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明渠恒定均匀流


第五章 明渠恒定均匀流
第一节
一.明渠水流
1、明渠定义:人工渠道、天然河道、未充满水流的管道统称为明渠。 2、明渠水流是指在明渠中流动,具有显露在大气中的自由表面,水面上各点的压强都 等于大气压强。故明渠水流又称为无压流。 明渠水流的运动是在重力作用下形成的。在流动过程中,自由水面不受固体边界的约束 (这一点与管流不同) ,因此,在明渠中如有干扰

出现,例如底坡的改变、断面尺寸的改变、 粗糙系数的变化等,都会引起自由水面的位置随之升降,即水面随时空变化,这就导致了运 动要素发生变化,使得明渠水流呈现出比较多的变化。在一定流量下,由于上下游控制条件 的不同, 同一明渠中的水流可以形成各种不同形式的水面线。 正因为明渠水流的上边界不固 定,故解决明渠水流的流动问题远比解决有压流复杂得多。 明渠水流可以是恒定流或非恒定流,也可以是均匀流或非均匀流,非均匀流也有急变流 和渐变流之分。本章首先学习恒定均匀流。明渠恒定均匀流是一种典型的水流,其有关的理 论知识是分析和研究明渠水流各种现象的基础,也是渠道断面设计的重要依据。 对明渠水流而言,当然也有层流和紊流之分,但绝大多数水流(渗流除外)为紊流,并且接 近或属于紊流阻力平方区。因此,本章及以后各章的讨论将只限于此种情况。

概 述

二、渠槽的断面形式
(一)按横断面的形状分类 渠道的横断面形状有很多种。 人工修建的明渠, 为便于施工和管理, 一般为规则断面, 常见的有梯形断面、 矩形断面、 型断面等, U 具体的断面形式还与当地地形及筑渠材料有关。 天然河道 一般为无规则,不对称,分为主槽与滩地。 在今后的分析计算中,常用的是渠道的过水断面的几何要素,主要包括:过水断面面积 A 、湿周 χ 、水力半径 R、水面宽度 B。对梯形断面而言,其过水断面几何要素计算公式 如下:

A = b + mh )h = ( β + m)h 2 (

χ = b + 2h 1 + m 2 = ( β + 2 1 + m 2 ) h
R= A

B = b + 2mh = ( β + 2m) h
式中, b 为底宽; m 为边坡系数; h 为水深; β 为宽深比,定义为

χ

β=

b h

(二)按横断面形状尺寸沿流程是否变化分类 棱柱体明渠是指断面形状尺寸沿流程不变的长直明渠。 在棱柱体明渠中, 过水断面面积 只随水深变化,即 A = A(h ) 。轴线顺直断面规则的人工渠道、涵洞、渡槽等均属此类。 非棱柱体明渠是指断面形状尺寸沿流程不断变化的明渠。 在非棱柱体明渠中, 过水断面面积 除随水深变化外, 还随流程变化, A = A( h, s ) 。 即 常见的非棱柱体明渠是渐变段 (如扭面) , 另外,断面不规则,主流弯曲多变的天然河道也是非棱柱体明渠的例子。

三 、明渠的纵断面和底坡
沿渠道中心线所做的铅垂平面与渠底的交线称为底坡线(渠底线、河底线) ,即明渠的 纵断面。该铅垂面与水面的交线称为水面线。 对水工渠道, 渠底多为平面, 故渠道纵断面图上的底坡线是一段或几段相互衔接的直线。

对天然河道,河底起伏不平,但总趋势是沿水流方向逐渐下降,因此,纵断面图上的河底线 就是一条时有起伏但逐渐下降的波浪线。 为了表示底坡线沿水流方向降低的缓急程度, 引入了底坡的概念。 底坡是指沿水流方向 i 表示。底坡也称纵坡,可用下式计算。 单位长度内的渠底高程降落值,以符号

i = sin θ =

z1 ? z 2 s

底坡线与水平线之间的夹角。通常由于 θ 角很小,故常以两断面间的水平距离来代替流程长 度,即 sin θ = tgθ 。

式中, z1 、 z 2 为渠道进口和出口的槽底高程; s 为渠道进口和出口间的流程长度;θ 为

i i i 根据底坡的正负, 可将明渠分为如下三类: > 0 称为正坡或顺坡; = 0 称为平坡; < 0 称为负坡、逆坡或反坡。人工渠道三种底坡类型均可能出现,但在天然河道中,长期的水流 运动形成往往是正坡。

一、 明渠均匀流就是明渠中水深、 断面平均流速、 断面流速分布等均保持沿流程不变的流动, 其基本特征可归纳如下:①过水断面的形状和尺寸、流速、流量、水深沿程都不变。②流线 是相互平行的直线,流动过程中只有沿程水头损失,而没有局部水头损失。③由于水深沿程 不变,故水面线与渠底线相互平行。④由于断面平均流速及流速水头沿程不变,故测压管水 头线与总水头线相互平行。 ⑤由于明渠均匀流的水面线即测压管水头线, 故明渠均匀流的底 坡线、水面线、总水头线三者相互平行,这样一来,渠底坡度、水面坡度、水力坡度三者相 等。这是明渠均匀流的一个重要的特性,它表明在明渠均匀流中,水流的动能沿程不变,势 能沿程减小, 在一定距离上因渠底高程降落而引起的势能减小值恰好用于克服水头损失, 从 而保证了动能的沿程不变。⑥从力学角度分析,均匀流为等速直线运动,没有加速度,则作
f 该式表明均匀流动是重力沿流动方向的分力和 用在水体的力必然是平衡的, 即 阻力相平衡时产生的流动,这是均匀流的力学本质。

第二节 明渠均匀流的特性及计算公式 明渠均匀流的特征

G sin θ = F

二 、产生条件
产生条件:水流为恒定流,流量、粗糙系数沿程不变,没有渠系建筑物干扰的长直棱柱 体正坡明渠。 在实际工程中,由于种种条件的限制,明渠均匀流往往难以完全实现,在明渠中大量存 在的是非均匀流动。然而,对于顺直的正坡明渠,只要有足够的长度,总有形成均匀流的趋 势。 这一点在非均匀流水面曲线分析时往往被采用。 一般来说, 人工渠道都尽量使渠线顺直, 底坡在较长距离内不变, 并且采用同一材料衬砌成规则一致的断面, 这样就基本保证了均匀 流的产生条件。因此,按明渠均匀流理论来设计渠道是符合实际情况的。天然河道一般为非 均匀流,个别较为顺直整齐的糙率基本一致的断面,河床稳定的河段,也可视为均匀流段, 这样的河段保持着水位和流量的稳定关系,水文测验中称该河段为河槽控制段。

三、明渠均匀流的计算公式
明渠均匀流的水力计算可利用谢才公式, 将其与连续方程联立, 可得到明渠均匀流水力 计算的基本公式。

v = C RJ Q = Av Q = AC Ri = K i
式中, K 为流量模数; i 为渠道底坡,因明渠均匀流水力坡度和渠道底坡相等,故式中 以底坡 i 代替水力坡度 J 。 C 为谢才系数可按曼宁公式或巴甫洛夫斯基公式计算。

C 谢才系数 C 是反应断面形状尺寸和壁面粗糙程度的一个综合系数, = f ( n, R ) 。 其中,
粗糙系数 n 对谢才系数 C 的影响远比水力半径 R 大。明渠表面材料愈光滑,粗糙系数 n 愈 小,相应的水流阻力也小,在其它条件不变的情况下,通过的流量就愈大。在应用曼宁公式 时,最困难之处在于确定粗糙系数 n 的数值,因为至今没有一个选择精确 n 值的方法,而实 用计算中, 确定粗糙系数 n 就意味着对渠道中的水流阻力做出估计, 这一工作主要依靠经验。 n 值较实际偏大,则势必增大渠道断面尺寸,增加工程量,造成浪费, 如果在设计中选定的 同时,渠道中的实际流速将大于设计流速,可能引起土质渠道的冲刷。反之,如果在设计中 选定的 n 值较实际偏小,则设计的渠道断面尺寸必然偏小,影响渠道的过流能力,可能造成 水流漫溢,另一方面,渠道中的实际流速将小于设计流速,可能引起渠道淤积。 严格来讲,粗糙系数 n 值除与渠槽表面的粗糙程度有关外,还与水深、流量、水流是否 挟带泥沙等因素有关。对人工渠道,多年了积累了较多的实际资料和工程经验。例如混凝土

n = 0.013 ~ 0.017 ;浆砌石 n = 0.025 左右;土渠 n = 0.0225 ~ 0.0275 ,更为详细的资料
可参考其它资料。天然河道的情况比较复杂,通常要根据对实际河流的实际量测来确定。

第三节
一、水力最佳断面

水力最佳断面和允许流速

在流量、底坡、糙率等已定时,设计的渠道断面可以有许多的答案。因此,要从渠道的 设计、施工和运用等方面就设计的断面形式和尺寸进行方案比较。从水力学角度分析,由明 渠均匀流水力计算公式可知:明渠的过水能力(即流量) Q q 与渠道底坡 i 、糙率 n 及断面形 状和尺寸有关。在进行渠道设计时,渠道底坡 i 一般根据地形条件或技术上的考虑选定(如 输送的是清水,还是浑水;渠道是干渠,还是支渠) 。糙率 n 则主要取决于渠壁材料、土质 及目前的运用情况。因此,当明渠的底坡 i 和粗糙系数 n 值一定时,明渠的过水能力就主要 取决于断面形状和尺寸。从经济观点考虑,在流量、底坡、糙率等已知时,总是希望设计的 过水断面形式具有最小面积,以减小工程量;或者说,在底坡、糙率、过水断面面积一定的 条件下, 设计的断面能使渠道通过的流量达到最大。 凡是符合这一条件的过水断面就称为水 力最佳断面。 梯形明渠水力最佳断面的宽深比:

β m = 2( 1 + m 2 ? m )


β m 代入梯形断面水力半径公式,可求得梯形水力最佳断面的水力半径等于水深的一
Rm = 1 1 h Rm = h 2 。对矩形断面,同样有 2 的关系。

半,即 以上所得出的水力最佳断面的条件,只是从水力学角度考虑的。从工程投资角度考虑, 水力最佳断面不一定是工程最经济的断面。在设计渠道断面时,必须结合实际情况,从经济 和技术两方面综合考虑。既考虑水力最佳断面,又不能完全受此约束。为此,工程实际中以 水力最佳断面为基础,提出了“实用经济断面”的概念,工程中也常采用之。实用经济断面 既符合水力最佳断面的要求,又能适应各种具体情况的需要。

二、允许流速
由连续方程可知,对于一定的流量,过水断面面积的大小与断面平均流速有关。为通过 一定的流量,可采用不同大小的过水断面,此时,渠道中就有不同的流速。如果流速过大, 可能引起渠槽冲刷,而流速过小,又可能引起渠槽淤积,降低了渠道的过流能力。因此,在 设计渠道时,必须考虑渠道的允许流速。 渠道的允许流速是根据渠道所担负的生产任务(如通航、水电站引水或灌溉),渠槽表面 材料的性质, 水流含沙量的多少及运行管理上的要求而确定的技术上可靠, 经济上合理的流

速。 为了保证技术上可靠,经济上合理,在确定渠道的允许流速时,应该结合工程的具体条 件,考虑以下几方面的因素。 (1)流速应不致引起渠槽冲刷,即流速应小于不冲允许流速。 (2)流速应不使水流中的悬砂淤积,即流速应大于不淤允许流速。 (3)流速不宜太小,以免渠中杂草滋生。为此,一般应大于 0.5m/s。 (4)对于北方寒冷地区,为防止冬季渠水结冰,流速也不宜太小。一般当渠道流速大 于 0.6m/s 时,结冰就比较困难,即使结冰,过程也比较缓慢。 (5)渠道流速应保证技术经济要求和运行管理要求。

第四节 明渠均匀流的水力计算
明渠均匀流的水力计算主要包括两类问题。 一类是对已建成的渠道, 根据生产运行要求, 进行某些必要的水力计算。 如校核已成渠槽的输水能力, 即已知渠道的断面形状尺寸、 水深、 底坡、粗糙系数,求渠道能通过的流量;或者对某段渠道测定流量,计算粗糙系数。另一类 是进行设计新渠槽的水力计算。主要有下列情况:①已知流量、断面形状尺寸、水深以及粗 糙系数,要求确定渠道的底坡。②已知流量、底坡、粗糙系数,要求确定渠道的断面尺寸。 上述两类明渠均匀流的水力计算问题都是如何解算明渠均匀流基本公式的问题。 一、校核渠道过水能力 已知 m. 例 b. h 0 .n .i 求 Q。由

Q = AC Ri 直接计算。

m3
某梯形排水渠道,L=1.0 b=3m m=2.5 底部落差为 0.5m Q 设 =9 实际水深 h=1.5m 渠道能否满足 Q 设 的要求。 (n=0.025) 解: Q = AC Ri

s 试算当

i=
2

z1 ? z 2 0.5 = = 0.0005 L 1000
X=b+2h 1 + m =11.08m
2

A=(b+mh)h=10.15m

A = 0.92m R= X

m
C=39.45

1

2

s

Q = AC Ri =8.58< Q 设 =9
i 。已知 m. b. h 0 .n Q 求 i
三、

m3

s 不能满足要求。

只有当 Q ≥ Q 设 时才满足要求。 二、

确定

Q2 2 i = k0

四、

n值
五、

A 23 R Jz n= Q

1

2

六、

四、设计新渠道

1、已知底宽求水深。已知 m. i. h0 .n Q ,求 b 。 2、已知水深求底宽。已知 m. b. .n Q 求 h0 。 以上二种情况均为 Q=f(h) 或 Q= f(b) 的高次隐函数, 一般采用试算图解、 查图法、 电算解法。 (1)试算法 以求正常水深 h 为例来介绍试算法。试算法的主要内容是:假设若干个 h 值,代入基本

公式计算相应的流量 Q 值。若所得的 Q 值与已知流量相等,这个相应的 h 值即为所求,否 则,继续试算,直到算到与已知流量相等为止。在实际试算过程中,为了减少试算工作量, 常常假设 3~5 个 h 值,求出 3~5 个相应的流量 Q 值,这些求出的流量 Q 值必须把已知流 量值包含在中间。 然后, 绘出 Q = f (h) 曲线, 利用该曲线可确定出与已知流量相对应的 h 值,

即在曲线上根据已知流量值对应地查出 h 值,该 h 值即为所求。 (2)查图法 由于试算法工作量大,比较繁琐。为了简化计算,工程中已制成了许多图,已备查用。 图的形式较多, 在我国最通用的是拉赫曼诺夫梯形断面渠道均匀流水深或底宽求解图。 我国 工程技术人员也创造了不少图解法。图解法的优点是不用内插;缺点是查曲线图费视力,同 时,因图幅小,图中曲线的某些部分精度差甚至查不出。因此,为保证查图结果的可靠,一 般可将查图结果再回代检验。 处查图法外,还有数表法,即将函数关系以表的形式给出。数表法的优点是查算方便, 但仍需内插,精度也不是很高。 (3)电算解法 电算解法具有速度快,精度高,应用方便的优点,在实际工作中正在逐步普及。电算解 法根据其计算方法常用的有二分法、牛顿法、迭代法。 3、已知宽深比,设计渠道断面。已知 m. .n Q. i 宽深比 β , 确定 h0 和 b。将 代入公式后只有一个未知量,可由公式直接求解。 4、按水力最佳断面设计梯形渠道,可直接计算。 5、限定渠道流速设计渠道断面,可由公式直接计算。 b=βh

粗糙度不同的明渠及复式断面明渠的水力计算 第五节 粗糙度不同的明渠及复式断面明渠的水力计算

在水利工程中,根据工程实际情况 有时渠底和渠壁会采用不同的材料,即会遇到沿湿 周各部分粗糙度不同的渠道, 这种渠道称为非均质渠道。 例如, 沿山坡凿石筑墙而成的渠道, 即靠山一侧边坡和渠底为岩石,另一侧边坡为块石砌筑的挡土墙;底部为浆砌石,边坡为混 凝土衬砌的渠道;冬季被冰封闭的河渠。由于沿湿周各部分糙率不同,因而它们对水流的阻 力也不同,可以采用一个综合的糙率来反映整个断面的情况。也就是说,对这样的渠道进行 水力计算,首先应该解决的是怎样由各部分糙率计算综合糙率的问题。 根据巴甫洛夫斯基提出的方法 (具体推导过程参见徐正凡教材) 得到的综合糙率计算公 式如下。

n=

2 χ 1 n12 + χ 2 n 2 + χ 3 n32 χ1 + χ 2 + χ 3

当渠道底部粗糙系数小于侧壁粗糙系数时,可用上式计算。 根据爱因斯坦提出的方法得到的综合糙率计算公式如下。

χ n 2 + χ 2 n 2 2 + χ 3 n3 2 2 3 n=( 1 1 ) χ1 + χ 2 + χ 3
一般情况下的综合糙率也可采用对各部分湿周的糙率取加权平均值的方法进行计算, 即

3

3

3

n=

χ 1 n1 + χ 2 n2 + χ 3 n3 χ1 + χ 2 + χ 3

深挖高填的大型渠道,流量变化范围比较大的渠道,常采用复式断面明渠,以有利于边 坡稳定。复式断面常常是不规则的,粗糙系数也可能沿湿周有变。此外,由于断面上水深不 一,各部分流速差别较大,如果把整个断面当作统一的总流来计算,直接用均匀流公式,将 会得出不符合实际情况的结果。 主要问题是当水深从主槽刚漫上滩地时, 过水断面面积虽有 增大,但湿周突然增大许多,使水力半径骤然减小,以致出现水深增大而流量减小的错误结 果。因此,复式断面明渠的水力计算决不能按一个断面统一计算。 对右图所示的复式断面,其流量计算过程如下。

Q1 = K1 i Q2 = K 2 i

Q3 = K 3 i Q = Q1 + Q2 + Q3 = ( K1 + K 2 + K 3 ) i
1.渠道衬砌设计 渠道衬砌设计总体可分为 2 步工作,首先是渠道断面形式的选择,即优化断面水力要 素,改善防冻条件,然后是衬砌材料的选择,即在渠床表面铺设防渗层以提高防渗能力而进 行的材料选择。 1.1 渠道断面形式 (1)矩形断面。这是一种较为原始的断面形式,至今在一些小型渠道工程中仍在延用, 这种断面多呈长方形或正方形,设计、施工简单,但是矩形断面的水力半径小,湿周长等不 足,使渠道的水力条件较差,从而过水能力较低。矩形断面渠道的防渗体往往采用浆砌石或 混凝土等刚性材料,由于衬砌后的渠底和边坡多为水平和垂直形式,抗冻效果很差,在大型 渠道工程中往往不采用矩形断面。 (2)梯形断面。这种断面形式是在矩形断面不足基础上发展起来的一种形式,早期为 大部分渠道工程所采用,它具有较好的水力条件,过水能力相对较高,这种断面呈倒梯形, 两侧渠边坡常采用 1: 1~1: 1.5, 最大可取到 1: 以上, 2.0 水力最优断面的宽深比为 0.83~ 0.61,最小值可为 0.47,对于大型渠道宽深比为 1~3,防渗衬砌材料常采用黏土料,浆砌块 石(砾、卵石)或混凝土、钢筋混凝土;这种断面形式在各方面较矩形断面有所改进,但是 梯形断面的渠道抗冻能力依然较差,而且在大型渠道工程中占地较多。 (3)U 型断面。这种形式在水力条件和抗冻能力等方面都大大优于矩形或梯形断面, 其形式为半圆直边式和圆弧斜边式两种,前者多用于小型工程,后者用于较大工程,从面积 相等的几何图形可知,圆的周长最短,所以该形式相对湿周较矩形、梯形的水力半径大,在 其它条件相同的前提下,U 形断面流量大,据有关资料介绍,混凝土 U 形渠道比混凝土预 制板衬砌梯形渠道节省投资 20%~30%,减少工程量 30%~40%,特别是因为底弧半圆拱 的作用,整体结构的抗冻性较好。但是,这种断面形式在土质渠道中断面成型比较困难,渠 坡也不易稳定, 所以必须采用混凝土材料衬砌。 另外, 形渠道的衬砌体大部分为预制砌筑, U 仅限于小型或部分中型渠道, 对于流量较大的大型渠道则采用混凝土现浇, 其质量多因密实、 难均匀、温度缝影响等问题难以控制,在水、电不很便利的山区渠道工程中,给施工造成一 定难度。 (4)梯弧形复式断面。这种断面形式是在梯形和 U 形渠道断面基础上演变成的一种新 型断面形式,在大、中型渠道工程中被广泛应用,该断面底部为圆弧状,两侧渠边坡为直线 段,边坡系数根据渠底弧中心角确定,一般类同于梯形断面边坡,范围在 1:1~1:1.75 之间,个别取值 1:2.0 以上;圆弧中心角大于或等于 90°。梯弧形复式断面同时具备了梯 形和 U 形断面的优点;湿周较小,水力半径大,过水条件好,抗冻性能高,占地少,投资 省。 1.2 建材类型 渠道建材类型很多,根据工程规模、使用条件、防渗抗冻标准以及防污染、防腐蚀和节 约工程投资等多方面因素进行综合比较选择,就目前使用的渠道建材类型和各自的特点评 价,提供在设计中正确选用。 (1)纯土料。土料分布广泛,储量大且造价低,在其它建材类型不足或投资条件限制

的小规模渠道工程中,土料是常用的建材,施工中按照渠道设计开挖断面开凿渠床,然后选 择适当的土料进行渠床夯填,夯填的干容重一般要求在 1.5t/m3 以上,然后再削整成设计断 面。土料衬砌的最大缺陷是受设计不冲不淤条件下的纵坡和开挖断面的影响大,工程开挖, 回填量大,而在实际运行当中经常发生渠道渗漏,冲刷或溃堤等现象,容易造成事故,特别 是在强湿陷性黄土地区,因渗漏产生的湿陷会导致山体滑坡,山体前缓沉陷裂缝,诱发黄土 岩溶等不良后果,所以土料衬砌只限于小型的矩形、梯形渠道,如:农渠或毛渠及小型排水 沟。 (2)混合土料。混合土料包括:3:7 灰土,水泥土等,这种材料仍属于土料范畴之内, 是由工民建筑的基础材料引入到渠道衬砌工程中的,从 50 到 60 年代被重点采用。至今仍 在一些地区受到建设者的欢迎。它与纯土料相比,具有密度大、强度高、不易湿陷变形及防 渗效果好、投资省等优点,但在有些地区因地下水位较高,混合土料的使用效果并不理想, 尤其是 3:7 灰土中所用的掺合料是石灰即 Ca(OH)2,它是通过与空气中的 CO2 反应生成 CaCO3 来达到渠基固结目的,但化学反应式:Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O,可知所析 出的水分若不及时蒸发或排泄,将使基础中含水量增大,导致变形或冻胀,而作为基础埋深 较大时,Ca(OH)2 很难与 CO2 反应生成 CaCO3,则达不到固结的目的,使基础强度减弱, 另外有些混合料中含有有害物质污染水质,所以混合料使用的局限性较大。 (3)浆砌石。在块石或砾石料丰富的地区,浆砌石被广泛应用于渠道衬砌工程中,在 60 年代这种建材较为推宠。浆砌石衬砌的特点是:抗冲刷能力强,抗冻性能好,相对来讲 工程造价不十分高;该材料多用于纵坡较陡,流量较大的大中型渠道工程,而且可根据渠道 设计断面的要求砌筑成多种断面形式,施工复杂,但是浆砌石料短缺的地区不易选用,同时 浆砌石渠道的渗漏损失仅低于土渠,渠道水损失严重。另外浆砌石衬砌具有糙率较大,占地 多, 衬砌砂浆填缝多因间断停水受温度影响变形缝较大缺陷, 但因为浆砌石的抗冲抗冻能力 其它建材很难达到,所以在北方片的渠道衬砌工程中仍被看成是一种较理想的建材。 (4)混凝土或钢筋混凝土。随着混凝土生产及工艺的发展,70 年代后,混凝土和钢筋 混凝土已由原工民建筑或大型水利工程逐渐转向渠道衬砌工程, 特别是在大型输水渠道或重 要险段工程中被迅速普及和推广。 混凝土或钢筋混凝土材料作为渠道衬砌具有: 板状结构体 积轻巧,重量小,施工可塑性强,防渗漏、抗冲刷、适应冻胀变形、使用寿命长等多项良好 性能,相对土渠或浆砌石渠道过水流量大。在实际应用中,混凝土或钢筋混凝土的强度等级 一般为 C10~C15,有特殊要求的可选取 C20,施工手段可分为混凝土预制件和混凝土、钢 筋混凝土现浇衬砌两种, 前者多用于缺水少电等施工条件较差的中小型渠道, 具有保持混凝 土工厂生产和控制质量的特征,后者则用于大型渠道工程,现浇混凝土的整体性好,防渗抗 冻等条件较混凝土预制件衬砌优越, 而且施工进度快。 目前在渠道衬砌工程中所采用的混凝 土材料无论是予制还是现浇多制成薄型板结构,厚度在 0.06~0.4 ㎜,最大厚度在 0.8 ㎜左 右, 作为钢性材料同时又是薄型结构的混凝土衬砌体, 从防冻角度出发需要提高渠道的设计、 施工质量, 对于基础的土料级配情况和夯填手段应高度重视, 特别是在湿陷性黄土地区和冻 胀敏感土质, 对渠基设计的要求就会更高, 一般在基土粒径为 0.05~0.002 ㎜之间的土质中, 渠道多选择填方或半填半挖渠基的形式,少用深挖渠基形式,必要时将要换基处理,渠基土 质最好是含砾卵石较多或排水效果好的砂壤土, 避免在粘粒含量过多的基础修渠, 渠道基础 要求夯填后的干容重 γd≥1.5t/m3,保证其稳定和密实,减轻冻害。由于受渠道衬砌的混凝 土体积小的限制, 材料本身不抵御强烈的冻胀而只能适应部分基础变形量, 所以在设计与施 工中就要充分考虑如何降低基础含水量, 减少基础冻胀量等措施; 以尽可能地减少渗漏和外 来补充水, 同时加强基础排水能力来解决大部分的冻胀变形。 其次是结合渠道断面几何形状 的不断改进来提高混凝土衬砌结构的适应能力; 在特别重要的渠段或冻胀强烈的地区可采用 钢筋混凝土材料衬砌渠道,但造价很高,不能广泛使用,以上所说的混凝土或钢筋混凝土材 料在施工中可根据设计浇筑成任何一种断面形式, 在大力提倡节水灌溉, 减少渠道渗漏损失 的形势下,混凝土或钢筋混凝土是一种比较理想,应用极为广泛的建材。 (5)膜料防渗。膜料防渗是新发展的一种衬砌方式,用于渠道防渗的膜料多为:土工 织物, 聚氯乙烯薄膜和沥青玻璃丝布等。 膜料属于柔性材料, 目前在渠道工程中被大量采用, 它具有防渗标准高,能适应较大的冻胀变形、造价低廉等优点,弥补了混凝土衬砌型式中的 许多缺陷,膜料在渠床开挖断面完成后,稍经整平处理后即可铺设,然后加盖保护层,保护 层可用土料、混合料或砂浆等,防渗效果较好;膜料防渗的不足之处也十分突出;如施工较

复杂、主要是膜 料铺盖间的搭接,同时为保证保护层的稳定,渠道边坡较大,均在 1:1.5 以上,因而占地较多,另外 ,膜料对基础土质有较高的要求,如果基土含有大量有机物会 导致膜料过早老化而降低防渗标准, 在彬草或其他植物杂生地带、 膜料很容易进行膜防渗衬 砌的渠基一般要做一些处理,如换基或掺入除草剂等到措施,膜料防渗虽然有以上不足,但 是作为一种新型防水材料, 发展前途仍然很大。 这是因为从各种衬砌材料的防渗效果的比较 中可知:膜料>现浇混凝土>预制混凝土>浆砌石土料,而且随着化学工业的发展,还会有 新型的柔性材料代替目前的膜料,提高渠道防渗标准。 2 渠道衬砌形式的演变 当今我国明渠灌溉面积仍在 90%以上, 而渠系水量损失约占引水时总损失的 50%左右, 因此就要求在现有的基础上不断改善渠道衬砌措施。 目前渠道断面的几何形态和衬砌材料都 在不断地演变和发展, 其原则就是: 更加优化断面水力要素、 提高防渗抗冻标准, 节省建材、 降低工程造价等。 (1)如何优化断面水力要素。优化渠道断面水力要素是为了尽可能减少渠道断面积, 提高过水能力,减少渠道渗漏,增强抗冻效果。要达到这种目的,除了在设计中尽量采用较 陡的纵坡外,还要降低衬砌材料的糙率,更重要性的是继续研究、优化断面的几何形状。从 渠道断面由单一的矩形、梯形逐渐演化成 U 形和梯形的趋向可知断面形状越接近圆形,水 力条件就越好,曲率半径越大、流量增加越大,从实际调查结果看各类断面的防渗效果和抗 冻标准的优先圆形>U 形梯弧形(抛物线)>梯形>矩形,所以今后渠道断面的设计将会围 绕圆形、半圆形或抛物线形等断面进行研究。 (2)降低衬砌材料的用量和造价。渠道衬砌工程往往消耗建材量很大。在同一工程中, 渠道开挖,回填土方、衬砌用材等的数量要占整个工程造价的 80%~90%以上,所以在渠 道防渗技术中,要研究如何降低衬砌投资。①优化渠道断面,这是目前减少建材的一项得力 的措施,在相同流量标准下,U 形或梯弧形、抛物线形的断面积要远小于矩形或梯形,材料 80%~87%左右,圆形或半圆形将会更少;②研究生产新型的低糙率、防渗抗冻标准高的建 材以取代目前的混凝土。虽然混凝土材料的优点突出,应用广泛,但仍然存在价格昂贵的问 题,还是工程造价高的一个主要方面,今后的价格低、性能稳定的柔性膜料将会推广使用于 渠道衬砌。 (3)衬砌结构的改造。虽然介绍的 U 形或梯弧形复式断面有许多优点,但同时也发现 这类断面在边坡倾角较小,边坡系数不大时,直线段部分仍会发生冻胀裂缝,特别是梯弧形 断面,渠底圆弧段抗冻效果明显,但边坡受冻害影响,破坏仍很严重,这是因为在断面形式 上仍残留梯形断面的缺陷,所以在研究直线段衬砌结构改良,如采用槽形面板、变截面面板 或增大面板面积和体积等措施, 在防冻胀方面有一定的效果, 但这些措施因施工复杂而仅限 于试验阶段或大型工程的衬砌。目前,在衬砌结构是被认为易推广的是一柔两性材料衬砌, 即在混凝土衬砌体下面增设膜料的方式,利用混凝土糙率低,强度大,抗冲刷,稳定性好的 优点,同时发挥膜料防渗效果好,适应变形的特点,大大降低渠道渗漏水,减少渠基内的含 水量,避免发生强冻胀,这种衬砌在当前还算是一种较好的防渗结构。 3.渠道防渗技术的发展 从以上各种断面和材料的介绍, 目前渠道衬砌的断面形式和材料及其结构上都已经产生 了许多类型,但各自仍存在许多薄弱环节,而且有些很难在原基础上给予改造,今后根据国 家和地方发展的情况,渠道衬砌技术应抛开一些约束,向更新的方向发展。 (1)架空渠道。这种形式类似于渠道工程中的矮墩渡槽,它是以排架或支墩将渠道架 空离开地面,这样就可以完全避免了基础冻胀破坏的可能,同时渠道工程占地极少,渠道周 围仍可耕种, 管理也很便利, 其次在渠道工程规划布置上也会降低地形的影响而大大的缩短 渠道长度,这种结构的一次性投资较大。 (2)管道输水。地一些渠道工程中应推广使用管道输水技术,其管道可以明铺也可埋 设,该形式的防渗,防蒸发,防冻害的效果都非常好,占地也很少。尤其是对一些中小型渠 道工程和地质条件差,开挖困难,冻胀敏感性土及水源缺乏,耕地较少的地区,管理输水远 优先于明渠,输水管材可根据工程条件选择:钢筋混凝土、混凝土、水泥土、塑料、陶土等, 如果进行合理的渠系规划和设计方案比较, 管道输水的使用年限将高于明渠且一次性投资不 会很高。 (3)生物防渗。对一些无间断停水的渠道有长期保持开展生物防渗工程,其造价非常

低,效果比较明显,另外还可以净化水质,所以防渗也是一项措施;对间断停水的渠道,根 据间断时间也可以采用人工种植水草等植物来达到生物防渗的目的, 渠道堤顶外边坡种草植 树,还能有效地减少渠内的含水量,减轻胀现象。 今后渠道衬砌形式的发展不会是单纯地从某一方面或一项措施来考虑其结构及材料的 选用。而是从多方面、多角度、综合性地研究,推广衬砌技术,同时还肢结合其他学科的理 论来探讨在渠道工程中的实用价值,以此来提高渠道防渗、抗冻等标准。


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