胡 新

(山西省東山供水工程建設(shè)管理局，太原 030001)

0 引 言

裝配式U形渠是傳統(tǒng)的U形渠結(jié)構(gòu)與工業(yè)裝配工藝形式相結(jié)合的一種水利渠道形式，其施建簡單，功能適用，符合我國水利發(fā)展背景，是一種不錯(cuò)的水渠建造適用技術(shù)。文章探究裝配式U形渠的結(jié)構(gòu)配筋、橫斷面以及支撐形式等一系列結(jié)構(gòu)和施建技術(shù)要點(diǎn)，以為同類工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 裝配式U形渠簡介

農(nóng)田灌溉工程中我們經(jīng)常會(huì)使用U形渠道，按照不同的施工方法可以把它分為現(xiàn)接式和預(yù)制裝配式，裝配U形渠成品質(zhì)量容易控制，由于把材料放在相對(duì)固定的場地進(jìn)行施工，因此便于批量生產(chǎn)，同時(shí)由于它占地面積小，可以使場地得到充分的利用，大大提高了周轉(zhuǎn)效率。U形渠多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其斷面特征較為統(tǒng)一，多為半圓形加直線的形式。渠壁頂端尺寸要比中間大，只有這樣才可以有效提高U形渠自身剛度兩側(cè)的肋板起支撐作用，在拼接過程中不需要填土護(hù)坡，因此可以省下大量的土[1]。除此之外，渡槽裝配U形渠內(nèi)壁相對(duì)光滑，流速增大從而避免了渠道內(nèi)部滋生雜草，降低了清理、維護(hù)工作量。裝配式U形渠如圖1所示。

圖1 裝配式U形渠水利應(yīng)用圖

裝配式U形渠使用的是承插式連接方式，改變了傳統(tǒng)的平縫連接，這種連接方式具有連接緊密、防滲性能好等優(yōu)點(diǎn)，除此之外，承插式連接還大大提高了渠壁的抗彎強(qiáng)度，裝配式U形渠使用范圍非常廣泛，除了在農(nóng)田灌溉中發(fā)揮巨大作用以外，還可以用于道路排水工程以及農(nóng)田渠道排水[2]。

2 裝配式U形渠身結(jié)構(gòu)配筋、彎矩及軸向力參數(shù)

1)UD60型號(hào)裝配式U形渠身結(jié)構(gòu)及配筋分布如圖2所示。

圖2 UD60型號(hào)裝配式U形渠身結(jié)構(gòu)及配筋分布

2)UD60型號(hào)裝配式U形渠操向彎矩參數(shù)如表1所示。

表1 UD60型號(hào)裝配式U形渠操向彎矩參數(shù)一覽表

3)UD60型號(hào)裝配式U形渠身軸向力參數(shù)如表2所示。

表2 UD60型號(hào)裝配式U形渠身軸向力參數(shù)一覽表

3 裝配式U形渠橫斷面設(shè)計(jì)

渠道斷面，具體如圖如3所示。

圖3 U形渠道斷面

圖3顯示，該渠道下半部分為半圓形，上部為向外傾斜的直線段，并且半圓與直線之間存在著相切的關(guān)系。外傾角α在5°-20°之間，外傾角與渠槽深度之間存在著正比的關(guān)系，隨著渠道深度的增加外傾角會(huì)隨之增大。為了滿足灌溉的需要，較大的U形渠斷面可以稍微淺一些，寬度與深度的比為B/H=1.30-1.50，相反的如果U形渠道較小，那么渠道應(yīng)該變得窄深一些，而寬深比也可以減小至1.0。

U形渠道的渠壁超高a1參數(shù)值，如表3所示。

表3 渠壁超高a1參數(shù)值表

U形渠道斷面參數(shù)值的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，如表4所示：

表4 裝配式U形渠斷面經(jīng)驗(yàn)關(guān)系參數(shù)表

4 渠身縱向支撐形式和跨度設(shè)計(jì)

渠身放置在鎮(zhèn)墩上，一方面可以起到縱梁支撐的作用，另外一方面也起到了很好的輸水作用。但是在實(shí)際施工過程中我們往往會(huì)把渠身分為很多個(gè)小節(jié)，從而避免在地基不均勻沉降或者是溫度變化過大時(shí)渠身出現(xiàn)裂縫[3]。溫度變化的時(shí)候混凝土結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)收縮裂縫，若裂縫沒有得到有效控制，對(duì)于渡槽裝配U形渠來說勢必造成大量水資源的浪費(fèi)。因此當(dāng)?shù)鼗鶙l件不利于施工或者是渠高過大的時(shí)候，必須設(shè)計(jì)的跨度也相應(yīng)增大，當(dāng)渠深較淺的時(shí)候使用小跨度便可滿足要求。渠身發(fā)揮著縱向梁的作用，因此在施工時(shí)需要在渠身中加入較多的鋼筋。查閱有關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，對(duì)于小形渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，簡支梁的跨度取值范圍在30-70cm。

5 渠道斷面水力設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)

5.1 渠床糙率系數(shù)

渠床粗糙度通常用糙率系數(shù)n表示，n是一個(gè)常數(shù)，它可以通過計(jì)算求出也可以根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)確定。糙率系數(shù)與渠道設(shè)計(jì)質(zhì)量有著密切的關(guān)系，若n取值不精確勢必影響設(shè)計(jì)精度，對(duì)于后期農(nóng)田灌溉來說非常不利[4]。一般情況下取值越大，那么工作量就會(huì)增加，與之對(duì)應(yīng)施工成本也會(huì)居高不下。若取值過小，可能導(dǎo)致U形渠尺寸不夠，達(dá)不到理想的輸水能力。具體選擇糙率系數(shù)的時(shí)候應(yīng)該根據(jù)施工材料的質(zhì)量確定，并確保日后落實(shí)管理制度，做好相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)工作[5]。糙率系數(shù)n取值情況如表5中所示。

表5 渠床糙率系數(shù)n值表

5.2 臨界不沖流速和臨界不淤流速

臨界不淤流速是指在穩(wěn)定渠道條件下所最小的允許平均流速，臨界不淤流速也稱不淤流速，用Vcd表示。臨界不沖流速是指在穩(wěn)定渠道條件下所允許的最高流速平均數(shù)，臨界不沖流速也簡稱為不沖流速，一般用Vcs表示。為了保證能夠維持渠床的穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)流量通過渠道時(shí)，其平均流速Vd值，要求滿足如下條件，即Vd>Vcd，且

5.3 裝配U型渠道渠底比降

U形渠渠底比降是衡量設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要參數(shù)，它指的是在某一單位長度內(nèi)(設(shè)坡度均為一)渠道兩端的高度差與該渠段長的比值。U形渠渠底比降的選擇與工程造價(jià)、施工占地面積等方面有直接關(guān)系，具體選擇的時(shí)候應(yīng)該按照渠道沿線的地面坡度以及進(jìn)水口等要求，施工經(jīng)驗(yàn)也是確定裝配式U形渠渠底比降必不可少的。此外，設(shè)計(jì)流量也是設(shè)計(jì)人員應(yīng)該著重考慮的，但是無論是哪種設(shè)計(jì)方案，都應(yīng)該堅(jiān)持以不增加工作量的原則，而通過合理選擇比降能夠有效降低工程量[6]。由經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)設(shè)計(jì)流量逐漸減小的時(shí)候，U形渠渠底比降反而會(huì)增大。當(dāng)支渠上下流量差別較大的時(shí)候，應(yīng)該在不同的部位使用不同的比降，上游相對(duì)平緩、下游則比降陡峭。清水渠很容易出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，因此比降應(yīng)該相應(yīng)緩和。比如某灌區(qū)輸水渠道的比降為1/10000-1/28000。另一某灌區(qū)的U形渠渠底比降為1/2000-1/5000。對(duì)于抽水灌區(qū)的渠道而言，應(yīng)該在滿足要求的情況下盡可能選擇平緩的比降，以防止泥沙淤堵，妨礙農(nóng)田灌溉，同時(shí)選用平緩的比降也會(huì)降低灌溉成本。我國黃土高原地區(qū)農(nóng)田灌溉多使用黃河水，這也意味著渠道中流動(dòng)著含沙量較高的水，針對(duì)這一特殊情況，在選擇裝配式U形渠渠底比降的時(shí)候應(yīng)該參考下列公式：

(1)

式中：i為裝配式U形渠渠底比降；ρ0為水流的飽和挾沙量，kg/m3)；ω為泥沙平均沉速，mm/s。初步進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，如果施工條件允許，那我們選用的裝配式U形渠渠底比降應(yīng)該盡可能大一下，選擇比降在1/500-1/1500之間。若>1/1500，將會(huì)增加工程造價(jià)，也就不符合經(jīng)濟(jì)性原則。除了比降范圍有所要求外，臨界坡度也是一個(gè)重要的參數(shù)，根據(jù)渠道過水?dāng)嗝娉叽缦葦M定一個(gè)比降，然后在正常通流的情況下對(duì)比降進(jìn)行校核，若滿足要求說明取值合理。若不符合要求，重新選定比降并計(jì)算校核。

6 結(jié) 論

文章探究了裝配式U形渠身結(jié)構(gòu)配筋、彎矩及軸向力參數(shù)；裝配式U形渠橫斷面設(shè)計(jì)；渠身縱向支撐形式和跨度設(shè)計(jì)；以及渠床糙率系數(shù)、臨界不淤不沖流速、裝配U型渠道渠底比降，等一系列裝配式U形渠技術(shù)要點(diǎn)。足見其技術(shù)易行、功能適用和施建簡單，是一種不錯(cuò)的水渠建造適用技術(shù)，值得在標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田水利建設(shè)中，尤其適合在土壤資源稀少或丘陵地區(qū)選擇使用。

[1]鞏偉軍.明渠均勻流流速分布規(guī)律研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2016.

[2]高楊.U形渠道水力特性及測流試驗(yàn)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

[3]王亞林.灌溉U型渠道挾沙水流流速分布規(guī)律的分析研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

[4]楊岑.明渠均勻流糙率系數(shù)及紊動(dòng)特性試驗(yàn)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

[5]郝晶晶.U形渠道拋物線形量水槽數(shù)值模擬研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2008.

[6]楊仕松.農(nóng)田建設(shè)中混凝土U形防滲渠技術(shù)的推廣[J].湖南：湖南水利水電，2010(04)：67-68.