新疆藏桂鄉(xiāng)支渠防滲設(shè)計(jì)中主要參數(shù)問(wèn)題研究

田林鋼，努爾曼古麗·艾爾肯，阿不力米提

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045;2.和田地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆和田848000)

渠道防滲工程技術(shù)就是杜絕或減少由渠道滲入渠床而流失水量的各種工程技術(shù)和方法.常用土料、水泥料、石料、膜料、混凝土和瀝青混凝土等材料建立渠道防滲層，以達(dá)到防滲目的.渠道防滲工程除具有防滲作用外，還有防沖、防淤、防坍塌、穩(wěn)定渠道、保證輸水安全的作用.防滲渠道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足不沖、不於條件才能確定各參數(shù)值.筆者以實(shí)際工程設(shè)計(jì)為例，對(duì)新疆藏桂鄉(xiāng)支渠進(jìn)行了防滲設(shè)計(jì).

1 工程概況

新疆藏桂鄉(xiāng)支渠位于新疆昆侖山北麓，塔克拉瑪干沙漠南緣，地理坐標(biāo)東經(jīng) 78°58'42″，北緯37°31'50″，位于皮山縣以東 65 km，315 國(guó)道以北3 km處，東鄰皮亞勒瑪鄉(xiāng)，西接木吉鄉(xiāng)，南北被戈壁灘、沙漠包圍，是塊獨(dú)立的綠洲.藏桂鄉(xiāng)地處內(nèi)陸腹地，熱量豐富，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，無(wú)霜期長(zhǎng)，晝夜溫差大，為暖溫帶干旱荒漠氣候.其特點(diǎn):四季分明，夏季中午炎熱，早晚涼爽，日溫差極大;冬季寒冷;春季升溫快，多風(fēng);秋季降溫快;多年平均氣溫11.9℃，多年平均降水量48.2 mm，多年平均蒸發(fā)量2 450.0 mm，無(wú)霜期多年平均217 d.灌區(qū)全年盛行西北風(fēng)，多年平均風(fēng)速1.6 m/s，多年平均最大風(fēng)速14.0 m/s，多年平均浮塵天氣 30.4 d.

新疆藏桂鄉(xiāng)支渠防滲配套建設(shè)工程位于沖積平原過(guò)渡地帶，屬于單一的沖積平原地貌單元［1］.灌區(qū)水利工程多為二十世紀(jì)五、六十年代建設(shè)，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，渠道老化過(guò)于嚴(yán)重，過(guò)水能力只有原來(lái)的70%.雖然年年投入人力、物力進(jìn)行修補(bǔ)，但由于經(jīng)濟(jì)等因素，總是不能徹底改建，設(shè)施也無(wú)法配套完善，加之渠道沒(méi)有采取防凍脹及防滲措施，灌區(qū)每年都有一部分農(nóng)田不能適時(shí)灌溉.這次實(shí)施藏桂鄉(xiāng)支渠防滲改造總長(zhǎng)度為11.952 km，設(shè)計(jì)過(guò)水流量為 0.8 m3/s.

2 渠道工程設(shè)計(jì)

2.1 工程級(jí)別與標(biāo)準(zhǔn)

藏桂鄉(xiāng)渠道總控制灌溉面積2.4 km2，據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2000)［2］和《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50288—99)［3］，確定工程規(guī)模為小(2)型，其工程等別為V等［2］.

按照《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50288—99)［3］中的規(guī)定，干旱地區(qū)以旱作物為主的地面灌溉設(shè)計(jì)保證率P=50% ～75%［3］，確定各水平年灌溉保證率P=75%.

2.2 渠線位置

渠道沿線分布著居民點(diǎn)，農(nóng)田就分布在渠線兩側(cè)，東側(cè)布置有礫石道路伴隨，因此支渠原渠線比較合理，不宜調(diào)整.

2.3 渠道設(shè)計(jì)流量

按照《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50288—99)中的規(guī)定［3］及防滲改造后渠系水利用系數(shù)和各分段的控制灌溉面積，確定藏桂鄉(xiāng)支渠設(shè)計(jì)流量為0.33 ～0.88 m3/s、加大流量為 0.430 ～1.144 m3/s.

3 防滲渠道設(shè)計(jì)

藏桂鄉(xiāng)支渠防滲配套建設(shè)工程防滲改造設(shè)計(jì)原則是在保證輸水安全的同時(shí)，選擇因地制宜、就地取材、技術(shù)簡(jiǎn)單、耐久性強(qiáng)、工程量少、造價(jià)低、運(yùn)行管理方便的方案.為提高渠道防滲及防沖能力，渠道采用預(yù)制混凝土板襯砌，沿渠道軸線方向每隔50 m設(shè)置一道寬50 cm、厚36 cm的C20現(xiàn)澆混凝土隔墻，故渠底寬取0.4 ～0.6 m.

3.1 防滲渠道斷面形式

原渠道為梯形，現(xiàn)設(shè)計(jì)仍采用梯形斷面.

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

3.2.1 邊坡系數(shù)

該渠道渠基土為粉土，因?yàn)槭抢锨?，挖填方量都很少，基本為修?根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL 18—2004)的規(guī)定［4］，支渠的內(nèi)邊坡系數(shù)取1.5，外邊坡系數(shù)取 1.0.

3.2.2 糙 率

據(jù)《渠道防滲工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 18—2004)規(guī)定［4］，混凝土預(yù)制板渠道糙率可取 n=0.017.

3.2.3 渠堤超高

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50288—99)規(guī)定［3］，有

式中:Fb為渠堤超高，m;Hb為渠道通過(guò)加大流量時(shí)的水深，m.

3.3 渠道斷面設(shè)計(jì)

3.3.1 渠道縱斷面設(shè)計(jì)

該次設(shè)計(jì)渠線不變，渠道縱坡的選擇應(yīng)利用原有縱坡并兼顧各分水閘現(xiàn)有底板高程，綜合考慮渠道與渠系建筑物水面連接和沿線分水閘對(duì)渠道高程的要求，使分水閘平順?lè)炙?，滿足不沖、不淤流速的要求，并使工程量盡量小，確定合適的縱坡.

1)流速控制.渠道流速應(yīng)控制在不淤、不沖流速之間.渠道不淤流速為

式中:Q為渠道的設(shè)計(jì)流量，m3/s;Co為根據(jù)渠道泥沙性質(zhì)確定的系數(shù)，取 Co=0.2.計(jì)算可得平均V不淤=0.114 ～0.188 m/s.該次支渠設(shè)計(jì)平均流速為0.85 ～1.74 m/s，滿足不淤流速要求.

《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL 18—91)的第2.1.10條規(guī)定:允許不沖流速為 3 ～ 5 m/s［5］.混凝土預(yù)制板襯砌渠道加大流速為1.87 m/s，小于允許不沖流速.

2)縱坡控制.渠道縱坡的控制在滿足經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①流速控制在不淤、不沖流速之間，保證渠道安全;②根據(jù)不同地形和設(shè)計(jì)斷面選擇的縱坡應(yīng)盡量保證工程量最小;③為保證該段渠道兩端建筑物底板高程的銜接，此次渠道防滲改造設(shè)計(jì)渠道縱坡坡降仍然采用原渠道縱坡坡降，即渠道縱坡 i=0.001 62 ～0.009 30.

3.3.2 渠面寬度設(shè)計(jì)

該灌區(qū)屬小型灌區(qū)，且為挖方渠道，為了減少工程量及造價(jià)，渠面寬度取1.0～1.5 m.

3.3.3 渠底寬確定

根據(jù)改造渠道的現(xiàn)狀底寬、設(shè)計(jì)流量、渠道防滲形式及經(jīng)濟(jì)比較，渠底寬確定如下［1］.

一支渠:0+000～3+500段渠底寬0.6 m;3+500～3+746.7段渠底寬0.4 m.

二支渠:0+000～1+750段渠底寬0.6 m;1+500～4+023.5段渠底寬0.4 m.

三支渠:0+000～4+181.4段渠底寬0.6 m.

3.4 渠底與邊坡底板襯砌設(shè)計(jì)

渠道斷面為梯形，為了增加渠道抗凍脹能力，渠道底板采用60 mm現(xiàn)澆混凝土，邊坡采用厚度為60 mm預(yù)制混凝土板襯砌.混凝土板下設(shè)置戈壁料墊層.混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，抗凍標(biāo)號(hào)為F150.

3.5 渠道水力計(jì)算

渠道橫斷面尺寸根據(jù)明渠均勻流公式確定，計(jì)算公式為:

式中:Q為渠道設(shè)計(jì)流量，m3/s;A為渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2;C為謝才系數(shù);R為水力半徑，m;B為渠道底寬，m;m為渠道邊坡系數(shù);H為渠道水深，m;i為水力坡降，即渠道縱坡;n為糙率系數(shù).

渠道水力要素計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 渠道水力要素表

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，在滿足灌溉和保證渠道安全的條件下，支渠的渠深確定為1.058～0.948 m.

3.6 伸縮縫設(shè)計(jì)

根據(jù)《渠道防滲工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 18—2004)［4］，混凝土板渠道每 7.2 m 設(shè) 1 道橫向縫，縫寬平均2 cm.縫口上部填瀝青砂漿，厚2 cm，下部填中密度苯板.

4 渠道抗凍脹設(shè)計(jì)

為防御渠道防滲工程受基土凍脹作用的破壞，季節(jié)凍土地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍深大于10 cm的襯砌渠道必須進(jìn)行防凍脹設(shè)計(jì).當(dāng)?shù)貧v年最大凍土深度0.69 m.據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)測(cè)量資料可知，渠線粉土層為凍脹性土.

4.1 設(shè)計(jì)凍深

根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 211—2006)［6］附錄 B，設(shè)計(jì)凍深按下式計(jì)算:

式中:Zd為設(shè)計(jì)凍深，m;ψd為日照及遮陰程度影響系數(shù);ψi為日照及遮陰程度修正系數(shù)，根據(jù)規(guī)范查圖可得ψi=1.15 m;ψw為地下水影響系數(shù);Zm為實(shí)測(cè)歷年最大凍深，取0.69 m.由《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 211—2006)［6］表 B1.1.1 －1 得

式中:β為系數(shù)，查表得β=0.79;Zwo為鄰近氣象臺(tái)(站)的地下水位深度，取8.0 m;Zwi為設(shè)計(jì)點(diǎn)地下水位深度，取3.0 m.

設(shè)計(jì)凍深計(jì)算見(jiàn)表2.

表2 設(shè)計(jì)凍深計(jì)算表

4.2 防凍脹計(jì)算

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，這種夏季炎熱、冬季寒冷的地區(qū)防凍脹結(jié)構(gòu)可以采用渠床置換法或設(shè)保溫層法.置換法施工成本低，投資較小，因此確定該工程全渠段防凍脹采用置換法.采用戈壁料置換渠基土.

置換厚度Zn為

式中:ds為基礎(chǔ)板厚，渠底為0.06 m，渠坡為0.06 m;ε為置換比.根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL 18—91)［5］，當(dāng)砂壤土地基大于(Zd+1.0 m)時(shí)，對(duì)于輕壤粉質(zhì)土 ε取 0.4～0.5，這里取 ε=0.42.經(jīng)計(jì)算，渠底 Zn=24.6 mm，渠坡 Zn=24.6 mm.

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)新疆藏桂鄉(xiāng)支渠防滲設(shè)計(jì)工程從材料性能、施工、投資等方面進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇最優(yōu)參數(shù)和方案，得到了可行的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果.

渠道工程上選擇較多的動(dòng)力渠道是梯形斷面渠道，所以這里的渠道也采用了梯形斷面.為提高渠道防滲及防沖能力，渠道面板采用預(yù)制混凝土板并取得了良好的設(shè)計(jì)效果.

［1］和田地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院.和田地區(qū)皮山縣藏桂鄉(xiāng)支渠防滲改建工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.和田:和田地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2012.

［2］長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.SL 252—2000水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2000.

［3］中華人民共和國(guó)水利部.GB 50288—99灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1999.

［4］中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心.SL 18—2004渠道防滲工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.

［5］中華人民共和國(guó)水利部農(nóng)村水利水土保持司，科技教育司中華人民共和國(guó)能源部，水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.SL 18—91渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京:水利電力出版社，1991.

［6］中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司.SL 211—2006水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.