第六師開墾河灌區(qū)節(jié)水改造項目實施方案淺析

王 偉

(五家渠農(nóng)六師勘測設(shè)計研究有限責任公司，新疆 五家渠 831300）

0 引言

新疆奇臺縣開墾河灌區(qū)是兵地共建灌區(qū)，灌區(qū)土地總面積110 萬畝,其中第六師開墾河灌區(qū)共包含4 個農(nóng)場，總灌溉面積32.82 萬畝。本項目區(qū)奇臺農(nóng)場位于山前沖積平原，建于60 年代初，項目區(qū)灌溉面積18.82 萬畝。自建場以來，奇臺農(nóng)場先后修建了汪家口水庫（Ⅰ）庫、（Ⅱ）庫、奇臺農(nóng)場引水干渠、奇臺農(nóng)場輸水干渠、奇臺農(nóng)場東干渠等一批中型水利工程，在一段時間內(nèi)為項目區(qū)經(jīng)濟發(fā)展作出了很大貢獻。由于原工程設(shè)計標準偏低，工程老化，年久失修，不能滿足農(nóng)場日常灌溉用水需要，同時造成灌區(qū)地下水超采。在此基礎(chǔ)上，對該灌區(qū)的骨干工程進行配套續(xù)建和節(jié)水改造。

1 項目區(qū)概況

項目區(qū)奇臺農(nóng)場總?cè)丝?.4 萬人，其中漢族占92.82%，少數(shù)民族人口占7.18%。奇臺農(nóng)場是全國糧食生產(chǎn)基地之一,在地區(qū)國民經(jīng)濟中占有重要地位。奇臺農(nóng)場是地表水和地下水混灌區(qū)。

項目區(qū)地表水均來自開墾河，奇臺農(nóng)場分水比例為39.27%，75%保證率下引水量4582.42 萬m3；項目區(qū)地下水由地表水補給，地下水水質(zhì)良好，是較好的灌溉和生活用水。據(jù)第六師地質(zhì)勘察資料，開墾河灌區(qū)地下水總儲量為1.86 億m3,可開采量為1.08 億m3。工程區(qū)分布地層巖性主要是巨厚的第四紀松散堆積物，以低液限粉土和圓礫為主。

2 工程級別及主要建設(shè)內(nèi)容

本次第六師開墾河灌區(qū)骨干渠道防滲改建工程全長47.78 km，設(shè)計流量為1.0～30.18 m3/s,根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》，設(shè)計流量大于5.0 m3/s 的渠道為奇臺農(nóng)場引水干渠，主要建筑物為4 級，次要建筑物為5 級；其他干渠和支渠設(shè)計流量均小于5.0 m3/s，主要建筑物和次要建筑物均為5 級。灌溉設(shè)計保證率取75%。灌溉水利用系數(shù)為0.52。

主要建設(shè)內(nèi)容包括骨干渠道防滲改建工程總長度為47.78 km，其中干渠總長31.2 km、支渠總長16.58 km；改建渠道建筑物132 座，其中閘 84 座，農(nóng)橋 43 座，沉砂池 2 座，涵洞 1 座，渡槽1 座，跌水 1 座。

3 工程設(shè)計

3.1 渠道縱斷面設(shè)計

根據(jù)渠道的設(shè)計流量和實地勘測資料，在設(shè)計中考慮渠系現(xiàn)狀，綜合各分水口、進水口、已有建筑物的高程條件等來控制渠道的縱坡，對部分縱坡較大，易產(chǎn)生沖刷破壞渠段，擬對縱坡進行調(diào)整?？v坡考慮原有支渠和斗渠渠底高程，使干渠和支渠水能通暢地進入下級渠道；根據(jù)渠道沿線地形、地質(zhì)條件，設(shè)計流量等，保證設(shè)計輸水能力、邊坡穩(wěn)定和水流安全通暢；保證干渠與支渠之間、支渠各斗渠之間以及重要建筑物上、下游水面平順銜接；滿足渠道不沖不淤流速；各渠道分水口高程要滿足灌溉要求等[1]。

各渠口水位由下式推算確定：

式中：A0為渠道灌溉范圍內(nèi)控制點（較難灌到水的地面）的地面高程，m；△I 為控制點地面與附近末級固定渠道設(shè)計水位的高差，一般取 0.1 m～0.2 m；L 為渠道的長度，m；I 為渠道的比降；ψ為水流通過渠系建筑物的水頭損失，m。

經(jīng)計算，引水干渠渠道縱坡擬定主要以各引洪閘、電站引水閘的高程作為控制性高程點，保證能夠正常引洪，滿足電站引水渠的引水高程，盡量貼近原渠底，保證挖填方量最小，并且使水面曲線平順連接，水力條件良好，水流穩(wěn)定，綜合考慮確定縱坡為8.06‰～23.88‰；輸水干渠在原渠上改建，控制性高程為起點已建閘、沿線幾個分水閘高程，確定南北走向段縱坡為14.4‰～15.9‰，東西走向段縱坡為1.6‰～2.0‰；東干渠在原渠上改建，控制性高程為一座已建可利用跨河渡槽，沿線各分水閘高程，縱坡定為5.8‰～16.4‰；支渠均在原渠道上改建，控制點高程為沿線各分水閘高程，一支渠縱坡為5.32‰～37.8‰，二支渠縱坡為3.1‰～7.77‰，調(diào)水渠三支渠縱坡為2.0‰～26.67‰。

3.2 渠道防凍脹設(shè)計

奇臺農(nóng)場引水干渠0+000～6+534.4 段、奇臺農(nóng)場東干渠、引水干渠一支渠0+000～2+237 段，是非凍脹性土，可不考慮凍脹。引水干渠6+534.4～8+082 段、輸水干渠、一支渠2+237～8+279 段、二支渠、三支渠渠基是低液限粉土，是凍脹性土，需考慮凍脹。項目區(qū)最冷月1 月份平均氣溫：-17.9℃＜-10℃，屬嚴寒地區(qū)。低液限粉土屬凍脹性土質(zhì)。凍前地下水位深度1.5 m。渠道所在地區(qū)同時滿足發(fā)生凍脹的三個條件，渠道在修建時要采取防凍措施[2]。

3.2.1 設(shè)計凍深計算

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》，渠系工程的設(shè)計凍深可按下式計算：

式中：Zd為渠系工程的設(shè)計凍深，m；Zm為歷年最大凍深，取1.6 m；ψd為日照及遮陰程度影響系數(shù)；ψw為地下水修正系數(shù)。

設(shè)計凍深計算見表1。

表1 第六師開墾河灌區(qū)骨干渠道設(shè)計凍深計算表

3.2.2 凍脹量及凍脹級別確定

當基礎(chǔ)板厚小于50 cm 時,基礎(chǔ)凍深按下式計算：

式中：δc為基礎(chǔ)板厚，引水干渠40 cm,輸水干渠10 cm～40 cm，支渠 8 cm～30 cm；δw為底板之上冰層厚度，0 cm。

渠道基礎(chǔ)土料凍脹量按下式計算：

式中：h 為工程地點天然凍土層產(chǎn)生的凍脹量, 由凍脹量圖查得，cm；hf基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量，cm；Zd程地點的天然設(shè)計凍深，m。根據(jù)以上公式計算基土凍脹量，結(jié)果見表2。

表2 第六師開墾河灌區(qū)骨干渠道基礎(chǔ)凍深、凍脹量計算表

3.2.3 渠道抗凍脹措施

依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL23-2006)，當渠基土凍脹級別為Ⅲ級時，可采用置換措施防止凍脹破壞，渠床各部位置換深度可按下式計算：

式中：Zn為置換深度，cm；ε 為置換比，邊坡取60%，渠底取80%；δ0為襯砌板厚度，cm，本工程引水干渠襯砌厚度40 cm,其余渠道現(xiàn)澆砼底板及邊坡板厚度8 cm～12 cm。

根據(jù)計算渠道坡面上部需置換0.29 m～0.92 m 砂礫石墊層，渠道坡面下部、渠底需要置換0.52 m～0.91 m 砂礫石墊層。本次工程凍脹土置換厚度在計算的基礎(chǔ)上借鑒周邊渠道置換墊層厚度，最終確定引水干渠置換0.3 m 砂礫石墊層；輸水干渠及3 條支渠漿砌石部分置換0.30 砂礫石墊層、砼部分置換0.45 m 砂礫石墊層。計算結(jié)果見表3。

表3 第六師開墾河灌區(qū)骨干渠道置換層厚度計算表

3.3 渠道橫斷面設(shè)計

3.3.1 渠道參數(shù)

引水干渠設(shè)計流量30.18 m3/s，該渠道渠底與邊坡基礎(chǔ)均為卵石和砂礫石，正常運行已超過40 年，渠基和邊坡非常穩(wěn)定，本次基本在原有渠道斷面上防滲改建，無需進行邊坡穩(wěn)定計算，邊坡系數(shù)按現(xiàn)狀渠道的邊坡取值。

引水干渠為渠底干砌卵石灌漿、邊坡漿砌石，糙率取0.035；輸水干渠、東干渠、3 條支渠均采用現(xiàn)澆砼板襯砌，糙率取0.016。為滿足運行管理需要，干渠的渠堤寬度兩側(cè)分別為2.5 m 和4.0 m。支渠渠堤寬度為1 m～2.0 m。襯砌渠道超高值可采用0.3 m～0.8 m，引水干渠渠深1.3 m～2.1 m；東干渠渠深0.8 m～1.1 m；輸水干渠渠深0.8 m～1.1 m，支渠渠深0.6 m～1.1 m。

3.3.2 斷面形式選定

根據(jù)渠道規(guī)模和第六師多年防滲改建的經(jīng)驗，可采用梯形斷面、弧形底梯形斷面和弧形坡腳梯形斷面等形式。其中引水干渠流量大，斷面大，為避免砌筑難度，選定為梯形斷面；輸水干渠和東干渠流量適中、斷面適中，采用水力條件、抗凍脹能力、抗沖能力較好的弧形底梯形斷面；支渠流量小，斷面小，全部采用施工工藝簡單施工期短的梯形斷面。引水干渠一支渠和水庫調(diào)水渠三支渠起始段為發(fā)電與灌溉共用，流量較大，但縱坡小，斷面大，本次設(shè)計也采用梯形斷面。

3.3.3 襯砌形式比選

根據(jù)當?shù)夭牧霞皩嶋H情況，可采用漿砌卵石、現(xiàn)澆砼或二者結(jié)合的方式進行襯砌。引水干渠縱坡大，渠道內(nèi)泥砂含量較大，粒徑較大，對渠道的磨損比較嚴重，考慮到該渠道冬季引水可能破壞砼邊坡，因此選定為漿砌卵石襯砌。其他各渠道考慮到開墾河河道內(nèi)卵石儲量有限，但砂礫石儲量豐富，而且水泥廠距項目區(qū)很近，因此剩余渠道采用現(xiàn)澆砼襯砌，部分流速大的渠段渠底采用漿砌石襯砌。

3.3.4 典型斷面

（1）引水干渠

引水干渠采用渠底干砌卵石灌漿+邊坡漿砌卵石進行襯砌。典型斷面圖見圖1、圖2。

圖1 引水干渠橫斷面圖（0+000～6+534.4 段）（尺寸單位：cm）

圖2 引水干渠橫斷面圖（6+534.4～8+082 段）（尺寸單位：cm）

（2）輸水干渠

輸水干渠本次改建參考已建段的結(jié)構(gòu)層，其中13+500～18+747 段縱坡較陡、流速較大，采用渠底漿砌卵石40 cm、邊坡混凝土厚度12 cm 及一布一膜+砂礫石抗凍墊層45 cm 方式襯砌；縱坡緩、流速不大的23+953～26+488 段采用全斷面現(xiàn)澆砼10 cm及一布一膜+砂礫石抗凍墊層45 cm 方式襯砌。典型斷面圖見圖3、圖4。

圖 3 輸水干渠橫斷面圖（18+747～26+488 段）（尺寸單位：cm）

圖4 輸水干渠橫斷面圖（13+500～18+747 段）（尺寸單位：cm）

（3）東干渠

東干渠縱坡較陡，但設(shè)計流量不大，選擇弧形底梯形斷面的現(xiàn)澆砼渠道。斷面圖見圖5。

圖5 東干渠斷面圖（尺寸單位：cm）

（4）支渠

3 條支渠分別為引水干渠一支渠、引水干渠二支渠、水庫調(diào)水渠三支渠。采用現(xiàn)澆砼及砂礫石抗凍墊層45 cm。斷面圖見圖6。

圖6 支渠斷面圖（尺寸單位：cm）

3.4 主要建筑物設(shè)計

3.4.1 水閘

本次項目共改建閘84 座，其中引水干渠采用開敞式閘室結(jié)構(gòu)；輸水干渠和東干渠上的節(jié)制閘、分水閘均采用現(xiàn)澆鋼筋砼一字型結(jié)構(gòu)；支渠節(jié)制閘根據(jù)為現(xiàn)澆鋼筋砼一字型結(jié)構(gòu)，支渠分水閘均采用封閉式閘門，該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，造價低，抗凍脹性能好。一字型結(jié)構(gòu)閘門均采用平板鋼閘門，干渠啟閉設(shè)備采用手電兩用螺桿式啟閉機，支渠啟閉設(shè)備采用手動螺桿式啟閉機。

3.4.2 涵洞

水庫調(diào)水渠三支渠在0+848 處跨過電站尾水渠，電站尾水渠采用涵洞從渠底穿過，渠道采用高填方明渠。電站尾水渠最大流量3.0 m3/s，底寬2.0 m，水深0.5 m,流速3.13 m/s。三支渠底寬0.6 m，渠深0.8 m，開口寬3.0 m。

經(jīng)計算涵洞長為29 m，屬無壓流長洞，按照無壓流長洞流量計算公式計算涵洞寬度：

經(jīng)計算，涵洞寬度為1.79 m,本次取2.0 m。采用預(yù)制鋼筋砼城門洞型涵洞，底寬2. m,高2.0 m,厚0.3 m,每節(jié)長1.0 m，共29 節(jié)。

3.4.3 沉砂池

本次改建的2 座沉砂池位于奇臺農(nóng)場引水干渠0+400、4+250 兩處。入池粒徑級配曲線見圖7。

圖7 入池粒徑級配曲線

為防止大粒徑泥砂對渠道造成破壞，兩座沉砂池出池泥沙最大粒徑2 mm 的沉降率不小于95%。兩座沉沙池均按單池布置，主要設(shè)置進出口連接段，工作段，機車清沙通道，年均清砂5 次左右。清除的泥沙運往下游空地。

4 結(jié)語

本工程總投資概算為7059.63 萬元，經(jīng)濟內(nèi)部收益率為9.96%，大于社會折現(xiàn)率8%；經(jīng)濟凈現(xiàn)值1852.80 萬元；效益費用比1.25，說明此項目滿足國民經(jīng)濟效益和社會要求。項目實施后，奇臺農(nóng)場灌溉水利用系數(shù)從0.45 提高到0.52，緩解了地下水超采的現(xiàn)狀，有效地提高了灌區(qū)水資源利用效率，改善了灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉條件。奇臺農(nóng)場總灌溉面積18.82 萬畝，占灌區(qū)總面積的57.34%，項目的實施，同時對灌區(qū)農(nóng)業(yè)和農(nóng)場經(jīng)濟發(fā)展有著重要意義。