北屯灌區(qū)渠道方案比選與設(shè)計(jì)分析

曹海濤

（新疆北屯市恒豐勘察設(shè)計(jì)開發(fā)有限責(zé)任公司，新疆 北屯 836099）

灌區(qū)工程建設(shè)是一項(xiàng)重要的民生工程，也是一項(xiàng)重要的生態(tài)改善工程。近年來國(guó)家投入資金進(jìn)行灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造，灌區(qū)灌溉條件得到明顯改善，但仍有部分灌溉渠道存在渠岸坍塌、渠道斷面不規(guī)則、雜草叢生、渠道流速緩慢、滲漏損失大等問題，造成灌溉季節(jié)地下水位不斷升高、土地次生鹽堿化，使得灌區(qū)水利工程與灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不相適應(yīng)[1]。

目前，充分利用地下水的綜合防治措施、農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對(duì)灌區(qū)渠道進(jìn)行維修、改造或者重建，相應(yīng)的提高防洪能力和灌區(qū)的用水效益，為經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供保障。受到現(xiàn)代技術(shù)、資金等條件限制，水利項(xiàng)目的施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、水利項(xiàng)目的建設(shè)質(zhì)量也相對(duì)很低，維修費(fèi)用、管理不到位、長(zhǎng)期帶病運(yùn)行使水利工程設(shè)施嚴(yán)重老化。灌區(qū)存在的諸多問題，影響灌溉效益的正常發(fā)揮。因此，為確保水利灌區(qū)功能有效發(fā)揮，必須科學(xué)認(rèn)識(shí)灌區(qū)存在的問題，對(duì)灌區(qū)的渠道進(jìn)行改造。本文針對(duì)北屯區(qū)骨干水利工程設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 工程現(xiàn)狀

北屯灌區(qū)位于新疆阿勒泰地區(qū)福?？h境內(nèi)，地處阿勒泰地區(qū)經(jīng)濟(jì)核心中部，灌區(qū)有國(guó)道216線、省道318線和奎阿高速，是阿勒泰地區(qū)的交通樞紐。根據(jù)灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃成果，結(jié)合灌區(qū)實(shí)際情況，確定改造干渠流量為7 m3/s～4.5 m3/s，依據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017），確定工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅳ等。

2 渠道存在的問題

北屯灌區(qū)因土層薄，土層以下是透水性較強(qiáng)的砂礫石層，水量滲漏較大。渠道大多數(shù)為土渠或損壞嚴(yán)重的防滲渠，渠道雜草叢生，斷面不規(guī)則，渠岸坍塌，渠道流速緩慢，渠床為砂礫石地基，渠道滲漏嚴(yán)重，造成部分區(qū)域渠道兩側(cè)沼澤、土壤鹽漬化嚴(yán)重。通過渠道防滲改造，提高流速、減少渠道滲漏損失，提高水利用系數(shù)、節(jié)約水資源。

工程規(guī)劃原則是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源可持續(xù)利用，為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為北屯灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供可靠的水利保障設(shè)施。

3 渠道方案比選

選取典型的渠道防滲工程從渠線選擇、渠道防滲結(jié)構(gòu)型式兩方面進(jìn)行渠道工程方案比較。

3.1 渠線方案

工程屬于灌區(qū)改造項(xiàng)目，現(xiàn)狀渠道均已存在。以二干渠防滲渠為例，方案（一）為新渠線方案，即摒棄老渠線，重新選擇一條渠線；方案（二）為舊渠線方案。

方案（一）：新渠線方案，摒棄舊渠線，重新選擇一條新的渠線。二干渠末段新渠線選擇的最主要問題是要占用大量耕地，根據(jù)實(shí)地踏勘，二干渠兩側(cè)均為耕地，新渠線只能選在耕地一側(cè)，該渠線將占用大量耕地，初步估計(jì)新渠線及施工占耕地約3.7 hm2畝左右。

方案（二）：舊渠線方案，灌區(qū)現(xiàn)狀渠系布置基本上是按照灌區(qū)總體規(guī)劃修建的，經(jīng)過多年的運(yùn)行，從總體布置上看是合理的，只是局部渠段以土渠型式時(shí)彎曲較多，在進(jìn)行防滲處理時(shí)，可根據(jù)實(shí)地情況適當(dāng)截彎取直。因此涉及的渠道改造工程，渠線總體方案維持現(xiàn)狀，只對(duì)局部不合理的渠線進(jìn)行截裁彎取直。

3.2 渠道結(jié)構(gòu)型式方案

渠道縱斷面設(shè)計(jì)要考慮滿足取水建筑物的取水水位要求，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)渠道縱斷面。

（1）渠道橫斷面結(jié)構(gòu)型式比較。渠道橫斷面結(jié)構(gòu)型式應(yīng)根據(jù)工程區(qū)水文、氣象、地質(zhì)等條件，結(jié)合工程沖刷、凍脹等具體問題，參考灌區(qū)改造經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行方案比選后，確定最優(yōu)方案。

根據(jù)規(guī)范要求及項(xiàng)目區(qū)已建相似工程，本工程擬采用弧形底梯形渠和梯形渠兩個(gè)方案比較，見表1。

表1 渠道橫斷面型式方案比較

方案一弧形底梯形渠抗凍脹性能較好，但施工時(shí)間較長(zhǎng)，與農(nóng)業(yè)灌溉有矛盾；方案二抗凍脹性能相對(duì)較差，但易于施工、施工時(shí)間較短，同時(shí)參考北屯灌區(qū)已建相似工程，基本為梯形斷面，冬季凍脹破壞不大，其施工、管理、運(yùn)行良好，因此本可研推薦選用方案二梯形渠斷面。

（2）渠道襯砌方案比較。根據(jù)本地材料與施工工藝，結(jié)合灌區(qū)近幾年常見的渠道防滲型式，進(jìn)行工程渠道結(jié)構(gòu)型式方案比較，見表2。

方案一：現(xiàn)澆80 mm厚砼板襯砌結(jié)構(gòu)型式

方案二：預(yù)制80 mm厚砼板襯砌結(jié)構(gòu)型式

方案三：23 cm厚雷諾護(hù)墊襯砌結(jié)構(gòu)型式

表2 渠道襯砌型式方案比較

根據(jù)上述分析，方案一單方投資較小，但施工需要時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，本方案工程量較大，農(nóng)業(yè)灌溉結(jié)束后，用于施工的時(shí)間較短，兩者有所矛盾；方案二預(yù)制、砌筑砼所需施工期短，相對(duì)工程量少，但單方造價(jià)較大。

按上述分析，根據(jù)具體工程需要，同時(shí)參考北屯灌區(qū)已建相似工程，二干渠末段采用預(yù)制砼+雷諾護(hù)墊襯砌型式。南關(guān)水庫(kù)引水渠末段采用雷諾護(hù)墊襯砌型式。阿克達(dá)拉水庫(kù)進(jìn)水渠0+000～2+482段采用預(yù)制砼+雷諾護(hù)墊襯砌型式，2+482～3+505段采用雷諾護(hù)墊襯砌型式。

4 渠道設(shè)計(jì)

4.1 工程等別的劃分

根據(jù)分析，3條干渠設(shè)計(jì)流量7 m3/s～4.5 m3/s，依據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50600-2010），各渠道工程級(jí)別及工程規(guī)模，見表3。

項(xiàng)目區(qū)地震動(dòng)峰值加速度g=0.05，相當(dāng)于地震烈度Ⅵ度。

表3 各級(jí)渠道級(jí)別及規(guī)模統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)上述確定本項(xiàng)目工程規(guī)模為中型，主要建筑物4級(jí)，次要建筑物5級(jí)。

4.2 渠道水力要素確定

梯形斷面渠道水力計(jì)算采用《水力計(jì)算手冊(cè)》上的有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q為渠道設(shè)計(jì)流量，m3/s；b為渠底寬度，m；h為渠道設(shè)計(jì)水深，m；m為渠道內(nèi)邊坡；i為渠道縱坡，渠道縱坡由現(xiàn)狀渠底縱坡和地面而定；n為渠道糙率，根據(jù)渠道不同襯砌材料確定。計(jì)算過水?dāng)嗝嬷狄姳?～表6。

表4 北屯灌區(qū)二干渠末段水力要素表

表5 南關(guān)水庫(kù)引水渠末段水力要素表

表6 阿克達(dá)拉水庫(kù)進(jìn)水渠水力要素表

4.3 渠道超高計(jì)算

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288-2018）要求，4、5級(jí)渠道岸頂超高值：

式中：hb為渠道通過加大流量的水深。

通過上式計(jì)算渠道超高，同時(shí)考慮渠道采用砼預(yù)制板防滲，規(guī)范要求襯砌高度為0.3 m～0.8 m，結(jié)合襯砌砼板的規(guī)格等因素綜合確定渠道超高。安全超高計(jì)算值見表4、表5、表6。

4.4 渠頂寬度確定

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288-2018）要求，“萬畝以上灌區(qū)干、支渠岸頂寬度不應(yīng)小于2 m”、“渠道岸頂兼作交通道路時(shí)，其寬度應(yīng)滿足車輛通行要求”。

根據(jù)現(xiàn)狀勘察，結(jié)合灌區(qū)規(guī)劃，干渠渠堤有交通要求時(shí)，采用4 m堤頂寬，無交通要求時(shí)，堤頂寬度選擇為2 m。

4.5 抗凍脹設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程渠床取樣顆粒分析，本工程渠道渠床粗粒土中粒徑小于0.075 mm的土粒含量為3%～7.5%＜10%，為非凍脹土，不符合《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50600-2010）中的“三同時(shí)原則”的第一個(gè)條件，因此不作抗凍脹設(shè)計(jì)，采用灌區(qū)多年的防滲結(jié)構(gòu)形式即可。

5 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目實(shí)施后，減少了北屯灌區(qū)渠道的滲漏和輸水損失，對(duì)灌區(qū)因地下水位上升而引起的土壤鹽漬化、沼澤化的現(xiàn)象也有極大改觀，改善了灌區(qū)的供水條件，將節(jié)約的水資源用于灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和灌區(qū)生態(tài)建設(shè)，有利于灌區(qū)水資源的可持續(xù)利用和灌區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，符合國(guó)家農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展政策要求。