中。在小海子水库除险加固工程设计中，曾考虑废除三清干渠CH23+06626+674渠段，让三清干渠上游引来的水进入小海子水库，经水库调节后输出到下游三清干渠，以满足灌溉需求。但经勘测后发现，三清干渠CH26+674处渠底高程为1365.156m （也即小海子水库三清干渠放水洞洞底高程），而小海子水库丰稔干渠放水洞高程为 1362.0m （也即水库库底高程），相差3.156m。经计算，要满足三清干渠从水库引水，水库水位高程必须达到1366.5m， 此时水库最大水深4.5m， 相应库容为240万m3。同时，由于57月份黑河基本断流，三清干渠通常只能引12m3/s黑河潜流，此时正是灌溉高峰期，灌

4、溉用水量很大，水库水位很难满足三清干渠引水要求。若采用废除三清干渠CH23+06626+674渠段，经小海子水库调节后输出到下游三清干渠的方案，将造成在小海子水库低水位时，三清干渠无法正常引水，而丰稔干渠则可尽情引水的局面。同时易造成各渠系分水不均矛盾，导致诱发社会不稳定因素的发生。若保证小海子水库水位满足三清干渠正常引水，水库库容需维持在240万m3左右，该库容将成为死库容不能发挥应有的效益，小海子水库的灌溉效益将锐减。综上所述，为了保证三清干渠正常引水，同时使小海子水库的灌溉效益得到充分发挥，修建三清干渠CH23+06626+674渠段是解决问题的关键。3 .工程设计3.1 抗冻胀设计经地

5、质勘察，三清干渠CH23+06626+674渠段大部分座落在 沙壤土层上，为冻胀性土层。高台县气象局实测本区多年平均冻土深 度为106cm,即标准冻深106cm。经计算，设计冻深值为阳坡85.3c m,渠底98.5cm,阴坡12784cm,冻胀量为757cm。依据渠系工 程抗冻胀设计规范(SL23-19)规定，冻胀量远大于衬砌渠道的允 许位移值，需从适应冻胀、回避冻胀、消减或消除冻胀等方面采用抗 冻胀结构及工程措施。根据工程级别、日照及遮荫程度、地下水位埋深、渠道走向等因 素，工程措施采用砂砾石置换冻胀基土，置换厚度为阳坡5070cm, 渠底60cm,阴坡6095cm。抗冻胀结构措施采用设计方

6、案比较优选。3.2 设计方案比选根据对小海子水库地形地貌和三清干渠渠线的勘查,三清干渠CH23+06626+674渠段在渠线布置上有三种方案可进行比选。方案一：渠线沿新建小海子水库土坝外北侧绕坝布置方案。该方 案渠线长约4.5km,但因该段地势低洼，地面高程低于渠顶设计高程 约35m,属全填方渠道，填方工程量大，且建成后渠基为柔弱地 基，渠道沉降隐患大，对渠道长期运行不安全。方案二：渠线沿小海子水库外以南布置方案。该方案设计渠线自 三清干渠CH18+925处沿原小海子水库回水线以南进行布置,渠线长 约7km。因该段渠线经过之地全部为沙丘，且地势较高，属全挖方 渠道，挖方工程量大。同时受地形所限

7、，渠线须两次穿越312国道, 渠线长，施工难度大，工程造价高。方案三：沿原渠线布置方案。该方案设计渠线沿三清干渠原渠线 布置，渠线平行于原小海子水库土坝，穿越小海子水库，渠线长36 08kmo该方案渠基挖填适中，渠线短，工程量小，施工方便。但因 穿越水库，需充分考虑冻胀、稳定等影响因素。经综合分析比较，方案一安全隐患大，不宜采用；方案二渠线长, 施工难度大，工程造价高，不经济；方案三渠线短，工程量小，施工 方便、经济合理，较为理想。因此，渠线布置选择方案三。根据选定的渠线,抗冻胀结构措施采用以下三种设计方案进行比 较优选。方案A：梯形明渠衬砌方案设计采用已建三清干渠梯形断面结构形式，渠底为C1

8、5细粒碎 砌石衬砌，厚度40cm；渠坡为C15硅预制块衬砌，厚度8cm；采用 砂砾石垫层置换冻土，根据抗冻胀规范计算，置换厚度为：渠底60c m,渠阴坡6095cm,渠阳坡5070cm。方案A特性见表1。表1设计方案比选表方案方案一方案二方案三“构形式梯形渠道玻璃钢管渠道正反拱箱形暗涵渠道“砌方式C15硅预制块和C15细粒硅组合衬玻璃钢管承插连接衬砌C20钢筋硅现浇衬砌优点防渗、抗冻胀、抗 冲刷性能好，适宜 于一般、中强冻胀 区；施工工序较少， 工程造价低。耐腐蚀、抗老化， 抗冻性能好，自重 轻，寿命长，摩擦 力小，输水性能好。采用弧底结构抗冻 性能好，适宜于强、 极强冻胀区和软土 地基层；自

9、重大， 稳定性好，施工简 便。工程造价适中。缺点水库高水位时干渠 将被库水淹没，渠 岸易被库水淘蚀冲 毁；渠道抗冻胀能 力差，易于冻胀破 坏，使用年限短。自重轻，在水中易 漂浮，施，要求严 格，工程造价高。施工工序多，工程质量不易控制。使用年限3030 5030 50每km投148万元363万元272万元资“案评价差差最优方案B:玻璃钢管衬砌方案渠床的冻胀性属于强冻胀的中型渠道，回避冻胀的结构措施应采用暗渠或暗管输水，设计采用玻璃钢管承插连接衬砌，管径 2.2 m,管壁厚23mm。玻璃钢管管身由连续的玻璃纤维不饱和聚酯树脂、 环氧树脂为基料，以石英砂及碳酸钙为无机非金属颗粒为填料压制而 成。方

10、案B特性见表1。方案C:正反拱箱形暗涵渠道方案渠床的冻胀性属于强冻胀的中型渠道，回避冻胀的结构措施应采 用暗渠或暗管输水，暗渠的埋置深度应等于或大于工程设计冻深。设计渠底采用反拱弧底、渠顶为正拱盖板的正反拱箱形暗涵，底部设置 非冻胀性土置换层。设计暗涵净宽 3.0m,净高2.3m,内直墙高度1. 3m;设计全部断面采用 C20钢筋硅现浇结构，拱顶厚 20cm,反拱 弧底厚40cm,侧墙厚30cm。采用砂砾石垫层置换冻土，置换厚度为： 渠底80cm。方案C特性见表1。根据对拟选的三个设计方案进行分析比较 （见表1设计方案比选 表），结论为：正反拱箱形暗涵渠道方案较方案一具有抗强冻胀、抗 滑坡性能

11、强，适宜软土地基层和使用年限长等优点； 较方案二具有自 重大，稳定性好，施工简便，工程造价低等优点。综上所述，三清干渠 CH23+06626+674渠段采用正反拱箱形暗涵渠道方案衬砌最为适宜。3.3 抗冻胀结构及强度设计根据优选的正反拱箱形暗涵渠道，按照上下游渠道设计渠深确定的渠深为230cm,经计算，暗涵净宽300cm。由于拱的矢跨比越大，拱脚水平推力越小，对于减小拱脚水平位移引起的应力越有利；本次设计取 1/6，即拱矢高度为50cm。反拱底板内弯矩较小，主要承受轴向压力，因反拱底板跨度较小，反拱底板采用等截面圆弧拱，拱底厚度为 40cm,拱顶厚度为20cm。为保证三清干渠 CH23+066

12、26+674渠段断面结构设计的合理性， 对三清干渠正反拱箱形暗涵断面进行结构分析计算。按照实际情况，共分为以下四种工况：a、第一种工况：箱形暗涵有水，库中有水b、第二种工况：箱形暗涵有水，库中无水c、第三种工况：箱形暗涵无水，库中有水d、第四种工况：箱形暗涵无水，库中无水在此只计算最不利的第三种工况：箱形暗涵无水，库内有水。1）内力计算由于渠外坡土压力比库中水压力下的多，只计算库中水压力产生 的内力。Mw=P 水x x h=17.689X x 1.9=11.2KN.mM= 丫0.少.Mw=1 X1.0X 11.2=11.2KN.m2）配筋计算由钢筋硅计算手册查附录表，取硅保护层 C=25mm

13、（二类 环境条件），估计钢筋直径 d=10mm,则a=C+d/2=30mm , ho=h-a= 300-30=270mm,板计算宽度 b=1000mm。% s=0.01914工=0.01932c工b=0.614 （截面尺寸和硅强度满足要求）As=fc. Jb.h0/fy=10X0.01932X 1000X 270/210=242 mm2P =As/b.h0=242/ （1000X270） =0.091%< p min=0.15%根据以上计算得，截面尺寸和硅强度满足要求，只需按要求配构 造筋，受力纵筋选用0 30300;箍筋选用0 8300 （300表示每两 根钢筋中心的距离为300mm）

14、。三清干渠属严寒地区过水渠道，根 据规定混凝土强度设计为 C20,抗冻标号为D100,抗渗标号为S4。3.4抗滑稳定性分析为保证三清干渠的稳定性，对三清干渠CH23+06626+674渠段断面进行了稳定分析计算。1)外力计算箱形暗涵共受到四项外力，其中箱形暗涵自重和渠外坡土压力为 永久外力，而箱形暗涵中水自重和库中水压力为可变外力，下面分别计算。箱形暗涵自重：标准值：gk 渠=T v=24x (3.8X0.4+3.8X 0.2+1.8X 0.3X2) =80.64 K N/m设计值：g 渠=丫 Ggk = 1.05X 80.64=84.67 KN/m箱形暗涵中水自重：标准值 gk水=丫 v=9

15、.8X ( 1.02X 2+3X 1.3) =50.27 KN/m设计值 g水=丫 Qgk=1.2X 50.27=60.32 KN/m箱形暗涵外坡主动土压力标准值Pk 土=0.5 丫Ka=0.5X 16X=8.7 KN/m设计值 P 土 = y GPka 土=1.05X8.7=9.14 KN/m库中水压力标准值 Pk 水=0.5X 9.8X1.9X 1.9=17.69 KN/m设计值 P 水=丫 QPk 水=1.2X 17.69=21.22 KN/m2）稳定计算f 取 0.45,根据实际情况，箱形暗涵渠底与砂砾石垫层摩擦系数 抗滑稳定安全系数ks为1.3,共分为以下四种工况：a、第一种工况：箱

16、形暗涵有水，库中有水ks=5.4>1.3b、第二种工况：箱形暗涵有水，库中无水ks=6.59>1.3c、第三种工况：箱形暗涵无水，库中有水ks=3.15>1.3d、第四种工况：箱形暗涵无水，库中无水综合上述计算分析，在四种工况下，箱形暗涵都稳定。3.5设计成果三清干渠CH23+06626+674渠段长3.608km,控制灌溉面积6. 74万亩，设计流量为3.90m3/s,设计正常水深1.5m,加大流量为4. 90m3/s,设计纵坡1/3300。设计为正反拱箱形暗涵渠道，暗涵净宽 3. 0m,净高2.3m,内直墙高度1.3m,设计超高取0.8m;设计全部断 面采用C20钢筋硅现浇结构，拱顶厚 20cm,反拱弧底厚40cm,侧 墙厚30cm。采用砂砾石垫层置换冻土，置换厚度为：渠底 80cm。伸 缩缝每9米设置一道，伸缩缝材料采用预埋环型橡胶带止水， 以适应 沉陷变形和防止漏水。为考虑今后检修方便，在桩号