開(kāi)都河渠道工程及橫斷面型式選擇分析

司 猛

(巴州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 巴州 841000)

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開(kāi)都河渠道工程及橫斷面型式選擇分析

司 猛

(巴州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 巴州 841000)

開(kāi)都河渠道工程及橫斷面型式選擇，工程就北岸南岸干渠方案進(jìn)行比選，北岸干渠方案一作為設(shè)計(jì)方案，南岸干渠方案二作為設(shè)計(jì)方案。渠道設(shè)計(jì)方面就渠道的縱斷面、橫斷面及內(nèi)外邊坡進(jìn)行分析，襯砌、防凍脹形式選擇也進(jìn)行了方案比選，選擇最優(yōu)方案。

渠道；干渠；塑膜；防滲；灌區(qū)

開(kāi)都河第二分水樞紐灌區(qū)骨干灌溉工程已成較完整的系統(tǒng)，能滿足和控制當(dāng)前的灌溉要求，渠道過(guò)水能力大部分干支渠均能滿足要求，但也存在不少問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①灌區(qū)內(nèi)引水渠首均為無(wú)壩引水，灌溉引水保證率，引水渠首運(yùn)行年限長(zhǎng)，大都老化嚴(yán)重，給灌區(qū)的管理造成很大的困難；②干渠絕大部分為土渠，由于灌區(qū)土質(zhì)輕，局部渠道存地沖刷和淤積，造成渠道塌坡，渠內(nèi)長(zhǎng)草，灌區(qū)群眾每年都需進(jìn)行維修清淤；③渠道滲漏嚴(yán)重，渠道水利用系數(shù)低,一方面造成水資源的浪費(fèi),另一方面致使灌區(qū)地下水升高；④渠系建筑物年久失修，老化嚴(yán)重，根據(jù)調(diào)查老化率達(dá)到50%以上，主要表現(xiàn)在建筑物上、下游連接段的凍脹破壞；閘門(mén)老化漏水嚴(yán)重，不能有效調(diào)節(jié)水量。需要對(duì)渠道進(jìn)行工程布置。

1 渠道工程總布置

在初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)可研階段確定的渠線同焉耆縣城建、國(guó)土、水利等單位的領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員重新進(jìn)行了選線、測(cè)量，北岸干渠同可研不變，南岸干渠可研階段為減少占地渠線選在沿著開(kāi)都河河堤外側(cè)向下最后和團(tuán)結(jié)渠龍口接上，本次初設(shè)階段為和焉耆縣城市及道路規(guī)劃結(jié)合，渠線在黑疙瘩分水閘處(7+974)改線，渠線較可研階段長(zhǎng)了1km，由于改線增加的占地費(fèi)用由縣政府出資。

1.1 渠道

南北干渠分別布設(shè)在開(kāi)都河兩岸，沿河向下游延伸。由于樞紐距焉耆縣城較近，兩岸干渠很長(zhǎng)一段要穿過(guò)縣城，其余渠段均穿過(guò)縣城附近的鄉(xiāng)場(chǎng)，同時(shí)還要穿過(guò)南疆鐵路、314國(guó)道、老314國(guó)道及待建的高速公路等重要交通建筑物，受這幾個(gè)條件的限制，兩條干渠渠線的選取范圍非常有限。根據(jù)上述布線原則，技術(shù)人員經(jīng)過(guò)多次踏勘，對(duì)兩岸干渠局部作了幾個(gè)方案比選，見(jiàn)表1、表2。

1.2 渠系建筑物

渠系建筑物除了合并原八個(gè)龍口外，由于兩岸干渠有很長(zhǎng)一段都占用了原有支渠，干渠兩側(cè)再?zèng)]有位置去修支渠，故原支渠上的建筑物在能合并的前提下都需重新修建。

2 渠道設(shè)計(jì)

2.1 渠道縱坡設(shè)計(jì)

兩岸干渠沿線地形較為平坦，沒(méi)有大的起伏，所以干渠縱坡大都與地形或原渠道縱坡一致，在1/3000左右。在穿過(guò)鐵路橋、314國(guó)道、老314國(guó)道等橋涵處，設(shè)計(jì)渠底高程在能滿足過(guò)水要求及兩岸支渠引水高程要求下，一般與原橋涵底高程一致或稍稍抬高、降低。在高程不受限制的段落，渠道盡可能作成填方渠道，以減少混凝土板防滲渠道的凍脹破壞。

2.2 橫斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)渠道的縱坡情況、工程地質(zhì)條件以及渠道防滲技術(shù)規(guī)范對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，同時(shí)考慮渠道大部分要穿過(guò)灌區(qū)及城區(qū)，穿灌區(qū)段要求渠道斷面盡量少占地，在穿城區(qū)段和城市規(guī)劃相結(jié)合，參考這幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行橫斷面的設(shè)計(jì)。

表1 北岸干渠方案比選表

表2 南岸干渠方案比選表

由方案比選可看出，投資方面北岸干渠方案二和方案一相差不大，但方案二、三要大量侵占農(nóng)民的房屋、耕地、果園，對(duì)土地經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的焉耆縣來(lái)說(shuō)，損失是很大的，施工與灌溉的矛盾通過(guò)搶占工期、冬季施工等方法可以將矛盾降到最低，故北岸干渠方案一作為設(shè)計(jì)方案；南岸干渠方案二較方案一渠線長(zhǎng)，投資多，但施工條件、城市發(fā)展空間上比較方案二更具有優(yōu)越性，初設(shè)階段推薦方案二作為設(shè)計(jì)方案。

2.2.1 渠道內(nèi)外邊坡設(shè)計(jì)

渠道沿線，多數(shù)渠段坐落在粉土層，根據(jù)《開(kāi)都河第二分水樞紐兩岸干渠工程地質(zhì)勘察報(bào)告》及《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》，渠道內(nèi)邊坡系數(shù)確定為1∶1.75，外邊坡系數(shù)為1∶1.5。

2.2.2 渠道橫斷面

渠道橫斷面采用兩種方案進(jìn)行比選設(shè)計(jì)，方案一為弧形底梯形渠道，方案二為梯形渠道，按照Q=7.5m3/s來(lái)計(jì)算單位長(zhǎng)度(1km)的工程量，兩方案的橫斷面見(jiàn)圖1，方案比選見(jiàn)表3。

圖1 兩方案渠道橫斷面表3 渠道橫斷面方案比選

項(xiàng)目方案一方案二單位投資/萬(wàn)元·km-1134.16133.28優(yōu)點(diǎn)弧形底斷面可大大減輕土壤凍脹開(kāi)裂及消融時(shí)的滑塌破壞,適應(yīng)凍脹變形的能力強(qiáng),能在一定程度上減輕凍脹變形的不均勻性適應(yīng)凍脹變形的能力一般缺點(diǎn)施工較難施工容易

注：上述方案比較，渠道的襯砌形式暫都按10cm混凝土防滲、8cm苯板防凍方案進(jìn)行比較。

上述兩方案都各有利弊。由工程地質(zhì)部分，開(kāi)都河第二分水樞紐兩岸干渠現(xiàn)狀地下水位較高，渠線地層均為凍脹土，在這種渠道上弧形底梯形渠道比梯形渠道更能適應(yīng)凍脹變形，但由于塔河綜合治理項(xiàng)目另一同開(kāi)都河第二分水樞紐及兩岸干渠同時(shí)開(kāi)工的工程“開(kāi)都河北岸水源地工程”位于焉耆縣城，它的實(shí)施將使焉耆縣的地下水位下降2-3m，故本工程在運(yùn)行期地下水位對(duì)渠道的影響將基本消除。

兩岸干渠有很長(zhǎng)的渠線走在了灌區(qū)內(nèi)已有支渠上，施工期必須較短才能不至于對(duì)農(nóng)田灌溉造成太大的影響，在施工上梯形斷面較弧形底梯形渠較易,故兩岸干渠橫斷面最終采用梯形斷面。

可研階段設(shè)計(jì)中北岸干渠的9+360-12+860和南岸干渠的8+820-11+250要穿過(guò)城區(qū)，為減少渠道占地，這兩段渠道采用矩形斷面形式。本次初設(shè)對(duì)北岸干渠不做改變，南岸干渠改線后繞至城外，為減少投資南岸干渠全線均采用梯形斷面形式。

2.2.3 渠道水力計(jì)算

采用水力計(jì)算公式為：

Q=AC(Ri)1/2

C=(1/n)R1/6

(1)

式中：R為水力半徑，R=A/X；i為渠道縱比降；A為渠道過(guò)水面積，m2；n為渠道糙率系數(shù)，混凝土板襯砌，采用0.017；X為渠道濕周，m。

2.2.4 襯砌、防凍脹形式選擇

1)防滲襯砌方案選擇,工程設(shè)計(jì)對(duì)兩種防身襯砌方案進(jìn)行比選。

方案一：塑膜防滲。

本方案優(yōu)點(diǎn)：施工工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量易得到保證；材料本身抗凍脹，不存在冬季凍脹破壞的問(wèn)題；投資較省，約為混凝土板方案的85%；只要干渠停水，即可施工，施工期對(duì)溫度要求低，同時(shí)冬季對(duì)施工質(zhì)量也幾乎不產(chǎn)生影響。

缺點(diǎn)：由于本干渠縱坡較緩，雖然防滲膜的品種選擇為抗拉強(qiáng)度高，不易為根系穿透的一種，但渠道糙率大，流速小，膜上的70cm厚的填土上一樣會(huì)長(zhǎng)草，加大渠道的水量損失，使本工程節(jié)水的效能大大降低；加大渠道的管理費(fèi)用；由于防滲膜敷設(shè)于地下，不易進(jìn)行損傷探測(cè)，工程的維護(hù)保養(yǎng)比較困難；渠道斷面大，占用土地面積大。由于南北干渠大部分穿行在灌區(qū)內(nèi)，此方案比混凝土板方案多占耕地13.89hm2，對(duì)灌區(qū)來(lái)說(shuō)是巨大的損失。

方案二：混凝土板防滲方案。

優(yōu)點(diǎn)：混凝土板表面光潔，糙率小，渠道內(nèi)水的流速較大，充分發(fā)揮混凝土板的抗高流速作用；由于混凝土堅(jiān)硬，在雜草盛長(zhǎng)區(qū)，雜草不會(huì)穿板而出，混凝土板不易被破壞，其防滲效果好，而且經(jīng)久耐用。如果安全使用，可運(yùn)行30—40a；使用混凝土板襯砌，渠道整體性好，外形美觀，同時(shí)可以減少或避免在渠道上亂開(kāi)口子的現(xiàn)象。

缺點(diǎn)：由于干渠沿線的土質(zhì)大多為粉土或粉質(zhì)黏土，均屬凍脹土，而且左右兩岸均有耕地，地下水位高。如何避免凍脹，將是運(yùn)行管理中的重點(diǎn)。一旦出現(xiàn)凍脹破壞，混凝土板的使用壽命將大大縮減；施工期較為緊張。由于南北干渠在灌溉季節(jié)無(wú)法停水，施工期只能在停水之后的10月底至次年的3月底之前，而此時(shí)正是冬季，給混凝土的施工帶來(lái)一定的困難，也給混凝土的施工質(zhì)量產(chǎn)生影響；施工復(fù)雜，投資大。

相當(dāng)一部分學(xué)校的體育教師不敢讓學(xué)生踢足球，怕出現(xiàn)傷害事故，他們做的最多的、也是做的最好的就是讓孩子跑步、做操。筆者觀摩過(guò)一些校園足球特色學(xué)校，教師按照教材傳授運(yùn)球、傳球、顛球、射門(mén)，為了增加趣味性，一些教師融入了移動(dòng)對(duì)傳、運(yùn)球繞桿、多部位顛球、射門(mén)比賽等教學(xué)形式。甚至一些教師用大量的時(shí)間讓小學(xué)生做各種無(wú)球練習(xí)。唯一不常見(jiàn)的就是比賽。筆者曾經(jīng)問(wèn)一些教師：為什么不讓學(xué)生在比賽中學(xué)習(xí)運(yùn)球、傳球和射門(mén)？為什么運(yùn)球繞桿而不繞人？答案不言而喻，減少對(duì)抗，避免受傷。但顯然，僅僅會(huì)運(yùn)球、會(huì)傳球、會(huì)射門(mén)，并不算會(huì)踢足球，即便是會(huì)顛球也不算。會(huì)踢球應(yīng)該表現(xiàn)為能夠在比賽中感受足球帶來(lái)的快樂(lè)。

通過(guò)以上的方案比選，柔性材料防滲方案雖然投資省，施工較為容易，但從渠道的功能、水量的損失和今后運(yùn)行管理上、工程的使用年限上、工程的美觀上均不如混凝土板防滲方案，同時(shí)從工程的效益上看，工程運(yùn)行管理費(fèi)用上比混凝土方案大，占地較混凝土方案多。故本次開(kāi)都河第二分水樞紐兩岸干渠的防滲工程選用混凝土板襯砌的方案，混凝土板厚8cm，強(qiáng)度為C20，抗?jié)B標(biāo)號(hào)為W6，抗凍標(biāo)號(hào)為F150。

2)渠道抗凍設(shè)計(jì)：

凍脹土地基渠道抗凍脹主要有渠基換填法和苯板保溫法2種方法。

方案一：渠基換填法。

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，“粒徑小于0.05mm的土粒重量超過(guò)土樣重量6%的土為凍脹土”，根據(jù)《渠道地質(zhì)報(bào)告》，本工程渠道沿線均為凍脹土，需進(jìn)行非凍脹土置換渠床原狀土。

換填厚度按照《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》及《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算：

Hn=εHd-δ0

(1)

式中：Hn為置換深度，cm；ε為置換比，按照《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》及《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》，ε=70%；Hd為置換部位的工程設(shè)計(jì)凍深，Hd=Kp×Kd×Kz×H0；Kp為頻率模比系數(shù)，為1.206；Kd為考慮日照及遮蔭程度的修正系數(shù)，向陽(yáng)面取1，遮蔭面取1.3；Kz為地下水影響系數(shù)，取0.85；H0為工程地點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)凍深，本工程為95cm；向陽(yáng)坡H=97.4cm，遮蔭坡Hd=127cm；δ0為襯砌板厚度，cm。

計(jì)算得：向陽(yáng)坡Hn=60.2cm，遮蔭坡Hn=80.9cm。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，向陽(yáng)坡?lián)Q填厚度取60cm，渠底及陰坡?lián)Q填厚度取80cm。

方案二：保溫法。

保溫法就是消除基土產(chǎn)生凍脹的負(fù)溫因素。本工程采用混凝土板下鋪設(shè)高密度聚苯乙烯泡沫板來(lái)解決凍脹問(wèn)題。根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》，保溫層厚度按工程設(shè)計(jì)凍深Hd的1/10-1/15取用，計(jì)算得7.4m，向陽(yáng)坡厚度取6cm，渠底及陰坡厚度取8cm。

由于渠道沿線無(wú)可換填土產(chǎn)材料，根據(jù)計(jì)算，單位斷面苯板投資為428元，戈壁墊層投資為535元，投資上苯板要稍省一些，且施工上苯板的質(zhì)量易控制。在地下水較高部分由于苯板較輕，它的浮力易對(duì)其上的混凝土板造成頂托破壞。最后確定在地下水位高于渠底段采用戈壁墊層抗凍脹形式，地下水位低于渠底段采用苯板防凍脹形式。根據(jù)南北兩岸干渠地質(zhì)條件，北岸干渠0+000—5+000段地下水位均高于渠底，采用戈壁墊層抗凍脹形式，5+000—16+400段地下水位均低于渠底，采用苯板防凍脹形式；南岸干渠0+000—6+352段地下水位均高于渠底，采用戈壁墊層抗凍脹形式，6+352—12+848段地下水位均低于渠底，采用苯板防凍脹形式；根據(jù)《開(kāi)都河第二分水樞紐兩岸干渠工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，南岸干渠0+000-1+000、9+000-11+000段及北岸干渠的0+000-1+000、3+000-5+000段地下水中SO42-的含量較高，對(duì)混凝土及混凝土結(jié)構(gòu)具有弱-強(qiáng)腐蝕性，渠道采用高性能混凝土。

3 結(jié) 論

開(kāi)都河第二分水樞紐工程的興建，將合并南岸三處、北岸五處的無(wú)壩引水渠首。工程建成后結(jié)合上述地下水工程共同運(yùn)行，每年可置換地表水5 501 萬(wàn)m3，輸向下游用于塔里木河流域生態(tài)用水。工程建設(shè)是可行的。

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1007-7596(2017)01-0105-04

2016-12-28

司猛(1983-)，男，江蘇豐縣人，工程師，從事水利設(shè)計(jì)工作。

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