芳草湖西干渠支渠防滲改建工程渠道設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)著祝

(五家渠農(nóng)六師勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，新疆 五家渠 831300)

1 灌區(qū)概況

芳草湖灌區(qū)位于新疆自治區(qū)昌吉州呼圖壁河下游，灌區(qū)包括芳草湖農(nóng)場(chǎng)、106團(tuán)和111團(tuán)，隸屬新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第六師。該灌區(qū)總面積179.52萬畝，現(xiàn)有耕地72.63萬畝，有效灌溉面積52.37萬畝。芳草湖灌區(qū)骨干水利工程建成于20世紀(jì)60年代，由于受制于當(dāng)時(shí)施工技術(shù)和資金條件，致使工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，渠道工程老化、損壞日趨嚴(yán)重，大大影響灌區(qū)生產(chǎn)能力。

農(nóng)業(yè)是芳草湖灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)命脈，水是農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要影響因素，因此充分利用水資源、提高水利用率是芳草湖灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。相關(guān)部門在2016年9月針對(duì)灌區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行考察匯總，設(shè)計(jì)對(duì)灌區(qū)干渠支渠進(jìn)行防滲改建，具體規(guī)模見表1。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)改建骨干工程為2條支渠，可有效控制7.64萬畝的耕地灌溉，占農(nóng)場(chǎng)總灌溉面積的17%。

表1 芳草湖西干渠支渠防滲改建工程內(nèi)容及規(guī)模

2 灌區(qū)骨干工程存在的主要問題

(1)原規(guī)劃投資估算偏小

相關(guān)部門在2000年對(duì)芳草湖灌區(qū)規(guī)劃中，185km支渠(流量>1m3/s)估算投資僅為5087.5萬元，單公里支渠投資估算為27.5萬元。近年來，隨著物價(jià)及人工費(fèi)上漲，改建支渠(流量>1m3/s)單公里投資可達(dá)60～70萬元，故原規(guī)劃投資現(xiàn)已不能滿足規(guī)劃工程建設(shè)。

(2)骨干工程破損嚴(yán)重

芳草湖農(nóng)場(chǎng)支渠多于20世紀(jì)90年代進(jìn)行防滲建設(shè)。由于當(dāng)時(shí)資金匱乏，加之對(duì)凍脹問題認(rèn)識(shí)不足，致使大部分骨干渠系工程出現(xiàn)預(yù)制混凝土板鼓起、邊坡混凝土板整體滑坡等病害。較嚴(yán)重的東干渠西二支渠、西干渠西十一支渠等破損率已達(dá)到60%～70%，從而造成該部分渠道滲漏損失加大，嚴(yán)重影響輸水能力。

(3)管理設(shè)施不完善

由于灌區(qū)長(zhǎng)期存在“重建設(shè)，輕管理”的工程建設(shè)模式，致使現(xiàn)有大部分骨干工程兩側(cè)無伴渠道路，從而造成灌區(qū)工程管理難度很大。

3 渠道各參數(shù)方案設(shè)計(jì)

3.1 渠道縱坡設(shè)計(jì)分析

(1)設(shè)計(jì)原則

渠道縱坡擬定主要考慮以下幾個(gè)因素：①根據(jù)沿線地形、地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)流量等，保證設(shè)計(jì)輸水能力、邊坡穩(wěn)定和水流安全通暢[1]；②渠道起點(diǎn)高程與上級(jí)渠道分水閘閘底高程保持一致；③保證干渠與支渠、支渠各斗渠之間上、下游水面平順銜接；④占地較少，工程量較小，施工、運(yùn)用和管理方便；⑤各渠道分水口高程H要滿足灌溉要求，具體計(jì)算見下式[2]。

H=A0+Δh+∑Li+∑ψ

(1)

式中，A0—渠道灌溉范圍內(nèi)控制點(diǎn)的地面高程，m；△h—控制點(diǎn)地面與附近末級(jí)固定渠道設(shè)計(jì)水位高差，一般取0.1～0.2m[3]；L—各段渠道的長(zhǎng)度，m；Ψ—水流通過渠系建筑物的水頭損失，m。

(2)縱坡設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目擬建的2條支渠中，西干渠西十一支現(xiàn)水面線銜接平順，斗口引水順暢，無需改動(dòng)；西九支因原渠道0+000處閘后設(shè)陡坡，致使該渠道0+000-1+783段縱坡僅為0.4‰，造成該渠道在運(yùn)行中有輕微淤積。因此本次設(shè)計(jì)將0+000處閘后陡坡取消，設(shè)計(jì)該段渠道縱坡變?yōu)?.79‰，見表2，余各段設(shè)計(jì)縱坡同原渠道。

表2 2條支渠的變坡點(diǎn)數(shù)量和縱坡值

3.2 渠道斷面及結(jié)構(gòu)形式比選

(1)斷面型式

根據(jù)其他項(xiàng)目的工程經(jīng)驗(yàn)和本項(xiàng)目工期安排，本次對(duì)擬建渠道的斷面型式共設(shè)計(jì)以下三個(gè)方案，比選見表3。

表3 渠道橫斷面型式方案比選

考慮本次改建的2條支渠兩側(cè)大部分為耕地，無全線導(dǎo)流條件，且灌溉期持續(xù)運(yùn)行，故僅能在非灌溉期搶修。此外，2條支渠地質(zhì)情況差異較小，結(jié)合工期、施工難易程度兩方面考慮，本項(xiàng)目最終采用方案二。

(2)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目2條支渠均需在非灌溉期搶修，結(jié)合渠道地下水位情況及施工工期，對(duì)擬建渠道結(jié)構(gòu)形式做出以下3個(gè)方案：

方案1：采用預(yù)制混凝土板6cm+砌筑砂漿2cm+一布一膜+40cm砂礫石結(jié)構(gòu)形式；

方案2：采用預(yù)制混凝土板6cm+砌筑砂漿2cm+一布一膜+6cm苯板結(jié)構(gòu)形式；

方案3：采用現(xiàn)澆混凝土板8cm+一布一膜+40cm砂礫石結(jié)構(gòu)形式。

上述3種方案總體結(jié)構(gòu)類似，根據(jù)成本估算得出方案1為394.99萬元，方案2為350.83萬元，方案3為377.88萬元。因此從經(jīng)濟(jì)實(shí)用型考慮將方案2作為渠道結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

圖1 渠道斷面及結(jié)構(gòu)形式

3.3 渠道抗凍脹設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目區(qū)最冷時(shí)期平均氣溫在-17.9～-10℃，屬嚴(yán)寒地區(qū)，渠道沿線地基土粒小于0.075mm的含量在10%以上，屬凍脹性土質(zhì)[4]，因此渠道必須設(shè)計(jì)防凍措施。

本項(xiàng)目渠道沿線地下水埋深在1.5m以下，地基土屬于Ⅲ級(jí)凍脹，渠床各部位置換深度(墊層厚度)Zn按式(2)計(jì)算[5]。經(jīng)計(jì)算得出該項(xiàng)目渠道坡面上部置換深度為0.67m，坡面下部及渠底置換深度為0.85m[6]。

Zn=ε·Zd-δo

(2)

式中，ε—置換比，%。本設(shè)計(jì)坡面上部取50%，底部取70%；Zd—置換部位設(shè)計(jì)凍深，m；δ0—襯砌板厚度，取值8cm。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)東干渠已建工程經(jīng)驗(yàn)，其渠底、邊坡均鋪設(shè)4cm苯板，苯板下部保留原渠道0.1～0.2m厚砂礫石墊層，現(xiàn)運(yùn)行良好，未發(fā)現(xiàn)凍脹破壞現(xiàn)象；此外，部分支斗渠渠底及邊坡在之前的改建中換填0.3m厚砂礫石，目前也運(yùn)行良好，如圖2所示[7]。

綜合理論計(jì)算及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，考慮施工期較短，本次支渠采用苯板作為防凍墊層，苯板厚度按置換層厚度的1/15確定為6cm[8]。

圖2 已建渠道防凍脹效果

4 結(jié)語

芳草湖灌區(qū)西干渠支渠防滲改建工程設(shè)計(jì)基于項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況，渠道各參數(shù)滿足使用要求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。灌區(qū)渠線的運(yùn)行狀況取決于日常管理水平，因此必須要配備合適的管理隊(duì)伍，嚴(yán)格收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能保證灌區(qū)水利工程發(fā)揮最大作用。

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