過(guò)河涵洞改造研究
——以新疆瑪河流域灌區(qū)東岸大渠為例

張金強(qiáng)

(新疆瑪納斯河流域管理局,新疆 石河子 832000)

1 工程概況

新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河流域位于天山北坡經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)核心地帶，地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣，東至塔西河，西至巴音溝河，南至依連哈爾尕山，北至古爾班通古特沙漠，地理位置范圍東經(jīng)84°58′～86°24′，北緯43°54′～45°01′，瑪河流域海拔在366.0～407.2 m，地勢(shì)南高北低。

東岸大渠起始于紅山嘴渠首進(jìn)水閘，先后流經(jīng)瑪河四級(jí)電站、五級(jí)電站、312國(guó)道等，終點(diǎn)位于瑪納斯縣蘭州灣鄉(xiāng)，東岸大渠全長(zhǎng)17.2 km。渠道縱坡范圍0.5%～2%，年輸水量9.4億m3。工程竣工于1959年，該渠道8.0 km過(guò)河涵洞段損壞和老化嚴(yán)重，跨瑪河段的涵洞，其頂部被沖出，涵洞下游與瑪河銜接處被下切成1～2 m的陡坎，過(guò)河涵洞不能正常運(yùn)行，將威脅到灌區(qū)的2.0萬(wàn)hm2耕地，因此，瑪河流域管理局每年都要花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)來(lái)修理和維護(hù)。

2 工程現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

2.1 現(xiàn)狀

東岸大渠總長(zhǎng)17.2 km，已改造完成8.91 km，其中，樁號(hào)1+151～2+151段在2001—2002年完成改造，樁號(hào)8+900～17+200段在2009—2012年完成改造，目前，上述兩段渠道現(xiàn)狀均運(yùn)行良好。本期改建樁號(hào)8+030.71～8+855.10段，渠道采用干砌石結(jié)構(gòu)，渠道左側(cè)為河漫灘，渠道右側(cè)為石紅公路，路面寬約6.00 m。

2.2 存在問(wèn)題

東岸大渠過(guò)河涵洞始建于1959年，其斷面采用2孔拱形，凈高2.5 m，凈寬2.7 m，設(shè)計(jì)流量23 m3/s，結(jié)構(gòu)采用漿砌石結(jié)構(gòu)。涵洞分兩段，第一段穿過(guò)東岸大渠段長(zhǎng)30余米，第二段穿過(guò)鐵路導(dǎo)流堤并橫穿瑪河段長(zhǎng)630余米，該涵洞經(jīng)過(guò)近50年的運(yùn)行，存在卵石松動(dòng)、剝落以及渠道淤積等現(xiàn)象，老化損壞十分嚴(yán)重。

由于過(guò)河涵洞原設(shè)計(jì)流量為23 m3/s，現(xiàn)實(shí)際流量?jī)H為8～9 m3/s，因此不能滿足兵團(tuán)第八師的供水要求。流域管理局每年需投入大量的經(jīng)費(fèi)和專人負(fù)責(zé)維護(hù)，但是隨著時(shí)間的持續(xù)，渠道下切的深度在不斷加大，由于工程老化，后續(xù)問(wèn)題不斷出現(xiàn)。

主要存在如下問(wèn)題：(1)渠道磨損破壞十分嚴(yán)重，多處見大面積干砌石剝落現(xiàn)象；(2)渠道正在變形，隨著變形量的積累致使底板凸凹不平；(3)復(fù)核計(jì)算表明，樁號(hào)8+030.71～8+855.10段渠道超高不夠，存在安全隱患。

3 過(guò)河涵洞改造設(shè)計(jì)

3.1 路線比選

(1)路線區(qū)工程地質(zhì)條件。0+000～1+140段：卵石混合土，天然密度2.06 g/cm3，含水率2.6%，黏聚力5 kPa，內(nèi)摩擦角35°，承載力400 kPa，變形模量35 MPa。1+140～1+472段：第①層低液限粉土，分布在1+140～1+270段，天然密度1.75 g/cm3，天然含水率13.1%，承載力值120 kPa，變形模量6.0 MPa；第②層卵石混合土：天然密度2.05 g/cm3，含水率2.2%，承載力400 kPa，變形模量35 MPa。改建渠段位于瑪河?xùn)|側(cè)的河漫灘上，局部地段位于一級(jí)階地上，揭露地層巖性均為第四系沖積堆積卵石，青灰色，內(nèi)摩擦角35°，承載力值280 kPa，變形模量20 MPa。

工程區(qū)最大凍深1.47 m。渡槽引水渠段1+140～1+270段場(chǎng)地粉土為凍脹土，凍脹等級(jí)Ⅰ級(jí)；其余線段為非凍脹性土，凍土不具有鹽脹性。地表水對(duì)混凝土不具腐蝕性，同時(shí)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋不具腐蝕性，但對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。東岸大渠段地下水位埋深大于6.0 m；東岸大渠8.0 km 過(guò)河涵洞段地下潛水位埋深大于50.0 m，滲透系數(shù)5.0×10-2cm/s，渠水補(bǔ)給地下水。

混凝土骨料位于東岸大渠9.0 km分水閘南1.0 km 瑪河河漫灘上，另外距本工程區(qū)20.0 km處有商品混凝土廠；東岸大渠填筑料用量位于渠道8+000處的瑪河西岸，料場(chǎng)內(nèi)地形平坦，為當(dāng)?shù)亟ㄖ蒙虡I(yè)砂礫石料場(chǎng)，儲(chǔ)量豐富，交通便利。

(2)線路選擇。根據(jù)現(xiàn)狀涵洞和瑪河西岸總干渠的高程關(guān)系，線路采用兩個(gè)方案比較，方案一在原址下游50.0 m新建；方案二在原址下游900.0 m處新建。由于受引水口、投入口和瑪河河床底高程的限制，方案一適宜的建筑物型式是涵洞，方案二適宜的建筑物型式是渡槽。

方案一：原址下游約50.0 m新建

現(xiàn)狀的涵洞雖然存在諸多的險(xiǎn)情，但還在為下游灌區(qū)服務(wù)，如果在原址改建，一方面過(guò)流能力不足，破壞嚴(yán)重，維修麻煩，拆舊量大；另一方面如果在原址改建，沒(méi)有施工期。因此考慮在其下游重建，由于受瑪河?xùn)|岸五級(jí)電站尾水渠回水和瑪河西岸石河子總干渠的影響，改造過(guò)河涵洞進(jìn)口位置擬定在現(xiàn)有涵洞下游50.0 m處，與現(xiàn)有涵洞平行布置。

涵洞設(shè)計(jì)流量15 m3/s，其中0+000～0+030段和0+160～0+800段為涵洞，0+030～0+160段為明渠。

方案二：在原址下游900.0 m處新建

東岸大渠8+900處現(xiàn)狀為節(jié)制分水閘，分水閘的功能是退水，其設(shè)計(jì)退水流量為40 m3/s，且退水時(shí)間均在非灌溉期，本次結(jié)合東岸大渠8+900節(jié)制分水閘及退水渠，在原址下游900.0 m修建跨瑪河渡槽，將東岸大渠的水輸送到石河子總干渠。

渡槽設(shè)計(jì)流量為15 m3/s?？绾虞斔桨赣擅髑投刹蹆刹糠纸M成，其中0+000～0+750段和1+100～1+280段為明渠，總長(zhǎng)為930.0 m；0+750～1+100段為渡槽，長(zhǎng)度為350.0 m。

從投資角度來(lái)比較，方案一的建筑投資為687.00萬(wàn)元；方案二的建筑投資837.18萬(wàn)元，因此，方案一優(yōu)于方案二。但是，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，在平行于一支干渠的右側(cè)，已經(jīng)建了一條寬20.0 m的市政道路，擬建跨河渡槽之后的渠道和道路相交，需要修建路下涵洞才能將水投入石河子一支干渠；同時(shí)涵底高程和路面高程僅僅相差1.0 m，如果修建涵洞，需要抬高路面高程，為了減少渠系建筑物以降低投資，最終選擇渡槽往河道上游移動(dòng)，渡槽后的渠道投入點(diǎn)改在市政道路跨石河子總干渠橋的上游。線路布置見圖1。

圖1 線路方案選擇示意圖

3.2 渠道橫斷面比選

在滿足渡槽槽底進(jìn)出口的條件下，渠道大部分為填方渠道，且填筑材料為河道非凍脹性的卵石混合土，為減少填方量，渠道可采用寬淺式的梯形斷面和弧底梯形斷面。

方案一：梯形斷面

0+000～0+750段，梯形斷面，渠道邊坡取1∶1.75,渠道底寬2.0～3.0 m，渠深2.4～3.0 m；1+100～1+280段，梯形斷面，渠道邊坡取1∶1.75,渠道底寬1.5 m，渠深2.1 m。梯形渠道水力計(jì)算示意圖見圖2，具體水力計(jì)算結(jié)果見表1。

圖2 梯形渠道水力計(jì)算示意圖

表1 梯形斷面水力計(jì)算表

方案二：弧底梯形斷面

0+000～0+750段，弧底梯形斷面，渠道邊坡取1∶1.75,弧底半徑3.0 m，渠深2.9～3.5 m；1+100～1+280段，弧底梯形斷面，渠道邊坡取1∶1.75,弧底半徑2.5 m，渠深2.2 m。弧底梯形水力計(jì)算示意圖見圖3，具體水力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 弧底梯形斷面水力計(jì)算表

圖3 弧底梯形渠道水力計(jì)算示意圖

兩方案的主要工程量及建筑投資對(duì)比見表3，在技術(shù)條件一致的情況下，從投資方面比較，梯形斷面比弧底梯形斷面的渠道少15.89萬(wàn)元，故本工程推薦方案一梯形斷面。

表3 兩方案的主要工程量及建筑投資

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)瑪納斯河灌區(qū)東岸大渠改建工程的研究，由于工程建設(shè)初期基礎(chǔ)資料短缺，在經(jīng)過(guò)近50年的運(yùn)行使用后，隨時(shí)間推移出現(xiàn)了各種問(wèn)題。雖然經(jīng)過(guò)多次小規(guī)模改造和維修，但由于資金等方面原因不能從根本上解決問(wèn)題，實(shí)踐認(rèn)為東岸大渠過(guò)河涵洞的節(jié)水改造能有效改變這一現(xiàn)狀，并推動(dòng)灌區(qū)經(jīng)濟(jì)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。