第四节 防渗渠道设计

一、渠道断面形式

渠道防渗设计应在防渗规划的基础上，按照渠道的工程级别或规模、不同设计阶段的要求，并结合当地实际情况进行。渠道防渗设计需要确定渠道断面形式，选定断面参数，进行水力计算，并综合分析渗漏、冻胀、冲刷、淤积、盐胀、侵蚀等不利因素的影响使渠道防渗设计符合防渗和渠基稳定的要求。

防渗明渠的断面形式可选用梯形、矩形、复合形、弧形底梯形、弧形坡脚梯形、U形；各种断面形式如图2-18所示。

防渗渠道断面形式的选择应根据渠道级别和规模，并结合防渗结构的选择确定。不同防渗结构适用的断面形式不同，实际规划设计中可根据具体情况参考表2-5选定。寒冷地区大、中型防渗渠道宜采用弧形坡脚梯形或弧形底梯形断面，小型渠道宜采用U形断面。

图2-18 防渗渠道断面形式

（a）梯形断面；（b）矩形断面；（c）复合形断面；（d）弧形底梯形断面；（e）弧形坡脚梯形断面；（f）U形断面

在实际施工过程中，砌筑混凝土预制板（槽）防渗渠道，宜采用标准化设计、工厂化预制、现场装配技术；现场浇筑混凝土渠道，宜采用机械化施工技术。

二、渠道水力计算

防渗渠道按其防渗材料可分为两类：一类是土料衬砌渠道或具有土料保护层的防渗渠道，这种渠道的纵横断面设计方法与一般土质渠道设计方法相同；另一类是材料质地坚硬、抗冲性能良好防渗渠道，这类渠道渠床糙率较小、允许流速较大、工程投资较高，为了降低工程造价和节省渠道占地，常采用水力效率更高的断面形式，水力计算方法也有自己的特色。

防渗渠道的断面尺寸水力计算应符合下列要求：

式中 Q——渠道设计流量，m3/s；

ω——过水断面面积，m2；

n——渠道糙率系数；

R——渠道水力半径，m；

i——渠道比降。

设计渠道要求工程量小，投资少，即在设计流量Q、比降i、糙率系数n值相同的条件下应使过水断面面积最小，或在过水断面面积ω、比降i、糙率系数n值相同的条件下，使通过的流量最大。符合这些条件的断面称为水力最佳断面。当ω、i、n一定时，水力半径最大或湿周最小的断面就是水力最佳断面。在各种几何图形中，半圆形断面是水力最佳断面，但修建困难且不稳定，只能修成接近半圆的梯形断面（图2-19）或U形断面。其中糙率n取值可根据《渠道防渗工程技术规范》（GB/T 50600）具体选取，且在具体渠道设计中，还需将断面尺寸按不冲流速、不淤流速等进行校核。

图2-19 梯形断面

1.梯形防渗渠道断面尺寸及水力计算

式中 χ——湿周，m；

H——断面水深，m；

b——梯形底宽，m；

m——渠道上部直线段的边坡系数，。

【例2-1】 某灌溉渠道采用梯形断面，设计流量Q=4.8m3/s，边坡系数m=1.5，渠道比降i=0.0005，渠床糙率系数n=0.025，渠道不冲流速0.8m/s，不淤流速0.4m/s，求渠道过水断面尺寸。

解：初设b=2m，H=1.5m，作为第一次试算的断面尺寸。

计算渠道断面各水力要素：

即设计断面所能通过的流量5.049m3/s大于设计流量4.8m3/s。

设计流速满足校核条件：

所以，渠道设计过水断面尺寸是b=2m，H=1.5m。

2.U形、弧形底梯形防渗渠道断面（图2-20）尺寸及其水力计算

（1）断面尺寸的各主要指标可按下列公式计算。

图2-20 U形和弧形底梯形

（a）U形断面；（b）弧形底梯形断面

式中 χ——湿周，m；

θ——渠底圆弧的圆心角，rad；

H——断面水深，m；

r——渠底圆弧半径，m；

b——弧形底的弦长，m；

m——渠道上部直线段的边坡系数，。

（2）渠顶以上挖深不超过1.5m 时，边坡系数小于或等于0.3。渠线经过耕地时，U形渠道Kr可按表2-6选用。填方断面或渠顶以上挖深很小、土质差时，U形渠道Kr，取1.0～0.8。

【例2-2】 某支渠拟采用U形断面，混凝土防渗，已知Q=3.8m3/s，H=0.62m，m=0.5m，r=0.4m。求合适的θ角度（要求在120°～160°），使得渠道的流速在0.50～0.55m3/s。

解：已知H=0.62m，m=0.5m，r=0.4m，则

选取θ=135°，进行试算。

则：

56m3/s，不满足。

经过反复试算，当θ=150°时，A=7.06m2，V=0.51m3/s，满足要求。

3.弧形坡脚梯形防渗渠道断面（图2-21）的尺寸水力计算

图2-21 弧形坡脚梯形

式中 θ——圆弧坡脚的圆心角，rad；

H——断面水深，m；

r——坡脚圆弧半径，m；

b1——渠底水平段宽，m；

B——水面宽，m；

m——渠道上部直线段的边坡系数，m=cotθ。

三、防渗结构设计

1.伸缩缝

刚性材料渠道防渗结构及膜料防渗的刚性保护层，均应设置伸缩缝（图2-22）。以适应气温变化和地基变形引起的防渗层（或保护层）的变形要求。伸缩缝的间距应根据渠基情况、防渗材料和施工方式按规范选用；伸缩缝的宽度应根据缝的间距、气温变幅、填料性能和施工要求等因素确定，宜采用2～3cm；当采用衬砌机械连续浇筑混凝土时，切割缝宽可采用1～2cm。

图2-22 刚性材料伸缩缝形式

（a）矩形缝；（b）梯形缝；（c）矩半形缝；（d）梯形半缝；（e）止水带

1—封盖材料；2—弹塑性胶泥；3—止水带

浆砌石防渗层不设伸缩缝的原因：一是砌体较厚，因气温变化引起的变形较小；二是砌筑缝较多，这些缝隙可以消弭一部分外界因素引起的变形。但为适应软弱基础引起的较大变形，还应设置沉降缝。

2.砌筑缝

水泥土、混凝土、沥青混凝土预制板防渗和浆砌石防渗均有砌筑缝。砌筑缝处理的好坏，往往是此类防渗工程防渗效益能否发挥的关键，应妥善设计、认真施工。混凝土预制板（槽）和浆砌石，应用水泥砂浆或水泥混合砂浆砌筑，并应用水泥砂浆勾缝；混凝土U形槽也可用高分子止水管及其专用胶砌筑；浆砌石可用细粒混凝土砌筑。各砌筑缝形式如图2-23所示。

图2-23 砌筑缝形式

（a）矩形缝；（b）梯形缝；（c）企口缝

砌筑缝的宽度，沥青混凝土为5cm（矩形缝）或上口7cm、下口2cm（梯形缝），其他刚性材料为1.5～2.5cm（矩形缝）或上口2～5cm、下口1.5～2cm（梯形缝）。

3.堤顶

防渗渠道的堤顶宽度可按表2-7选用，渠堤兼做公路时，应该按道路的要求确定。对于U形和矩形渠道，公路边缘宜距渠口的边缘0.5～1.0m，并且堤顶应作成向外倾斜1/100～2/100的斜坡。高边坡堤岸的防渗渠道，还应根据规范要求设置纵向排水沟。堤岸为高边坡时，应在其坡脚设置纵向排水沟，保证堤顶或高边坡坡面的雨水顺利排出堤外，不冲坏防渗渠道。如渠道通过城镇、交通要道或人口密集地区，应在堤顶设置安全栅栏，以减少安全隐患。

4.封顶板

为了防止堤顶、高边坡以及渠坡上的雨水流入防渗层的底部而破坏防渗层，各种防渗材料的防渗渠道，在边坡防渗层的顶部，应设置封顶板。封顶板的宽度宜为15～30cm。当防渗层下有砂砾石置换层时，封顶板的宽度应大于两者之和再加10cm；当防渗层高度小于渠深时，应将封顶板嵌入渠堤。