司 猛

(巴州水利水電勘測設(shè)計(jì)院，新疆 巴州 841000)

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開都河渠道工程及橫斷面型式選擇分析

司 猛

(巴州水利水電勘測設(shè)計(jì)院，新疆 巴州 841000)

開都河渠道工程及橫斷面型式選擇，工程就北岸南岸干渠方案進(jìn)行比選，北岸干渠方案一作為設(shè)計(jì)方案，南岸干渠方案二作為設(shè)計(jì)方案。渠道設(shè)計(jì)方面就渠道的縱斷面、橫斷面及內(nèi)外邊坡進(jìn)行分析，襯砌、防凍脹形式選擇也進(jìn)行了方案比選，選擇最優(yōu)方案。

渠道；干渠；塑膜；防滲；灌區(qū)

開都河第二分水樞紐灌區(qū)骨干灌溉工程已成較完整的系統(tǒng)，能滿足和控制當(dāng)前的灌溉要求，渠道過水能力大部分干支渠均能滿足要求，但也存在不少問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①灌區(qū)內(nèi)引水渠首均為無壩引水，灌溉引水保證率，引水渠首運(yùn)行年限長，大都老化嚴(yán)重，給灌區(qū)的管理造成很大的困難；②干渠絕大部分為土渠，由于灌區(qū)土質(zhì)輕，局部渠道存地沖刷和淤積，造成渠道塌坡，渠內(nèi)長草，灌區(qū)群眾每年都需進(jìn)行維修清淤；③渠道滲漏嚴(yán)重，渠道水利用系數(shù)低,一方面造成水資源的浪費(fèi),另一方面致使灌區(qū)地下水升高；④渠系建筑物年久失修，老化嚴(yán)重，根據(jù)調(diào)查老化率達(dá)到50%以上，主要表現(xiàn)在建筑物上、下游連接段的凍脹破壞；閘門老化漏水嚴(yán)重，不能有效調(diào)節(jié)水量。需要對渠道進(jìn)行工程布置。

1 渠道工程總布置

在初步設(shè)計(jì)階段，對可研階段確定的渠線同焉耆縣城建、國土、水利等單位的領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員重新進(jìn)行了選線、測量，北岸干渠同可研不變，南岸干渠可研階段為減少占地渠線選在沿著開都河河堤外側(cè)向下最后和團(tuán)結(jié)渠龍口接上，本次初設(shè)階段為和焉耆縣城市及道路規(guī)劃結(jié)合，渠線在黑疙瘩分水閘處(7+974)改線，渠線較可研階段長了1km，由于改線增加的占地費(fèi)用由縣政府出資。

1.1 渠道

南北干渠分別布設(shè)在開都河兩岸，沿河向下游延伸。由于樞紐距焉耆縣城較近，兩岸干渠很長一段要穿過縣城，其余渠段均穿過縣城附近的鄉(xiāng)場，同時(shí)還要穿過南疆鐵路、314國道、老314國道及待建的高速公路等重要交通建筑物，受這幾個(gè)條件的限制，兩條干渠渠線的選取范圍非常有限。根據(jù)上述布線原則，技術(shù)人員經(jīng)過多次踏勘，對兩岸干渠局部作了幾個(gè)方案比選，見表1、表2。

1.2 渠系建筑物

渠系建筑物除了合并原八個(gè)龍口外，由于兩岸干渠有很長一段都占用了原有支渠，干渠兩側(cè)再?zèng)]有位置去修支渠，故原支渠上的建筑物在能合并的前提下都需重新修建。

2 渠道設(shè)計(jì)

2.1 渠道縱坡設(shè)計(jì)

兩岸干渠沿線地形較為平坦，沒有大的起伏，所以干渠縱坡大都與地形或原渠道縱坡一致，在1/3000左右。在穿過鐵路橋、314國道、老314國道等橋涵處，設(shè)計(jì)渠底高程在能滿足過水要求及兩岸支渠引水高程要求下，一般與原橋涵底高程一致或稍稍抬高、降低。在高程不受限制的段落，渠道盡可能作成填方渠道，以減少混凝土板防滲渠道的凍脹破壞。

2.2 橫斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)渠道的縱坡情況、工程地質(zhì)條件以及渠道防滲技術(shù)規(guī)范對各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，同時(shí)考慮渠道大部分要穿過灌區(qū)及城區(qū)，穿灌區(qū)段要求渠道斷面盡量少占地，在穿城區(qū)段和城市規(guī)劃相結(jié)合，參考這幾個(gè)方面來進(jìn)行橫斷面的設(shè)計(jì)。

表1 北岸干渠方案比選表

表2 南岸干渠方案比選表

由方案比選可看出，投資方面北岸干渠方案二和方案一相差不大，但方案二、三要大量侵占農(nóng)民的房屋、耕地、果園，對土地經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的焉耆縣來說，損失是很大的，施工與灌溉的矛盾通過搶占工期、冬季施工等方法可以將矛盾降到最低，故北岸干渠方案一作為設(shè)計(jì)方案；南岸干渠方案二較方案一渠線長，投資多，但施工條件、城市發(fā)展空間上比較方案二更具有優(yōu)越性，初設(shè)階段推薦方案二作為設(shè)計(jì)方案。

2.2.1 渠道內(nèi)外邊坡設(shè)計(jì)

渠道沿線，多數(shù)渠段坐落在粉土層，根據(jù)《開都河第二分水樞紐兩岸干渠工程地質(zhì)勘察報(bào)告》及《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》，渠道內(nèi)邊坡系數(shù)確定為1∶1.75，外邊坡系數(shù)為1∶1.5。

2.2.2 渠道橫斷面

渠道橫斷面采用兩種方案進(jìn)行比選設(shè)計(jì)，方案一為弧形底梯形渠道，方案二為梯形渠道，按照Q=7.5m3/s來計(jì)算單位長度(1km)的工程量，兩方案的橫斷面見圖1，方案比選見表3。

圖1 兩方案渠道橫斷面表3 渠道橫斷面方案比選

項(xiàng)目方案一方案二單位投資/萬元·km-1134.16133.28優(yōu)點(diǎn)弧形底斷面可大大減輕土壤凍脹開裂及消融時(shí)的滑塌破壞,適應(yīng)凍脹變形的能力強(qiáng),能在一定程度上減輕凍脹變形的不均勻性適應(yīng)凍脹變形的能力一般缺點(diǎn)施工較難施工容易

注：上述方案比較，渠道的襯砌形式暫都按10cm混凝土防滲、8cm苯板防凍方案進(jìn)行比較。

上述兩方案都各有利弊。由工程地質(zhì)部分，開都河第二分水樞紐兩岸干渠現(xiàn)狀地下水位較高，渠線地層均為凍脹土，在這種渠道上弧形底梯形渠道比梯形渠道更能適應(yīng)凍脹變形，但由于塔河綜合治理項(xiàng)目另一同開都河第二分水樞紐及兩岸干渠同時(shí)開工的工程“開都河北岸水源地工程”位于焉耆縣城，它的實(shí)施將使焉耆縣的地下水位下降2-3m，故本工程在運(yùn)行期地下水位對渠道的影響將基本消除。

兩岸干渠有很長的渠線走在了灌區(qū)內(nèi)已有支渠上，施工期必須較短才能不至于對農(nóng)田灌溉造成太大的影響，在施工上梯形斷面較弧形底梯形渠較易,故兩岸干渠橫斷面最終采用梯形斷面。

可研階段設(shè)計(jì)中北岸干渠的9+360-12+860和南岸干渠的8+820-11+250要穿過城區(qū)，為減少渠道占地，這兩段渠道采用矩形斷面形式。本次初設(shè)對北岸干渠不做改變，南岸干渠改線后繞至城外，為減少投資南岸干渠全線均采用梯形斷面形式。

2.2.3 渠道水力計(jì)算

采用水力計(jì)算公式為：

Q=AC(Ri)1/2

C=(1/n)R1/6

(1)

式中：R為水力半徑，R=A/X；i為渠道縱比降；A為渠道過水面積，m2；n為渠道糙率系數(shù)，混凝土板襯砌，采用0.017；X為渠道濕周，m。

2.2.4 襯砌、防凍脹形式選擇

1)防滲襯砌方案選擇,工程設(shè)計(jì)對兩種防身襯砌方案進(jìn)行比選。

方案一：塑膜防滲。

本方案優(yōu)點(diǎn)：施工工藝簡單，質(zhì)量易得到保證；材料本身抗凍脹，不存在冬季凍脹破壞的問題；投資較省，約為混凝土板方案的85%；只要干渠停水，即可施工，施工期對溫度要求低，同時(shí)冬季對施工質(zhì)量也幾乎不產(chǎn)生影響。

缺點(diǎn)：由于本干渠縱坡較緩，雖然防滲膜的品種選擇為抗拉強(qiáng)度高，不易為根系穿透的一種，但渠道糙率大，流速小，膜上的70cm厚的填土上一樣會(huì)長草，加大渠道的水量損失，使本工程節(jié)水的效能大大降低；加大渠道的管理費(fèi)用；由于防滲膜敷設(shè)于地下，不易進(jìn)行損傷探測，工程的維護(hù)保養(yǎng)比較困難；渠道斷面大，占用土地面積大。由于南北干渠大部分穿行在灌區(qū)內(nèi)，此方案比混凝土板方案多占耕地13.89hm2，對灌區(qū)來說是巨大的損失。

方案二：混凝土板防滲方案。

優(yōu)點(diǎn)：混凝土板表面光潔，糙率小，渠道內(nèi)水的流速較大，充分發(fā)揮混凝土板的抗高流速作用；由于混凝土堅(jiān)硬，在雜草盛長區(qū)，雜草不會(huì)穿板而出，混凝土板不易被破壞，其防滲效果好，而且經(jīng)久耐用。如果安全使用，可運(yùn)行30—40a；使用混凝土板襯砌，渠道整體性好，外形美觀，同時(shí)可以減少或避免在渠道上亂開口子的現(xiàn)象。

缺點(diǎn)：由于干渠沿線的土質(zhì)大多為粉土或粉質(zhì)黏土，均屬凍脹土，而且左右兩岸均有耕地，地下水位高。如何避免凍脹，將是運(yùn)行管理中的重點(diǎn)。一旦出現(xiàn)凍脹破壞，混凝土板的使用壽命將大大縮減；施工期較為緊張。由于南北干渠在灌溉季節(jié)無法停水，施工期只能在停水之后的10月底至次年的3月底之前，而此時(shí)正是冬季，給混凝土的施工帶來一定的困難，也給混凝土的施工質(zhì)量產(chǎn)生影響；施工復(fù)雜，投資大。

相當(dāng)一部分學(xué)校的體育教師不敢讓學(xué)生踢足球，怕出現(xiàn)傷害事故，他們做的最多的、也是做的最好的就是讓孩子跑步、做操。筆者觀摩過一些校園足球特色學(xué)校，教師按照教材傳授運(yùn)球、傳球、顛球、射門，為了增加趣味性，一些教師融入了移動(dòng)對傳、運(yùn)球繞桿、多部位顛球、射門比賽等教學(xué)形式。甚至一些教師用大量的時(shí)間讓小學(xué)生做各種無球練習(xí)。唯一不常見的就是比賽。筆者曾經(jīng)問一些教師：為什么不讓學(xué)生在比賽中學(xué)習(xí)運(yùn)球、傳球和射門？為什么運(yùn)球繞桿而不繞人？答案不言而喻，減少對抗，避免受傷。但顯然，僅僅會(huì)運(yùn)球、會(huì)傳球、會(huì)射門，并不算會(huì)踢足球，即便是會(huì)顛球也不算。會(huì)踢球應(yīng)該表現(xiàn)為能夠在比賽中感受足球帶來的快樂。

通過以上的方案比選，柔性材料防滲方案雖然投資省，施工較為容易，但從渠道的功能、水量的損失和今后運(yùn)行管理上、工程的使用年限上、工程的美觀上均不如混凝土板防滲方案，同時(shí)從工程的效益上看，工程運(yùn)行管理費(fèi)用上比混凝土方案大，占地較混凝土方案多。故本次開都河第二分水樞紐兩岸干渠的防滲工程選用混凝土板襯砌的方案，混凝土板厚8cm，強(qiáng)度為C20，抗?jié)B標(biāo)號為W6，抗凍標(biāo)號為F150。

2)渠道抗凍設(shè)計(jì)：

凍脹土地基渠道抗凍脹主要有渠基換填法和苯板保溫法2種方法。

方案一：渠基換填法。

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，“粒徑小于0.05mm的土粒重量超過土樣重量6%的土為凍脹土”，根據(jù)《渠道地質(zhì)報(bào)告》，本工程渠道沿線均為凍脹土，需進(jìn)行非凍脹土置換渠床原狀土。

換填厚度按照《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》及《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算：

Hn=εHd-δ0

(1)

式中：Hn為置換深度，cm；ε為置換比，按照《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》及《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》，ε=70%；Hd為置換部位的工程設(shè)計(jì)凍深，Hd=Kp×Kd×Kz×H0；Kp為頻率模比系數(shù)，為1.206；Kd為考慮日照及遮蔭程度的修正系數(shù)，向陽面取1，遮蔭面取1.3；Kz為地下水影響系數(shù)，取0.85；H0為工程地點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)凍深，本工程為95cm；向陽坡H=97.4cm，遮蔭坡Hd=127cm；δ0為襯砌板厚度，cm。

計(jì)算得：向陽坡Hn=60.2cm，遮蔭坡Hn=80.9cm。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，向陽坡?lián)Q填厚度取60cm，渠底及陰坡?lián)Q填厚度取80cm。

方案二：保溫法。

保溫法就是消除基土產(chǎn)生凍脹的負(fù)溫因素。本工程采用混凝土板下鋪設(shè)高密度聚苯乙烯泡沫板來解決凍脹問題。根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》，保溫層厚度按工程設(shè)計(jì)凍深Hd的1/10-1/15取用，計(jì)算得7.4m，向陽坡厚度取6cm，渠底及陰坡厚度取8cm。

由于渠道沿線無可換填土產(chǎn)材料，根據(jù)計(jì)算，單位斷面苯板投資為428元，戈壁墊層投資為535元，投資上苯板要稍省一些，且施工上苯板的質(zhì)量易控制。在地下水較高部分由于苯板較輕，它的浮力易對其上的混凝土板造成頂托破壞。最后確定在地下水位高于渠底段采用戈壁墊層抗凍脹形式，地下水位低于渠底段采用苯板防凍脹形式。根據(jù)南北兩岸干渠地質(zhì)條件，北岸干渠0+000—5+000段地下水位均高于渠底，采用戈壁墊層抗凍脹形式，5+000—16+400段地下水位均低于渠底，采用苯板防凍脹形式；南岸干渠0+000—6+352段地下水位均高于渠底，采用戈壁墊層抗凍脹形式，6+352—12+848段地下水位均低于渠底，采用苯板防凍脹形式；根據(jù)《開都河第二分水樞紐兩岸干渠工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，南岸干渠0+000-1+000、9+000-11+000段及北岸干渠的0+000-1+000、3+000-5+000段地下水中SO42-的含量較高，對混凝土及混凝土結(jié)構(gòu)具有弱-強(qiáng)腐蝕性，渠道采用高性能混凝土。

3 結(jié) 論

開都河第二分水樞紐工程的興建，將合并南岸三處、北岸五處的無壩引水渠首。工程建成后結(jié)合上述地下水工程共同運(yùn)行，每年可置換地表水5 501 萬m3，輸向下游用于塔里木河流域生態(tài)用水。工程建設(shè)是可行的。

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1007-7596(2017)01-0105-04

2016-12-28

司猛(1983-)，男，江蘇豐縣人，工程師，從事水利設(shè)計(jì)工作。

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