新戶坪水庫(kù)放水干渠渠道橫斷面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題

張小燕 王子堅(jiān)

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院一分院 新疆 石河子 832000)

1 工程概況

新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河（簡(jiǎn)稱瑪河）流域位于天山北坡經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)核心地帶，地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣，東至塔西河，西至巴音溝河，南至依連哈爾尕山，北至古爾班通古特沙漠。

瑪河灌區(qū)位于流域中下游的沖洪積扇傾斜平原和更為廣闊的沖洪積平原上，灌區(qū)總耕地面積357萬(wàn)畝，灌溉面積316萬(wàn)畝，是全國(guó)特大型灌區(qū)之一?，敽庸鄥^(qū)由石河子灌區(qū)、瑪納斯縣灌區(qū)、莫索灣灌區(qū)、西岸大渠灌區(qū)、新湖灌區(qū)五個(gè)Ⅰ級(jí)灌區(qū)組成。

新戶坪水庫(kù)放水干渠位于瑪河灌區(qū)的瑪納斯縣灌區(qū)，放水干渠起點(diǎn)自新戶坪水庫(kù)放水閘后瑪新公路橋開(kāi)始，末端接新湖總場(chǎng)干渠渠首——零號(hào)配水點(diǎn)，全長(zhǎng)5.365km。建于1964年，系未防滲土渠，設(shè)計(jì)流量25m3/s，加大流量30m3/s，主要供瑪納斯縣北五岔鎮(zhèn)及新湖總場(chǎng)的一、二、三、四分場(chǎng)及七分場(chǎng)一連的農(nóng)業(yè)灌溉用水，控制總灌溉面積56.77萬(wàn)畝。

放水干渠經(jīng)過(guò)近40年的運(yùn)行，或沖或淤，渠道變形較大，干渠損壞日趨嚴(yán)重。在淤積段落，水面大幅度加寬，水流速度緩慢，滲漏損失嚴(yán)重，輸水損失大，渠道水利用系數(shù)低，且抬高了渠道兩岸的地下水位。同時(shí)，該渠段受上游水庫(kù)的影響很大，造成沿線地下水位較高，渠床內(nèi)蘆葦茂密叢生。由于水費(fèi)長(zhǎng)期偏低，工程管理單位每年只能拿出少量的資金對(duì)放水干渠破壞的地方進(jìn)行簡(jiǎn)單的修補(bǔ)，加之近年來(lái)灌溉面積加大，灌溉用水集中，渠道超負(fù)荷運(yùn)行，使得部分渠段沖刷嚴(yán)重，且因現(xiàn)渠床土體為細(xì)顆粒土，長(zhǎng)期受渠水的沖蝕及跌水處的沖刷、淘空作用，渠床和水工建筑物已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，部分地段已經(jīng)危及瑪新公路，勢(shì)必影響農(nóng)業(yè)灌溉和交通安全，所以有必要對(duì)渠線采取防沖處理。

工程區(qū)極端最高氣溫39℃，極端最低氣溫-33.8℃。

2 新戶坪水庫(kù)放水干渠工程地質(zhì)條件

放水干渠渠線處于呼克公路的南北兩側(cè)，地形較為平坦，地勢(shì)南高北低，坡降約為1.78‰?，F(xiàn)狀渠道基本為挖方段，渠線兩側(cè)多為耕地。渠線土為低液限粘土，埋深0～2.0m，揭露最大厚度5.0m，土黃、棕紅色，稍濕～飽和，硬塑～軟塑狀態(tài)，該層土體天然密度（ρ）為1.87g/cm3～2.01g/cm3，含水量（ω）為22.4%～28.8%，平均孔隙比（e）為0.65，比重（Gs）為2.71～2.73，液限（wL）為26.6%～55.5%，塑限（wp）為16.2%～25.1%，壓縮模量(Es)為3.02MPa～13.53MPa，壓縮系數(shù)為0.12MPa-1～0.6MPa-1，屬中等～高壓縮性；滲透系數(shù)（k）為1.86×10-6cm/s，微透水；粘聚力（C）為14 kPa～26kPa，摩擦角（φ）為8.7°～28.1°。輕型動(dòng)力觸探擊數(shù)（N10）15擊～50擊（平均值為21擊），承載力標(biāo)準(zhǔn)值（fk）為145kPa。

渠線地下水位在勘察期間埋深0.8m～2.7m（自渠頂算起），地下水水位年變幅為1m左右，在放水季節(jié)為渠水補(bǔ)給地下水，在停水期間為渠道排泄地下水。渠線地下水位線以上硬塑狀態(tài)下的低液限粘土層的滲透系數(shù)(K)為8.3×10-5cm/s～1.53×10-6cm/s，具有弱透水性；地下水位線以下軟塑狀態(tài)下的低液限粘土層的滲透系數(shù)(K)為9.55×10-7cm/s～3.77×10-6cm/s，具微透水性。

3 新戶坪水庫(kù)放水干渠工程等別和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

新戶坪水庫(kù)放水干渠設(shè)計(jì)流量25m3/s，加大流量30m3/s，根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL18-2004），渠道規(guī)模為大型，建筑物級(jí)別為3級(jí)，渠道及渠系建筑物按3級(jí)設(shè)計(jì)。

4 新戶坪水庫(kù)放水干渠橫斷面設(shè)計(jì)

4.1 橫斷面比選

根據(jù)地質(zhì)描述，該段渠道地下水位較高，基本高出渠底，而渠道附近沒(méi)有修建排水渠的條件，因此渠底不宜防滲，只作防沖設(shè)計(jì)，渠底采用干砌卵石防沖，渠道邊坡根據(jù)規(guī)范采用1∶1.75，干砌卵石糙率根據(jù)規(guī)范取0.03。

設(shè)計(jì)采用抗凍脹效果較好的弧形坡腳梯形斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取寬淺式弧形坡腳形斷面和窄深式弧形坡腳形斷面進(jìn)行比選。

方案一：寬淺式弧形坡腳形斷面

底寬取3 m，和現(xiàn)狀渠道底寬相符，渠道內(nèi)坡為1∶1.75，外坡為1∶1.5，弧形半徑為5.0m，圓心角為59.49°，矢高為66.0cm。

方案二：窄深式弧形坡腳形斷面

底寬取1.5 m，渠道內(nèi)坡為1∶1.75，外坡為1∶1.5，弧形半徑為5.0 m，圓心角為59.49°，矢高為66.0cm。

方案比選：方案一投資為521.49萬(wàn)元，方案二投資為576.74萬(wàn)元，另外，寬淺式斷面與現(xiàn)狀比較接近，工程區(qū)位于寒冷地區(qū)，渠基土具有凍脹性，并且渠道地下水埋深較淺，采用寬淺式斷面可減少渠道凍脹量。因此，考慮土方最小、投資較省的原則推薦寬淺式弧形坡腳形斷面。

4.2 渠道襯砌形式設(shè)計(jì)

根據(jù)比選得出的推薦斷面，進(jìn)一步進(jìn)行渠道襯砌形式比選，由于該渠段地下水埋深較淺，為地下水補(bǔ)給渠水，采用現(xiàn)澆混凝土（打排水孔）、干砌石鋪砌方案進(jìn)行比選。

方案一：現(xiàn)澆混凝土（打排水孔）鋪砌

渠底采用12cm厚現(xiàn)澆C20、F200混凝土，排水孔采用φ50mm PVC管，縱橫向間距1 m布置，此方案直接費(fèi)為97.92萬(wàn)元。

方案二：干砌石鋪砌

渠底采用25cm厚干砌石鋪砌，此方案直接費(fèi)為56.93萬(wàn)元。

經(jīng)比較，方案二較方案一投資省，且維修方便、美觀、耐久性好。因此，本工程采用渠底25cm厚干砌石鋪砌。

針對(duì)邊坡混凝土板采用現(xiàn)澆混凝土板、預(yù)制混凝土板、現(xiàn)澆混凝土板與預(yù)制混凝土板結(jié)合的三種方案進(jìn)行比選。

方案一：現(xiàn)澆混凝土板襯砌

邊坡護(hù)面為10cm厚，現(xiàn)澆C20、F200混凝土，渠深2.8 m，此方案直接費(fèi)為114.89萬(wàn)元。

方案二：預(yù)制混凝土板襯砌

邊坡護(hù)面為6cm厚，預(yù)制C20、F200混凝土，渠深2.8 m，此方案直接費(fèi)為89.23萬(wàn)元。

方案三：現(xiàn)澆混凝土板與預(yù)制混凝土板結(jié)合襯砌

渠道邊坡超高以下護(hù)面為10cm厚現(xiàn)澆C20、F200混凝土，超高部分邊坡采用6cm厚C20、F200預(yù)制砼板鋪砌,此方案直接費(fèi)為81.36萬(wàn)元。

綜合比較，方案三較方案一、方案二投資少，且合理利用工期，整體性、耐久性好。因此，本工程渠道邊坡超高以下護(hù)面為10cm厚現(xiàn)澆C20、F200混凝土，超高部分邊坡采用6cm厚C20、F200預(yù)制砼板鋪砌。

4.3 抗凍脹設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)勘察，工作區(qū)均為季節(jié)性凍土，根據(jù)渠線土層顆分資料，小于0.075mm粒徑含量占21.9%～81.3%，大于10%，其渠基、渠底土層均為凍脹性土，需采取防凍措施。抗凍脹措施可以采用當(dāng)?shù)刎S富的非凍脹性的砂礫石材料換填和笨板保溫層來(lái)解決渠道的凍脹問(wèn)題。但是由于新戶坪水庫(kù)放水干渠地下水位埋深較淺，水的浮力大，不宜采用聚苯乙烯泡沫塑料板作為隔熱材料，因此，設(shè)計(jì)采用換填砂礫石墊層方案。

參考已建工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，如莫合渠，設(shè)計(jì)流量26m3/s，砂礫石墊層設(shè)計(jì)為30cm，運(yùn)行15年～16年，狀況良好，無(wú)鼓起、斷裂現(xiàn)象發(fā)生，另有四浮渠、涼州戶支渠同樣。因此，新戶坪水庫(kù)放水干渠渠底、邊坡均采用35cm砂礫石墊層填筑，可以起到很好的抗凍脹效果。

4.4 橫斷面設(shè)計(jì)成果

渠道斷面形式根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)成果、工程的管理經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行實(shí)際情況，結(jié)構(gòu)形式選用水的流態(tài)好，而且抗凍脹性好的弧形坡角梯形斷面，襯砌材料根據(jù)工程的地質(zhì)資料和技術(shù)要求，且砂石料及卵石運(yùn)距近，采用混凝土和卵石襯砌。因渠道沿線地下水位很高，凍脹嚴(yán)重，因此渠底不考慮防滲，只考慮防沖。渠道設(shè)計(jì)流量25m3/s，加大流量30m3/s，采用弧形坡角梯形斷面，弧形半徑為5.0 m，圓心角為59.49°，矢高為66.0cm，邊坡系數(shù)m=1.75，渠深2.8 m。渠底及弧形坡角采用砼網(wǎng)格+干砌卵石填充，干砌石厚25cm，混凝土網(wǎng)格斷面尺寸為30cm×25cm，渠道縱向布置4道網(wǎng)格梁，橫向網(wǎng)格間距為15 m，網(wǎng)格梁厚度與干砌石厚度相同。渠底換填35cm厚的砂礫石墊層。由于渠道流速大，地下水位高，為防止將渠底細(xì)顆粒被帶走，在渠底干砌石下，砂礫石墊層之間設(shè)無(wú)紡布，規(guī)格為400 g/m2。渠道邊坡超高以下護(hù)面為10cm厚，現(xiàn)澆C20、F200混凝土，超高部分邊坡采用6cm厚C20、F200預(yù)制砼板鋪砌，板下鋪設(shè)35cm砂礫石墊層。渠道邊坡及弧底框格間、弧腳橫向框格與平底邊坡現(xiàn)澆板間、現(xiàn)澆板與預(yù)制板間、混凝土框格間設(shè)置縱縫，縫寬2cm，高壓閉孔塑料板填縫，瀝青砂漿封口?？蚋駲M向3 m分一道縫，縫寬2cm，高壓閉孔塑料板填縫，瀝青砂漿封口；渠道現(xiàn)澆混凝土邊坡板板每3 m設(shè)一道伸縮縫，預(yù)制混凝土邊坡板每6 m設(shè)一道伸縮縫，縫寬2cm，瀝青砂漿封口，高壓閉孔塑料板填縫。

5 結(jié)語(yǔ)

新戶坪水庫(kù)放水干渠全年供水，地下水位高、防沖防淤、且冬季抗凍脹因素是設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。在經(jīng)過(guò)近兩年的運(yùn)行后，新戶坪水庫(kù)放水干渠運(yùn)行狀況良好，特別是冬季運(yùn)行正常。因此，渠道斷面形式設(shè)計(jì)因考慮根據(jù)地質(zhì)、工程管理和運(yùn)行實(shí)際情況，因地制宜。