肋梁式混凝土U型渠可行性研究

中国水利学会2011学术年会——大力推广节水节能技术促进农村水利现代化建设1肋梁式混凝土U型渠可行性研究刘永禄1，周跃1，李民2（1.山东省济阳县水务局山东济阳251400；2.山东省济阳县天水有限公司山东济阳251400）摘要：肋梁式钢筋混凝土U型渠具有整体性好、混凝土强度高、占地少、糙率低等特点，适合于流量在2～7m³/s内干渠使用，主要介绍肋梁式钢筋混凝土U型渠的设计、工艺、经济效益分析及优点。关键字：肋梁式钢筋混凝土；U型渠；低糙率；整体性；经济效益中图分类号：TV528文献标识码：B1工程概况济阳县灌溉渠道设计流量一般在1.5~4.5m³/s之间，设计最高水位比耕地高出1.7m左右。考虑渠道比降和水头损失，渠道两侧3000m范围内耕地基本能够达到自流灌溉。自流灌溉模式改变了干渠水流入地下沟，农民使用机械提水灌溉的传统方式。通过计算济阳县自流灌区每年可以节约柴油920t，劳力60万个工日，节省清淤资金3000万元，水利用率提高到80%以上，节约水资源3000万m3，降低农民费用2000万元。济阳县灌溉渠道一般建成于20世纪70年代，过去建设的分干渠多为土渠，因年久失修，破坏殆尽，部分渠道已被平整为耕地。近几年建成的防渗分干渠一般采用梯形混凝土板衬砌渠道，占地较多，鉴于以上现状，为减少渠道占地，我们对肋梁式钢筋混凝土U型渠进行了研究，现将设计、应用及与梯形衬砌渠道的对比进行介绍。2肋梁式钢筋混凝土U型渠设计2.1设计原则（1）提高渠道的耐久性、稳定性、抗冲蚀能力、输水能力原则。（2）节约土地原则。（3）便于管理和养护及降低维护成本原则。2.2过水断面设计渠道设计流量Q=4m³/s，渠道比降i=0.00033，U型渠槽率n=0.013，边坡系数m=0.2。根据水力计算，收稿日期：2011-09-13作者简介：刘永禄，男，从事农田水利建设管理工作，Email：[e-mail]确定最佳过水断面，计算出断面机构参数：水位线高度1.44m，圆弧半径1.44m，圆弧段高度h1=1.16m，直线段高度h2=0.28m，过水面积A=3.26m²，设置20cm超高，得出过水断面形状，如图1所示。图1断面形状2.3结构设计及稳定性分析根据水荷载和渠道自身重力荷载综合分析计算，设计成肋梁式U型渠，由U型渠自身承担全部荷载。U型渠结构形式如图2所示，将过水断面一分为二，纵向长度为200m，由弧板和肋梁组成。肋梁宽度为40cm，外侧为直角，内侧与弧板相连。圆弧板厚8cm，长度200cm，底部有纵向的长度200cm、宽40cm、高20cm支撑底梁与肋梁结合为一个整体，共同承受荷载。基本结构如图2所示。设计混凝土强度等级C30，主筋配Ф12钢筋，副筋配Ф6钢筋。底座肋梁弧板图2结构形式肋梁式U型渠受力主要是水压力，通过力学分析可以得出构件所受水压力的水平分力xF和构件与基底梁图3受力分析图2结构形式肋梁式混凝土U型渠可行性研究刘永禄周跃李民2础混凝土的最大静摩擦力f，且水压力的水平分力小于最大静摩擦力，满足平衡条件，结构整体稳定，如图3所示。图3受力分析3制作与施工3.1制作工艺工艺流程：原材料检测→混凝土配合比设计→钢筋制作→钢筋、模具组装→混凝土搅拌→浇筑、振动台振动→蒸汽池养护→拆模检验。混凝土强度等级C30，蒸汽养护温度80℃，养护时间不小于8h。3.2吊环设计肋梁式U型渠构架单个重量超过2t，吊环设计比较关键，通过对构件起吊受力情况分析，在构件的肋梁顶部设置一个吊环，在底梁两端底部设置挂钩槽（如图4所示），起吊平稳，不易破坏。图4吊环设计3.3渠底处理肋梁式U型渠渠底稳定是渠道质量的关键部位，要求渠底纵向压实宽度不小于1.8m，横向压实宽度不小于1.4m，压实度达到90%以上，不能有弹簧土现象。对于软土基的处理，我们建议采用Ф120mm钢筋混凝土沉入桩，桩高1.5m，桩间距不大于50cm，增设C20混凝土基底，厚度20cm。也可以采用其他软土基处理方案。3.4接缝处理肋梁式钢筋混凝土U型渠接缝处理是渠道建设的重要课题之一，若处理不当将造成渠身漏水，严重时甚至造成渠身破坏，因此我们进行了专项的研究实验，确定使用复合式土工膜进行接缝处理，具体施工步骤如下：首先将接缝处杂质清理干净，用SD-309万能胶水将第一层防水土工布粘贴渠道接缝上，粘贴要平整、严密，不能出现褶皱，并在第一层土工膜上再使用胶水粘一层土工膜。待胶水凝固后，接缝外侧使用水泥砂浆填充密实，内侧使用水泥、108胶、速干粉混合涂料涂刷5-6遍，总厚度以5mm以上为宜（如图5）。本方案中主要是通过防水土工布进行防水，外侧砂浆和内侧防水涂料主要起保护作用。方案止水效果显著，对温度变化引起的伸缩变形和容许的沉降、位移的适应能力强，造价低廉，操作简便，也可以采用其他止水方案。防水涂料双层水工布填充砂浆图5土工布接缝处理3.5施工安装根据设计高程测量放样，渠底处理（如3.3所述），肋梁式U型渠运至施工现场后，使用机械吊装就位，接缝处理（按3.4所述）。4渠道结构形式与施工对比分析4.1结构形式对比肋梁式钢筋混凝土U型渠是由1/2U型构件拼装而成，每节长度为2m，减少了渠道的接缝，整体性好。渠道为C30钢筋混凝土结构，强度高，质量稳定性得到提高。梯形衬砌渠道由于土堤与混凝土板的连接存在缺陷，而且衬砌接缝多，渠道整体性和稳定性都比较差。混凝土板强度和砂浆强度不高，容易引起破坏。4.2糙率、水力断面对比分析渠道表面光滑，糙率值达到0.012，水的阻力降低，流速加快。断面结构形式根据水力最佳断面设计，优化了渠道的断面结构，相应提高了渠道的输水能力。梯形衬砌渠道由于接缝多，表面平整度不好，渠yFxFfG肋梁式混凝土U型渠可行性研究刘永禄周跃李民3道槽率一般在0.018以上。根据流量计算公式，在相同流量情况下，梯形衬砌渠断面积将比肋梁式U型渠断面积增加1.5倍。肋梁式U型渠断面为水力最佳断面，流速满足不冲不於要求，淤积少，清淤工作量少。梯形衬砌渠道容易淤积，而且清淤容易造成渠道破坏。4.3工期对比肋梁式U型渠工厂化生产，生产过程全程监控，能有效控制产品质量，而且混凝土强度等级也高于衬砌砼板，机械安装，施工工序简单，能确保工期。梯形衬砌占地面积大，相应迁占压力大。因施工工序多且复杂，工期难以得到保证。5经济效益分析与对比5.1造价分析按照流量4.5m³/s设计梯形衬砌渠道，糙率n=0.018，边坡系数m=1.0，比降i=0.00033可计算出不冲不於的梯形断面结构，衬砌渠道和肋梁式U型渠造价对比如表1所示。5.2维护成本分析肋梁式U型渠因采用C30钢筋混凝土预制、整体性结构及水力最佳断面，不容易造成破坏和淤积，维护费用低。梯形衬砌渠道因土堤沉降和其他原因，容易造成渠道破坏，而且清淤工作也易破坏渠道，所以维护成本高。5.3经济效益分析肋梁式U型渠系的板桥等配套建筑物跨度缩短3m，相应造价减少1.5万元，按每300m一座建筑物，每米减少造价50元。根据表1可以看出，肋梁式U型渠每米造价增加190元，除去建筑物节约造价50元，每米造价增加140元。但每米渠道能够节约土地39m²，按每亩农田年产值3000元计算，39m²农田年产值175元，一年就可收回造价增加的成本。按渠道最低使用年限30年计，U型渠节约土地产值达到5265元。邢渡干渠在济阳县境内有12条分干渠，平均每条长4000m，可节约土地187hm2，增加产值840万元。维护成本是年运行费的一项大的支出，肋梁式U型渠可以减少大修费用。表1渠道造价对比表设计方案土方/m³土工布/m²混凝土/m³钢筋/kg砌石/m³约合造价/元占地面积/m²渠道开挖合计梯形衬砌渠道34111.000.61450211839肋梁式U型渠0.916516404046结论通过以上分析可以看出，肋梁式U型渠优化了渠道结构形式，渠道流量大、质量高、结构稳定、占地面积少、施工方便、工期短、经济效益显著，虽然工程投资比梯形衬砌渠道增加，但它的节地效益和维护费用降低，所以肋梁式U型渠是比较理想的选择。参考文献[1]水利部农村水利司.节水灌溉技术标准汇编[Z].[2]水利部农村水利司.节水灌溉工程实用手册[Z].[3]武汉大学.农田水利学[M].北京：中国水力水电出版社.[4]武汉水利水电学院.水力学[M].北京：人民教育出版社.[5]高传昌,吴平.灌溉工程节水理论与技术[M].郑州：黄河水利出版社.[6]清华大学结构力学教研组.结构力学.[M].北京：中央广播电视大学出版社.肋梁式混凝土U型渠可行性研究刘永禄周跃李民4