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1、从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果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
2、驼城山水河，全长，设计流量 /s，加大流量 /s，控制灌溉面积万亩。同时承担着小海子水库万m 和鮑家湖水库447万m 的蓄水任务。三清干渠始建于1975年，原为土渠运行，XXXX年黑河流域近期治理项目中已完成三清干渠改建衬砌，干渠CH23+06626+674渠段，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。 .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
3、渠段处在水库中。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，而小海子水库丰稔干渠放水洞高程为，相差。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，此时水库最大水深，相应库容为240万m 。同时，由于57月份黑河基本断流，三清干渠通常只能引12m /s黑河潜流，此时正是灌溉高峰期，灌溉用水量很大，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
4、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m 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。 .工程设计 .1抗冻胀设计 经地质勘察，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
5、度为106cm，即标准冻深106cm。经计算，设计冻深值为阳坡，渠底，阴坡，冻胀量为。依据渠系工程抗冻胀设计规范规定，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案比较优选。 .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
6、布置方案。该方案渠线长约，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，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。该方案渠基挖填适中，渠线短，工程量小，
7、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C15细粒砼砌石衬砌，厚度40cm；渠坡为C15砼预制块衬砌，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60cm，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
8、方 案 方案一 方案二 方案三 结构形式 梯形渠道 玻璃钢管渠道 正反拱箱形暗涵渠道 衬砌方式 C15砼预制块和C15细粒砼组合衬砌 玻璃钢管承插连接衬砌 C20钢筋砼现浇衬砌 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，施工要求严格，工程造价高。 施工工序
9、多，工程质量不易控制。 使用年限 30 3050 3050 每km投资 148万元 363万元 272万元 方案评价 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，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
10、拱箱形暗涵，底部设置非冻胀性土置换层。设计暗涵净宽，净高，内直墙高度；设计全部断面采用C20钢筋砼现浇结构，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，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
11、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+06626+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
12、，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。 M w =P 水 h= = M= 0 .M w =1= )配筋计算 由钢筋砼计算手册查附录表，取砼保护层C=25mm，估计钢筋直径d=10mm，则a=C+d/2=30mm，h 0 =h-a=300-30=270mm，板计算宽度b=1000mm。 s = = = = = = b = A S =fc. 0 /f y =101000270/210=24mm =A S / 0 =242/=% min =% 根据以上计算得，截面尺寸和砼强度满足要求，只需按要
13、求配构造筋，受力纵筋选用30300；箍筋选用8300。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。 .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：g k 渠 =v=24=/m 设计值：g 渠 = G g k =/m 箱形暗涵中水自重： 标准值g k 水 =v=/m 设计值g 水 = Q g k =/m 箱形暗涵外坡主动
14、土压力 标准值P k 土 = Ka=16 =/m 设计值P 土 = G P ka 土 =/m 库中水压力 标准值P k 水 = =/m 设计值P 水 = Q P k 水 =/m )稳定计算 根据实际情况，箱形暗涵渠底与砂砾石垫层摩擦系数f取，抗滑稳定安全系数k s 为，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 k s = = = b、第二种工况：箱形暗涵有水，库中无水 k s = = = c、第三种工况：箱形暗涵无水，库中有水 k s = = = d、第四种工况：箱形暗涵无水，库中无水 k s = = = 综合上述计算分析，在四种工况下，箱形暗涵都稳定。 .5设计成果 三清干渠CH23+06626+674渠段长，控制灌溉面
