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信托定融政信知识：

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3.90m 3 /s，加大流量4.90m 3 /s，控制灌溉面积6.74万亩

    同时承担着小海子水库1048.1万m 3 和鮑家湖水库447万m 3 的蓄水任务

    三清干渠始建于1975年，原为土渠运行，2001～2004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+066～26+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+066～26+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+066～26+674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+066～26+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m 3

    同时，由于5～7月份黑河基本断流，三清干渠通常只能引1～2m 3 /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+066～26+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m 3 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+066～26+674渠段是解决问题的关键

    3.工程设计3.1抗冻胀设计经地质勘察，三清干渠CH23+066～26+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85.3cm，渠底98.5cm，阴坡127.84cm，冻胀量为7.57cm

    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50～70cm，渠底60cm，阴坡60～95cm

    抗冻胀结构措施采用设计方案比较优选

    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+066～26+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3～5m，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3.608km

    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60～95cm，渠阳坡50～70cm

    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  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

     施工工序多，工程质量不易控制

      使用年限 30 30～50 30～50  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2.2m，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（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+066～26+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+066～26+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

    M w =P 水 ×   ×h=17.689×   ×1.9=11.2KN.mM=γ 0 .ψ.M w =1×1.0×11.2=11.2KN.m2)配筋计算由《钢筋砼计算手册》查附录表，取砼保护层C=25mm（二类环境条件），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

    α s =   =   =0.01914ζ=   =   =0.01932＜ζ b =0.614（截面尺寸和砼强度满足要求）A S =fc.ζ.b.h 0 /f y =10×0.01932×1000×270/210=242 mm 2 ρ=A S /b.h 0 =242/（1000×270）=0.091%＜ρ min =0.15%根据以上计算得，截面尺寸和砼强度满足要求，只需按要求配构造筋，受力纵筋选用φ30@300；箍筋选用φ8@300（@300表示每两根钢筋中心的距离为300mm）

    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+066～26+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

    ①箱形暗涵自重：标准值：g k  渠 =γv=24×（3.8×0.4+3.8×0.2+1.8×0.3×2）=80.64 KN/m设计值：g 渠 =γ G g k =1.05×80.64=84.67 KN/m②箱形暗涵中水自重：标准值g k  水 =γv=9.8×（1.02×2+3×1.3）=50.27 KN/m设计值g 水 =γ Q g k =1.2×50.27=60.32 KN/m③箱形暗涵外坡主动土压力标准值P k  土 =0.5γ    Ka=0.5×16×   ×   =8.7 KN/m设计值P 土 =γ G P ka  土 =1.05×8.7=9.14 KN/m④库中水压力标准值P k  水 =    =0.5×9.8×1.9×1.9=17.69 KN/m设计值P 水 =γ Q P k  水 =1.2×17.69=21.22 KN/m2)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0.45，抗滑稳定安全系数k s 为1.3，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 =   =   =5.4＞1.3b、第二种工况：箱形暗涵有水，库中无水k s =   =   =6.59＞1.3c、第三种工况：箱形暗涵无水，库中有水k s =   =   =3.15＞1.3d、第四种工况：箱形暗涵无水，库中无水k s =   =   =4.16＞1.3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+066～26+674渠段长3.608km，控制灌溉面积6.74万亩，设计流量为3.90m 3 /s，设计正常水深1.5m，加大流量为4.90m 3 /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

    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26+666、27+266、28+266、28+466顶部设检修孔，检修孔采用钢筋砼预制盖板加橡皮止水，以防水库水进入渠内

    三清干渠暗涵左岸可用壤土填至与渠顶齐平，宽度2～3m；右岸岸顶宽度1.5m，用干砌块石护岸坡，以防止水库水淘空渠低

    4 结语正反拱箱形暗涵渠道具有防渗、抗冻胀、抗冲刷性能较好，整体性稳定性较强，适宜于强、极强冻胀区和软土地基层；具有施工工序少，工程造价适中等优点

    实践 应用 表明，正反拱箱形暗涵对解决软土地基不均匀沉陷、强冻胀基土对渠道冻胀破坏等具有十分显著的效果，推广价值极为广泛

     两车道隧道已远不能满足日渐增长的行车要求，三车道隧道已在实践中得到大规模运用

    隧道规模越大技术也相应复杂，因此，与过去一般公路隧道在设计、施工和运营管理方面均有质的差别，这带给公路隧道建设者的是机遇更是挑战

     　　1.施工技术简介 　　隧道质量取决于工艺质量，工艺质量取决于开挖、初期支护及防排水质量等，初期支护和防排水质量等比较好控制可以加强监管，那么重点就是开挖质量，开挖质量又取决于钻爆质量，就是说理论上没有了超欠挖后续的初支质量就有了保证，因此说隧道质量的好坏很大程度上取决于钻爆的质量，首先确定钻爆的方案预裂爆破还是光面爆破首先我们从理论上来分析，由于v级围岩岩体松散、裂隙较发育无法采用或实现光面爆破技术，那么必须熟练掌握预裂爆破技术及特点

     　　2.预裂爆破 　　进行石方开挖时，在主爆区爆破之前沿设计轮廓线先爆出一条具有一定宽度的贯穿裂缝，以缓冲、反射开挖爆破的振动波，控制其对保留岩体的破坏影响，使之获得较平整的开挖轮廓，此种爆破技术为预裂爆破

    预裂爆破不仅在垂直、倾斜开挖壁面上得到广泛应用；在规则的曲面、扭曲面、以及水平建基面等也采用预裂爆破

    预裂爆破要求：①预裂缝要贯通且在地表有一定开裂宽度

    对于中等坚硬岩石，缝宽不宜小于1.0cm；坚硬岩石缝宽应达到0.5cm左右；但在松软岩石上缝宽达到1.0cm以上时，减振作用并未显著提高，应多做些现场试验，以利总结经验

    ②预裂面开挖后的不平整度不宜大于15cm.③预裂面上的炮孔痕迹保留率应不低于80％，且炮孔附近岩石不出现严重的爆破裂隙

     　　根据预裂爆破的特性、要求经过试验和反复研究对钻爆设计做了适宜的改动做到动态控制，主要技术措施、指标最后确定如下：炮孔直径一般为50～200mm，对深孔宜采围较大的孔径

    炮孔间距宜为孔径的8～12倍，坚硬岩石取小值

    不耦合系数（炮孔直径d与药卷直径d0的比值）建议取2～4，坚硬岩石取小值

    线装药密度一般取250～400g／m.分散药卷的相邻间距不宜大于50cm和不大于药卷的殉爆距离

    考虑到孔底的夹制作用较大，底部药包应加强，约为线装药密度的2～5倍

    装药时距孔口1m左右的深度内不要装药，可用粗砂填塞，不必捣实

    填塞段过短，容易形成漏斗，过长则不能出现裂缝

    一般情况来说开挖应尽量采用大断面或较大的断面开挖，以减少对围岩的扰动，根据围岩特征经过反复研究、现场考察、论证和试验洞的开挖，由于断面大开挖方法最后确定为双、单侧壁导坑开挖法，钻爆方案确定为V级围岩预裂爆破设计，IV级围岩实践光面爆破，实践证明这两种爆破方案均符合辖区隧道IV、V围岩实际，按照此方案实施爆破，爆破效果较好

    但要解决的问题是双、单侧壁导坑法二次扰动比较大，加之围岩比较松散极易出现塌方，特别是浅埋段甚至会出现冒顶，方案是可行的，问题是要怎么去解决二次扰动问题，经过实践和多次试验证明二次扰动对围岩、初支影响非常大，初支表面加上爆破震动效应的影响靠近掌子面处基本上都会出现开裂、变形，拱架接头有的会应力扭曲，甚至出现掉拱，某种程度上来讲双、单侧壁拱架是起到了简支梁在中部给一个支点的反作用力的作用，是破坏整体受力的作用，如何加之利用导坑开挖优势，取长补短又要确保质量安全呢，首先我们经过理论分析围岩受力情况，单、双侧壁是分部开挖、分阶段受力（持续受力）、整体持续收敛的一个过程，经过反复试验发现二次扰动其实如果控制在围岩变化（拱顶下沉、周边收敛、位移）在一定的范围内时，扰动是对围岩、初支影响最小，在这区段进行下部接腿、成环或导坑中部接拱最为可行也是最安全的，对初支的影响可以忽略不计，其次就是必须要严格开挖步序，必须是两内侧壁先行，后续工序跟进循序渐进的工艺，遇到比较软弱围岩时（如流沙、断裂层）侧壁导坑也须遵循“短进尺，弱爆破，强支护，早封闭”的原则

     　　3.明洞施工及洞门施工 　　洞口边、仰坡和明洞开挖与支护应自上而下分层开挖，而且要洞外、临防、排水要先行，使地表水通畅，避免地表水冲刷坡面

    必要是采取人工修坡，防止超挖，减少对洞口相邻地段的扰动；开挖暴露的边坡及时施作设计的防护，降低围岩暴露而风化，支护要紧跟，辖区内都为高边、仰坡，如果不及时安全无法保证，况且会浪费很多的人力物力，明洞衬砌必须检查、复核明洞边墙基础的地质状态和地基承载力，满足设计要求后，测量放样，架立模板支撑，绑扎钢筋，安装内外模板，先墙后拱整体浇注衬砌混凝土，集中拌和泵送入模，插入式振捣器配合附着式振捣器捣固密实

    洞门施工对于削竹式洞门，同明洞同时施作，削竹斜面按坡度安装木模板，用角钢将斜面端模与边模固定成整体

    明洞防水层与回填：明洞衬砌完成后强度达到50％方可拆除外模，铺设防水层，回填要对称每层不大于30cm，两侧高度差不得大50cm，回填至拱顶后，再分层满填至完成，做好表面隔水层

     　　4.洞口V级围岩浅埋、破碎段的开挖与支护 　　进洞方式 ：洞口段覆盖层薄、地质条件差，当开挖深度至起拱线时，先施作进洞导向墙及大管棚，待明洞衬砌完成后，接长管棚尾端，搭接于明洞上，使管棚尾端形成一个固定支撑，在大管棚的保护下开口进内侧壁，两内侧壁导坑的进尺也要错开前后（5～10m）

    如果是小间距还必须设置预应力对拉锚杆

    V级围岩破碎带开挖与支护：上断面内侧壁导坑先进，进尺0.7m，立即对围岩面初喷，顺围岩安设第一层Φ8的钢筋网片，并连接成整体，架设主动及临时支护的型钢拱架，并用Φ25钢筋将拱架与上一榀连接成整体，打孔送入Φ25中空锚杆并压注浆，安设第二层钢筋网片，分层喷护至设计轮廓线，注意每榀拱架背面的密实情况，进尺约5～10m后，下断面的导坑开挖支护，同时外侧壁导坑也可开挖，当下断面成环进尺约20～35m后，核心土上部弧形导坑开挖支护接拱，进尺3m～5m后可开挖中部及支护，最后下部隧底与先前的左右导坑的下断面完全结合封闭成环，共分七部开挖支护，所有工序必须严格遵循开挖支护步序，必须是两内侧壁先行，后续工序跟进循序渐进的工艺

    同时必须要有监控量测的数据为基础，应力的重新分配或转换，将增加支护与地层的位移、沉降、变形，拆除前后应加强洞身变形及支护受力的监控量测

     　　5.IV级围岩段的开挖与支护 　　本区段IV级围岩根据围岩的节理发育、走向和围岩的风化脆弱程度情况我们将其区分为两种情况对待，一种为IV级一种为IV级加强段，为了节约成本和发挥最大的时间效应，开挖方法也有所调整准IV级为上下台阶留核心土开挖法－正台阶开挖，IV级加强段为CD工法工序开挖－单侧壁开挖法；钻爆开挖均采用实践光面爆破，为了进一步搞好光面爆破，提高爆破效率，实现安全快速开挖，提前实现独头施工贯通，施工与监理单位共同成立了一个光面爆破技术专题小组，在认真总结Ⅲ级围岩爆破实践的基础上，研究探讨IV围岩全断面光爆技术，施工过程中效果甚好，特别是上下台阶法施工，炮眼残痕率达95%，特殊地段拱部钎痕率达85%，边墙达80%，局部最大超挖量为10㎝，欠挖量为8㎝，IV级围岩实践采用光面爆破取得的有关技术参数及效果，爆破专题组通过多次爆破实践，反复修正爆破参数，最终确定IV类围岩的钻爆方案

     　　6.Ⅲ级围岩段的开挖与支护 　　隧道Ⅲ级围岩因岩性较IV、V级围岩更稳定，施工相对更易于完成

    通常Ⅲ级围岩均采用台阶法开挖，利用多功能作业台架，人工钻爆开挖，采用光面爆破，每循环进尺3～3.5m，应注意：台阶长度不宜超过隧道开挖宽度的1.5倍，台阶不宜多分层；上台阶施工时，应采取有效措施控制其下沉和变形；下台阶应在上台阶喷射混凝土强度达到设计强度70%后开挖

    当机械化程度较高，各隧道施工工序能及时完成时，也可采用全断面施工，施工过程中必须确保系统锚杆的施工质量

    根据Ⅲ级围岩的岩性，通常钻爆开挖均采用实践光面爆破，要求残留炮孔痕迹，应在开挖轮廓面上均用分布

    炮孔痕迹保留率：硬岩不少于80%，中硬岩不少于70%.相邻两孔之间的岩面平整，孔壁不应有明显的爆破裂隙，相邻两孔之间出现的台阶形误差不得大于150mm.具体炮眼的深度、角度和间距应按具体爆破设计要求确定，应符合具体爆破精度规定

    施工支护紧随开挖面及时施作，支护采用锚杆、锚杆挂网、喷射混凝土或锚喷联合支护的方式

    

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