奎屯河上游渠首改造方案探析

陳黎明

1 工程概況

奎屯河流域位于天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地西南緣，流域東以巴音河流域?yàn)榻?，西以古爾圖河和托托河為界，南以伊犁喀什河流域?yàn)榻纾币钥秃右员钡纳衬疄榻?，流域總面積2.83萬(wàn)km2。其中山區(qū)1.19萬(wàn)km2，平原區(qū) 1.64萬(wàn) km2。本項(xiàng)目完成新建渠首1座，新建渠首最大泄洪流量76.9 m3/s，最大引水流量2.5 m3/s。渠首原設(shè)計(jì)形式為攔河加滾水壩式，渠首工程主要包括滾水壩、沖砂閘、引水閘和上、下游整治段組成。

2 工程存在問(wèn)題

2.1 原渠首

奎屯河上游現(xiàn)有一座引水渠首，始建于1975年，渠首設(shè)計(jì)引水能力為1.5 m3/s，因缺乏專業(yè)管理人員，且交通不暢，無(wú)相關(guān)維護(hù)費(fèi)用，運(yùn)行至今，渠首水毀嚴(yán)重，滾水壩已不復(fù)存在，現(xiàn)在只有一條簡(jiǎn)易漿砌石擋水墻，現(xiàn)狀渠首實(shí)際引水能力僅為0.7m3/s，每年五六月遇山洪突襲，當(dāng)?shù)卣M織村民上山防洪，但無(wú)法從根本解決問(wèn)題，由于引水量達(dá)不到要求，直接影響村民定居下來(lái)，被迫遷徙。

2.2 渠系建筑物

灌溉區(qū)內(nèi)渠堤建筑質(zhì)量差，渠系安全無(wú)保證。建筑物始建于20世紀(jì)70～80年代，水閘基礎(chǔ)設(shè)施坐落在低液限粉土層上，因基礎(chǔ)處理不完善，施工質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等原因?qū)е滤l破損嚴(yán)重，同時(shí)由于年久失修，閘門變形嚴(yán)重，啟閉設(shè)備也不配套，閘門漏水甚為嚴(yán)重，已不能起到節(jié)制調(diào)控流量作用，閘前閘后漸變段已基本破損,有明顯沉降變形,滲漏嚴(yán)重。

3 渠首改造方案

3.1 引水渠首規(guī)模

設(shè)計(jì)引水流量為1.92m3/s，加大引水流量為2.5m3/s。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL252—2000，渠首工程規(guī)模為?。?）型，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇。天然河道洪水10年一遇洪峰流量為46 m3/s，30年一遇洪峰流量為76.9m3/s。

3.2 渠首總布置

根據(jù)河道功能控制水位和灌區(qū)所需用水量，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè),提出兩種方案，方案一攔河壩式渠首,方案二攔河閘式渠首。

3.2.1 方案一：攔河壩式渠首

滾水壩式渠首由滾水壩、沖砂閘、引水閘和陡坡段及拋石坑組成。引水閘布置在左岸，與沖砂閘平行布置，引水閘閘孔凈寬2.0 m。沖砂閘布置在引水閘和溢流壩之間，閘孔凈寬3.0 m、兩孔閘。溢流壩壩長(zhǎng)25 m,壩高3.4 m，地面以上高1.9 m，滾水壩末端設(shè)15m長(zhǎng)的陡坡段，設(shè)4.5m深的拋石坑。

3.2.2 方案二：攔河閘式渠首

攔河閘方案主要由泄洪閘、沖砂閘、引水閘、海曼段及上游連接段組成。泄洪沖砂閘垂直于河道布置，其中泄洪閘為4孔凈寬5 m的梯形閘門，沖砂閘緊靠引水閘布置，為凈寬3.0 m的平板鋼閘門。引水閘位于渠首左岸，閘孔凈寬2.0 m，泄洪沖砂閘后接海曼段及防沖段。

經(jīng)過(guò)對(duì)比,攔河閘方案較滾水壩方案沖砂閘效果要好，攔河閘方案要求管理水平較高，洪水期要求專人開(kāi)啟閘門。項(xiàng)目區(qū)位于山區(qū)，現(xiàn)狀沒(méi)有管理站所駐扎此地，無(wú)法按設(shè)計(jì)要求管理閘門。而滾水壩方案是自由溢流，可減少管理投入，更適合本地實(shí)際情況。攔河閘方案和滾水壩方案都有可建條件，經(jīng)方案比選，攔河閘方案較滾水壩方案多22萬(wàn)元左右投資，結(jié)合工程投資本次選擇滾水壩方案。

引水渠首工程布置在原老渠首位置，建議主要包括沖砂閘、引水閘和滾水壩、上、下游連接段組成。上游進(jìn)口段長(zhǎng)20 m寬55 m，底板采用C20F200細(xì)粒砼砌筑，邊墻長(zhǎng)24 m采用C20F200細(xì)粒砼砌筑。根據(jù)水文資料，30年一遇洪峰流量為76.9 m3/s，渠首最大泄洪流量也為76.9 m3/s，其中滾水壩最大泄流能力為34.46m3/s，沖砂閘最大泄流能力42.44m3/s。滾水壩寬25 m，垂直于河道布置壩型為梯形實(shí)用堰，為滿足河道沖砂要求，在滾水壩左端設(shè)沖砂閘，沖砂閘為2孔，閘孔凈寬為3.0 m。引水閘位于滾水壩左岸，其軸線與滾水壩軸線成16°角。引水閘為1孔，閘孔凈寬2.0 m，最大引水流量2.5 m3/s，采用平面鑄鐵閘門控制。下游海漫段長(zhǎng)15m底板用0.5 m現(xiàn)澆板澆筑，左岸邊墻為鋼筋混凝土，右岸邊墻為C20F200細(xì)粒砼砌筑。出口段下游接拋石坑拋石粒徑d≥0.7 m。

表1 渠首方案比選

3.3 滾水壩壩頂高程和溢流段長(zhǎng)度的確定

滾水壩為壅水建筑物其壩頂高程和滾水壩段長(zhǎng)度的確定與許多因素有關(guān)，其中主要是：a.滿足設(shè)計(jì)引水位的要求，保證渠系和引取所需的供水流量；b.上游洪水位不超過(guò)允許的高程，以避免造成過(guò)大的淹沒(méi)損失。洪水采用30年一遇校核洪峰流量引水閘為76.9 m3/s，灌區(qū)設(shè)計(jì)最大引水流量為2.5 m3/s[1]。

4 穩(wěn)定驗(yàn)算及技術(shù)參數(shù)

根據(jù)新疆特殊的地理環(huán)境,渠系主要是凍脹破壞,施工現(xiàn)場(chǎng)天然凍土層凍脹量可依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》SL23-2006查圖3.2.2-2，凍前地下水位Zw=2.0 m,經(jīng)查表，干渠N-S方向最大地表凍脹量為2.6 cm,經(jīng)計(jì)算基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量為2.43cm[2]，查表3.3.2得地基土的凍脹性級(jí)別為Ⅱ級(jí)。

4.1 抗滑穩(wěn)定安全驗(yàn)算

渠首地層屬第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)洪積堆積物砂卵（礫）石層，其厚度大于60m，表層有較薄的沖洪積粘土，低液限粘土，透水性強(qiáng)，厚度大，結(jié)構(gòu)密度，干燥，磨圓度較好，呈亞圓形，內(nèi)磨擦角為 32°，允許承載力 32t/m2，滲透系數(shù) 2.32×10-2～7.52×10-3cm/s，本段渠線地下水埋深大于10 m，穩(wěn)定性驗(yàn)算達(dá)到要求,處理深度應(yīng)滿足水流抗沖刷深度。

4.2 抗凍脹穩(wěn)定性驗(yàn)算

渠系襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹位移值渠系基土的凍脹量確定，根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》SL23-2006表（4.2.2）規(guī)定，混凝土襯砌防滲的梯形底梯形渠系允許位移值為1～3 cm，干砌卵石做漿襯砌防滲的梯形底梯形渠系允許位移值為2～5 cm。梯形底渠系底部的基土凍脹量小于規(guī)范規(guī)定的允許凍脹量，所以不用采取防凍脹措施，但梯形底渠系邊坡和梯形段渠系凍脹量大于規(guī)范規(guī)定的允許凍脹量，需進(jìn)行置換，以防止渠系發(fā)生凍脹破壞。

4.3 砂礫石含量

實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)：通過(guò)對(duì)奎屯河灌區(qū)的渠系破壞情況的調(diào)查與分析，墊層設(shè)20 cm～30 cm不會(huì)發(fā)生破壞。綜上所述，本次設(shè)計(jì)渠系渠底和邊坡采用6 cm厚C20F200預(yù)制砼板襯砌，下部鋪30cm厚的砂礫石墊層,渠系填方部分設(shè)計(jì)干容重rd≥1.70g/cm3。砂礫石墊層的技術(shù)要求為：最大顆粒粒徑不超過(guò)40 mm,小于0.075mm的顆粒質(zhì)量含量不超過(guò)6%，小于7.5mm顆粒質(zhì)量含量不超過(guò)40%，相對(duì)密度不小于0.75。

4.4 灌溉水利用系數(shù)

根據(jù)實(shí)地的調(diào)查，現(xiàn)狀該渠系干渠進(jìn)行了防滲處理，現(xiàn)狀干渠由于渠線較陡，已建的砼襯砌渠系沖毀嚴(yán)重，渠系全長(zhǎng)6.0km，其中毀壞90%以上毀壞。經(jīng)實(shí)際調(diào)查現(xiàn)狀地面灌渠系水利用系數(shù)0.58，田間水利用系數(shù)0.9，灌溉水利用系數(shù)為0.52，無(wú)高效節(jié)水，見(jiàn)表2。

表2 灌溉水利用系數(shù)表

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50288-99，渠系水利用系數(shù)等于各級(jí)渠系水利用系數(shù)之乘積，在無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，可采用下列公式計(jì)算：

式中，η為渠系水利用系數(shù)；σ為渠系單位長(zhǎng)度水量損失率，%·km；L為渠系長(zhǎng)度，km。

式中，k為土壤透水系數(shù)，3.4；m為土壤透水指數(shù)，0.5[3]；渠系襯砌之后，渠系單位長(zhǎng)度水量損失率σ可用下式修正：σ0=ε0σ，砼板防滲：ε0取 0.1。

根據(jù)上述公式，計(jì)算干、支、斗、農(nóng)四級(jí)渠系的渠系水利用系數(shù)，參照灌區(qū)的部分實(shí)測(cè)資料并考慮到的管理水平和蒸發(fā)損失，將渠系水利用系數(shù)作適當(dāng)調(diào)整，見(jiàn)表3。

表3 渠系水利用系數(shù)

5 結(jié)論

通過(guò)本工程除險(xiǎn)加固后的渠首，以灌溉為主，結(jié)合養(yǎng)殖、改善和保護(hù)生態(tài)環(huán)境為一體的水利工程。工程項(xiàng)目經(jīng)過(guò)兩年的運(yùn)行及凍融期，水流走向通暢，閘門開(kāi)啟靈活，渠首改造工程通過(guò)竣工驗(yàn)收,工程質(zhì)量合格;當(dāng)?shù)卮迕穹从沉己?。產(chǎn)生很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)是可行的。節(jié)余水量可用于灌區(qū)內(nèi)及周邊天然植被的灌溉，改善本灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境。該工程具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。

[1]新疆農(nóng)七師水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.新疆奎屯河渠首工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].奎屯：新疆農(nóng)七師水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2012.

[2]SL 211-2006，水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民郵電出版社,2006.

[3]GB 50288-99，灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,1999.