王宏斌

(新疆石河子市瑪納斯河流域管理處，新疆 石河子 832000)

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莫索灣南干渠多泥沙侵害的分析與對策

王宏斌

(新疆石河子市瑪納斯河流域管理處，新疆 石河子 832000)

根據(jù)莫索灣南干渠泥沙磨損嚴重情況，對莫索灣南干渠通過不同渠段和多種耐磨材料進行過水試驗比較，提出該種流態(tài)特點渠道設計方案和對策。文章第一部分對索灣南干渠及進行介紹，第二部分介紹了莫索灣南干渠受到水流夾砂破壞主要情況。第三部分分析了不同渠底設計的實際運用效果，最后一部分對多泥砂河流在渠道設計進行思考和建議。

多泥沙渠道；泥沙侵害；破壞類型；渠底設計

新疆瑪納斯河中泥沙含沙量很大。特別夏汛期間渠道內(nèi)泥沙混合物對水利設施的沖蝕非常嚴重，泥沙問題是莫索灣南干渠長期存在的問題之一。每到夏季汛期高速流動的水流夾帶著帶著大量的泥沙經(jīng)過攔洪壩，水流以較高的流速流經(jīng)建筑物時，表面遭受高速水流和含沙水流沖磨和氣蝕破壞，對干渠內(nèi)閘門邊槽、干渠底板、泄洪排沙底孔、干渠溢流面等造成嚴重磨損，此種問題造成水工建筑物的安全沒有保障，并且?guī)磔^多的維護費用問題。多年來泥沙對干渠磨損相關問題一直未能解決，致使國家每年都要投入大量的人力和財力對干渠關鍵部位進行修護。因此，分析和研究莫索灣南干渠泥沙磨損問題對減少經(jīng)濟損失和保護干渠設施有著深遠的實際意義。

1 索灣南干渠概述

莫索灣總干渠興建于20世紀50年代初，是當?shù)毓喔葏^(qū)的主要水利工程。莫索灣南干渠線布置方式為南北垂向布置，渠道總長約61.4km，渠道設計流量為45m3/s，設計縱坡比為1∶38-1∶108之間，干渠為等腰梯形斷面，渠道全程均為土渠道。1991年11月到1993年9月20日對達子路閘點以下進行防滲處理，改建混凝土渠道20.6km，設計流量22m3/s,渠道現(xiàn)狀底寬2.1-5.5m，邊坡1∶1.27，渠道凈深2-3m。莫索灣南干渠工程級別為三級，屬于挖方型大規(guī)模工程，引水量年均2.21 億m3。總干渠設計縱坡較大，水流流速為每秒3.2-3.8m。

由于近幾年瑪納斯河夾河子水庫渠首攔砂庫沒有及時清理造成沉積淤泥過多，造成沉砂池也未能發(fā)揮其攔砂功能，在根源上就不能防止水源將泥沙帶入干渠，且處于高速流態(tài)下對干渠底板與邊部的沖蝕破壞。隨著流速與流態(tài)的不斷變化，對渠道造成沖擊和撞擊兩種破壞方式，且破壞力較大、持續(xù)時間較長、破壞速度快等特點。泥沙在水流動狀態(tài)下沿著干渠底板滾動、移動、跳躍和層移方式運動，破壞強度最大的是跳躍式?jīng)_擊破壞。這種破壞導致莫索灣南干渠經(jīng)常因渠道底板被磨穿而進行停水搶修，影響下游農(nóng)業(yè)的生長和收成，僅維修費用就高達38萬多元之多。

2 莫索灣南干渠受到水流夾砂破壞情況

2.1 垮渠的部位

莫索灣南干渠渠道底板設計為U形，渠道斷面設計為等腰梯形斷面，在水流運動過程中夾雜著砂石對干渠不斷的滾動摩擦、跳躍式?jīng)_刷和層移方式的沖蝕，最終造成干渠底坡腳被磨穿，進而渠道邊坡角砌石的掏刷造成干渠局部垮塌。

2.2 干渠破壞類型

2.2.1 懸移質(zhì)破壞

隨著水流在運動過程中的懸浮泥砂顆粒就是懸移質(zhì)。對干渠內(nèi)壁的沖蝕程度與水流流速、流態(tài)、流速、含沙量、顆粒大小和硬度系數(shù)等有關，但沖蝕破壞程度較推移質(zhì)為小。根據(jù)相關調(diào)查數(shù)據(jù)說明，渠道內(nèi)流速<10m/s時，碳素鋼與C20混凝土表面五明顯沖蝕跡象；但是渠道內(nèi)流速≥16-18m/s時，在恒流狀態(tài)下，碳素鋼遭到破壞的同時，因水流沖蝕造成C20混凝土表面粗骨料裸露，使渠道表面形成沖蝕坑；當渠道內(nèi)流速大于或等于26m/s時，恒流流速下2620h就能磨穿20mm的鋼板。當渠道內(nèi)含沙量在1.5-2.5倍時，C20混凝土磨損量隨之增加6-10倍。

2.2.2 推移質(zhì)破壞

水介質(zhì)在干渠流動狀態(tài)下沿著干渠底板滾動、移動、跳躍和層移方式運動的泥沙就叫做推移質(zhì)。推移質(zhì)隨著水流流速的增快而增加移動速度，其流態(tài)呈現(xiàn)出滾動、移動和跳躍式前進。它對混凝土的破壞形式主要是沖擊和撞擊兩種，且具有破壞強度明顯和破壞時間較長等特點。跳躍式?jīng)_擊對干渠的破壞程度最強，沖擊強度隨著沖擊介質(zhì)的質(zhì)量和流速的增強而增強。滑動摩擦對干渠的破壞也非常明顯，在泥沙顆粒與流速滿足條件時干渠內(nèi)壁面留下的溝槽與擦痕就是最好的證明。而滾動摩擦破壞力不僅涵蓋了摩擦破壞力，而且破壞力更強[1]。

3 不同渠底設計的實際運用效果

在該干渠上分3段在不同縱坡上施工護腳坡，經(jīng)過一年的運行觀察效果較好。2006年新疆兵團勘測設計院實地勘察后，對該渠道進行了改造設計。本次改造在莫索灣南干渠各渠段上采用4種耐磨型材料進行試驗。

3.1 施工硅粉混凝土試驗

施工硅粉混凝土試驗(1+300—13+500除橡膠輪胎和環(huán)氧樹脂金鋼砂外)中，如圖1所示耐磨層施工標準橫斷面。

圖1 耐磨層施工斷面圖

利用硅粉混凝土材料對莫索灣南干渠(1+300—13+500)段進行耐磨加固，采用強制式攪拌機進行對耐磨加固的材料攪拌，拌和時間5min30s左右，比普通混凝土延長90s。耐磨加固材料因材質(zhì)原因從攪拌機出料后應盡量減少運輸時間，振搗時間控制在普通混凝土振搗實踐的一杯，要將耐磨加固材料內(nèi)部的氣泡完全排出。在振搗工作進行過程中，因地形或設備因素遇到無法振搗的部位，應安排施工人員以人工振搗的方式進行振搗工作，使其振搗密實。在澆注工作完成后，應立即用塑料薄膜將混凝土覆蓋，以防止其塑性開裂，保證初期對水渠的澆筑養(yǎng)護。

該試驗渠段通水試驗一年時間中,大部分水渠底板中點65cm處的耐磨加固材料已被泥沙混合物沖掉,但水渠內(nèi)的護腳坡處的耐磨加固材料表面漿皮被沖抹掉,雖然耐磨加固材料硅粉混凝土骨料露出，但其表面較為平整,這就說明在渠道縱坡上施工護腳坡能有效防止推移質(zhì)對水渠道邊的破壞。由于耐磨加固材料質(zhì)量和抗磨強度之間有著直接關系，所以本次干渠渠段的試驗結果，不能有效反映出耐磨加固材料硅粉混凝土的抗磨強度。具體見表1及圖2。

3.2 施工環(huán)氧樹脂金鋼砂試驗

表1 金剛砂耐磨層 MPa

圖2 施工橫斷面

施工環(huán)氧樹脂金鋼砂試驗(11+100-11+400)段中，由于施工工期緊張導致修補C25混凝土抗磨材料還沒有完全凝固的情況下就進行了環(huán)氧樹脂金剛砂耐磨層的施工，最終造成渠道局部內(nèi)壁鼓起和環(huán)氧樹脂金剛砂成片掉離的現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)此種情況后相關施工人員立即停止施工并糾正施工方法，首先采用高熱量的噴燈對未凝固的硅粉混凝土進行烘干，然后再一次進行環(huán)氧樹脂金剛砂耐磨層修補和施工，對環(huán)氧樹脂金剛砂的配合比也進行了適當調(diào)整，以加速凝固。

在該渠段經(jīng)過半年的通水試驗后發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂金剛砂與混凝土的黏接力達不到施工設計要求，主要原因是施工方法不當而造成渠道底部弧段環(huán)氧樹脂金剛砂已被全部沖掉。

3.3 橡膠瓦試驗段

通過兩年的通水試驗，只有混凝土渠底和橡膠輪胎渠底的效果較好。由于橡膠輪胎的鋪設減小了水流介質(zhì)對渠道底板的沖蝕破壞，C25混凝土抗磨材料基本上沒有被推移質(zhì)沖擊的痕跡。但是由于橡膠輪胎規(guī)格大小不一致和橡膠輪胎自身的變形，不能充分對錨栓上的鋼板進行保護，局部區(qū)域還是有有泥砂沖蝕過的痕跡。因總干渠渠底為弧形渠底，推移質(zhì)泥砂磨損基本在渠道中部，因此，在安設橡膠輪胎過程中在渠道中部應盡量選擇安裝質(zhì)量較好的輪胎，其余的水流方向可選擇摩擦阻力較小的渠道兩幫安設[3]。

3.4 施工C25抗壓強度混凝土三級配試驗

2007年在莫索灣南干渠13+500—17+050段施工中選用C25抗壓強度的混凝土進行三級配試驗。泄水流速、流態(tài)和水流方向等因素決定了泥砂對C25抗壓強度的混凝土沖蝕破壞程度。經(jīng)過長時間對該段水渠觀察發(fā)現(xiàn)，泥砂流質(zhì)對C25抗壓強度的混凝土表面的沖蝕程度和泥砂對水渠內(nèi)壁磨擦切削力的破壞作用，使C25抗壓強度的混凝土表層逐漸被泥沙混合物所沖蝕。在流速作用下泥砂對水渠內(nèi)壁的沖擊力大于水渠內(nèi)壁的材料強度時，水渠內(nèi)壁的材料表層的分子與母子就會被沖擊力所剝離，隨繼被水流沖走，致使水渠內(nèi)壁耐磨材料表層逐漸在水流流速與泥砂混合物的沖擊力下被沖蝕。若C25抗壓強度的混凝土的粗骨料與細骨料同時選用一種石材，就能將C25抗壓強度的混凝土看做是水泥砂石與骨料組成的復合材料。在水流介質(zhì)穩(wěn)定的情況下水泥石砂的抗沖擊的強度比混凝土骨料要差，泥砂混合物將在沖擊作用下將混凝土表面的水泥分子與母體剝離，使其暴露出水泥石的新表面，這樣水泥石表面逐漸被沖擊成凹坑，而由于混凝土骨料強度系數(shù)較高其表面隨著水泥石表面的凹陷而逐漸凸起。泥沙混合物在水流流速作用下對兩者的沖蝕破壞程度也不同，混凝土骨料承受沖蝕作用力大于水泥石，其渠道內(nèi)壁也呈現(xiàn)出凹凸不平的現(xiàn)象，而隨著渠道內(nèi)壁水泥石的不斷被沖刷，混凝土骨料與水泥石承受沖蝕的作用力對水渠表面凹凸程度不斷增大，而混凝土骨料與水泥石沖蝕的速度相對減小，直至相同。水渠內(nèi)壁表面凹凸不平的程度也逐漸穩(wěn)定，隨之混凝土的磨損速度也逐漸穩(wěn)定，混凝土磨損程度隨時間成正比而增加。經(jīng)過一年的觀察，水渠U型底板磨損較淺，沒有嚴重的坑槽現(xiàn)象，防護效果較好。

4 多泥砂河流在渠道設計思考和建議

1)渠道斷面設計方面，首先渠底設計為弧型護坡腳不易垮渠，而且易搶修。其次，渠底設計為平渠底時，窄斷面比寬斷面效果好，窄斷面推移質(zhì)主要磨損渠道中心，而且推移質(zhì)互相撞擊減少能量，減緩破壞；寬斷面推移質(zhì)左右移動，易造成邊坡坡腳砸壞，垮渠現(xiàn)象不可避免。最后渠底設計為弧型護坡腳，面層采用橡膠鋪設，效果最好。

2)多泥砂河流渠道應該盡量在上游考慮排砂設施，有條件的情況下設計如曲線沉砂池、漏斗、蝸管等排砂設施。渠道首部設計擋砂坎和排砂渠道等。

3)渠道上有跌水時，跌水上及其下游的消力池應考慮面層鋪設鋼板和橡膠輪胎避免嚴重破壞，造成跨渠。

4)渠底材料的選擇：①底層為拋石混凝土，面層為橡膠輪胎，效果最佳。②采用三級配高標號混凝土；效果較好。③采用一級配混凝土漿砌卵石。

隨著我國科學技術發(fā)展，新型材料和新型防止泥砂的方法的不斷產(chǎn)生，相信一定會有更經(jīng)濟有效的設計和措施來解決泥砂對水工建筑物的破壞問題，以便更好地讓水利為人類服務。

[1]鐘姍姍.流域水電梯級開發(fā)項目累積環(huán)境影響作用機制及評價研究[D].長沙：中南大學,2013.

[2]姜鵬.黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復模式研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學,2015.

[3]楊俊杰.荒漠化災害經(jīng)濟損失及防沙治沙工程效益評估[D].北京：北京林業(yè)大學,2006.

1007-7596(2017)02-0102-03

2017-02-16

王宏斌(1968-)，男，甘肅武威人，工程師。

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