金溝河金安渠渠道改建設(shè)計的思考

白西輝

（新疆金溝河流域管理處 新疆沙灣 832100）

1 工程概況

金溝河流域位于新疆塔城地區(qū)沙灣縣境內(nèi)。介于東經(jīng)85°22＇～85°44＇，北緯43°55＇～44°28＇之間。東接石河子，西臨奎屯市，312國道、烏奎高速公路及北疆鐵路橫貫本區(qū)，交通十分便利。

金安引水渠始建于1966年，自總干渠1＋442處引水，全長15.6km，屬于金溝河管理處管理的渠段為0＋000～5＋014，主要向元興宮鄉(xiāng)和142團31連供水，冬季向安集海水庫調(diào)水。渠床為戈壁，原渠道為全挖方斷面。

改建前渠道斷面形式為梯形，襯砌材料為現(xiàn)澆混凝土。該段渠道存在的主要問題是前淤后沖，老化、磨損破壞嚴重，0＋000～1＋625段，混凝土板已基本被沖毀，大部分已變?yōu)橥燎?＋625～5＋014段，基本垂直等高線，渠道縱坡較大，渠底磨損嚴重，混凝土板由于設(shè)計標準低，且多次凍融老化，大片面積的混凝土板開始剝落，變薄，被磨穿，在設(shè)計流量下，經(jīng)常發(fā)生垮渠現(xiàn)象。造成渠道邊板厚薄不一，凸凹不平，增加了渠道糙率，限制了渠道引水流量。另外渠道長期冬季輸水，結(jié)冰嚴重，導致過水斷面不夠，閘門無法啟閉。

2 渠道破壞的形式、原因及過程

由于灌區(qū)灌溉的需要，灌區(qū)每年都需進行很長時間的冬灌，其間，渠道內(nèi)的水體將發(fā)生不同程度的凍結(jié)。開始，兩側(cè)形成岸冰，隨著嚴寒的深入，冰層逐漸加厚，對兩岸襯砌體產(chǎn)生冰壓力，為了不形成冰壩，運行管理人員進行冬季打冰，長期以往，造成防滲體表面發(fā)生剝離破壞。

渠道防滲體具有一定的吸水性，在材料輸水的過程中，材料內(nèi)總是含有一定的水分，這些水分在負溫的作用下凍結(jié)成冰，體積發(fā)生膨脹。當這膨脹產(chǎn)生的應力大于防滲材料的強度時，將導致防滲材料的凍融破壞，多次反復作用后，造成防滲體表面發(fā)生凍融、剝離破壞。

二十世紀50年代設(shè)計的混凝土抗凍標號低，同時，工程運行40多年，經(jīng)過無數(shù)次的凍融循環(huán)，工程老化，混凝土標號降低了，抗凍標號也隨之降低，所以，渠道混凝土在年復一年的凍脹作用下發(fā)生了剝離破環(huán)。

3 改建工程設(shè)計

針對本渠道存在的主要問題，經(jīng)過斷面的仔細符合，對渠道分兩段分別設(shè)計。

3.1 0＋000～1＋625段

由于0＋000～1＋625段靠近金溝河渠首，從上游帶下來的卵礫石對邊板磨損、碰撞，大約40%的段落已出現(xiàn)大面積斷裂，破損，60%的段落已變?yōu)橥燎Ｔ摱吻赖刭|(zhì)情況為砂礫石地基，由于渠道多年的運行，表層土粒在邊板水流的帶動下，部分粉細顆粒已進入原渠砂礫石墊層中，導致砂礫石墊層失去防凍作用。本次設(shè)計由于受金安引水渠進水口底板高程和1＋630分水閘底板高程的限制，在保持原有縱坡的情況下，拆除舊混凝土板，根據(jù)設(shè)計渠底高程開挖，置換30cm墊層。

3.1.1 渠道襯砌型式的選擇

本段渠道長1.625km，襯砌型式的選擇結(jié)合本工渠的地質(zhì)、地形、天然建筑材料等分布情況，選擇混凝土襯砌、漿砌石襯砌比較。

根據(jù)兩種材料的選擇，對渠道水力計算見表1。

漿砌石襯砌方案：根據(jù)計算，渠道深1.65m，襯砌厚度采用35cm，底板下墊0.3m的砂礫石墊層。

混凝土板襯砌方案：根據(jù)計算，渠道深1.40m，底板厚15cm，邊板由10cm變?yōu)?cm。

表1 水力計算表

混凝土襯砌渠道具有良好的防滲、抗沖性能，對于金溝河多泥沙河流，漿砌石渠道具有更好的耐磨作用，但本工程區(qū)砼骨料儲量豐富，無漿砌石，所需漿砌石須到距本工程區(qū)80km處的瑪河料場拉運。本段渠道縱坡相對比較緩，且受引水口與1＋630處的分水閘底板高程限制，渠道只能保持現(xiàn)狀縱坡，也就是不能直接在現(xiàn)狀渠道上墊砂礫石和襯砌材料。由于漿砌石襯砌量大于砼板襯砌量，因此土方開挖量也相對增加。

經(jīng)投資比較，漿砌石襯砌方案投資113萬元，砼板襯砌方案投資77.3萬元。前者比后者建筑工程投資大53.7萬元。因此推薦砼板襯砌方案。

3.1.2 混凝土板襯砌渠道設(shè)計

現(xiàn)澆混凝土指標均為C20、W6、F200，底板厚15cm，邊坡板由下部的10cm變至上部8cm，渠堤頂設(shè)30cm寬8cm厚的封頂板。渠道襯砌板分縫設(shè)計，縱向縫在兩邊坡角和渠坡中部約1／2渠深處錯縫設(shè)置，橫向縫每2m設(shè)一道，縫寬1.5cm，縫內(nèi)填閉孔塑料板，頂部1.5cm采用原漿封口，封頂板橫向縫每2m設(shè)一道。

渠堤頂寬考慮右側(cè)管理通車要求，渠頂寬設(shè)為4.0m，左側(cè)渠堤頂寬不考慮通車要求，僅從運行安全方面考慮，設(shè)為2.0m，外邊坡設(shè)為1∶1。

3.2 1＋625～5＋014段

此段相對于前段縱坡大，破損更嚴重，且冬季渠道結(jié)冰，造成斷面過水能力不夠，常?；ㄙM人力去破冰提閘。

由于渠道冬季輸水，形成大氣與水之間的熱量交換，當水面負溫時，即開始結(jié)冰，經(jīng)過冰絮、岸冰、流冰，封凍、解凍等過程，冰體對兩岸襯砌邊板產(chǎn)生冰壓力和冰推力造成襯砌體破壞或?qū)⑵鲶w被推上坡；當水面封凍時，上游的浮冰源源不斷而來，鉆到冰面以下或以上，浮冰和冰塊在建筑物前（如橋、閘）或渠道拐彎處積累，減小過水斷面，逐漸封堵形成冰塞、冰壩，導致過水能力不足。當解凍以后，邊板下的細顆粒從板的裂縫被帶出，進一步造成相鄰板的塌陷破壞，造成惡性循環(huán)。同時導致渠道輸水糙率變大，過水能力受阻，滲透量加大。

現(xiàn)狀此段渠道縱坡1／42左右，設(shè)計流速4.18～4.8m／s，針對此段渠道存在的問題，做了兩個方案比較。

方案一：基本保持原有縱坡，采用梯形、矩形復合斷面形式。

拆除原有所有混凝土板，原墊層不拆除，考慮梯形渠道抗凍脹性優(yōu)于矩形渠道，矩形渠道相對于梯形渠道不易掛冰的特點，采用矩形斷面擋土墻式結(jié)構(gòu)渠道與梯形斷面渠道相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。

在原墊層上鋪設(shè)砂礫石墊層30cm，表面襯砌現(xiàn)澆混凝土15cm，邊墻為重力式結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)見下圖。

圖1 渠道橫斷面設(shè)計圖

方案二：修建跌水，調(diào)整縱坡，采用梯形斷面。

拆除所有的原渠道所有混凝土板，在原渠道的墊層上鋪設(shè)砂礫石墊層30cm，表面襯砌現(xiàn)澆混凝土10cm，斷面結(jié)構(gòu)形式為梯形，邊坡為1∶1.5。此段渠道首尾落差為72m，如果按1／145的縱坡調(diào)整，需修建跌差為2.2m的跌水21座，跌水最短間距107m，最長間距為290m。跌水消力池池深2.6m，池寬2.3m。經(jīng)消能計算，跌水消力池長11.6m，邊墻為重力式混凝土墻，消力池坎高0.7m，混凝土底板厚0.4m，消力池前接3.0m的漿砌石扭面，后接5m的漿砌石扭面，扭面底板厚30cm。

通過經(jīng)濟比較，方案一工程投資170.2萬元，方案二工程投資350萬元。方案一的比方案二工程直接投資小179.8萬元；

從安全考慮，方案一優(yōu)于方案二，由于跌水相距太近，水流還未進入穩(wěn)流狀態(tài)，就進入下級跌水，這樣不但不能降低流速，反而造成紊流，流態(tài)更加不好，同時也影響建筑物的正常引水；

從實際運行考慮，方案一較方案二的的渠道不易掛冰，易打冰。因此選擇方案一。

方案一，現(xiàn)澆混凝土指標均為C20W6F200。渠道襯砌板縱向縫在兩邊坡角和渠坡中部約1／2渠深處錯縫設(shè)置，橫向縫每2m設(shè)一道，重力墻每6m一道?？p寬1.5cm，縫內(nèi)填閉孔塑料板，頂部1.5cm采用原漿封口。

考慮梯形渠道抗凍脹性優(yōu)于矩形渠道，矩形渠道相對于梯形渠道不易掛冰的特點，采用矩形斷面擋土墻式結(jié)構(gòu)渠道與梯形斷面渠道相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。

此段渠堤頂寬考慮到原渠道右側(cè)伴行路寬已滿足管理通車要求，本次設(shè)計渠堤頂寬不考慮通車要求，僅從運行安全方面考慮，設(shè)為2.0m，外邊坡設(shè)為1∶1。

4 效果評價

本渠道防滲采用現(xiàn)澆混凝土單防，斷面采用半挖半填、下半部為梯形、上半部為矩形的復合斷面。主要表現(xiàn)為一是渠道下半部為梯形、上半部為矩形，冬天引水流量穩(wěn)定，水位線都在矩形斷面上，減少了結(jié)冰量，相應減少了凍脹破壞；二是渠道半挖半填、下半部為梯形、上半部為矩形，冬天運行打冰方便，矩形渠道比梯形渠道便于操作，有利于工作安全。

本工程自2006年建成自今，職工的冬季打冰每年只有1－2次，在保證安全的情況下，大大降低了職工的工作勞動強度，發(fā)揮了較好的作用。