毛廣彬
(新疆瑞祥農(nóng)牧工程咨詢設(shè)計院有限公司,新疆 烏魯木齊 830000)
瑪奎牙干渠灌區(qū)地處歐亞大陸腹地,農(nóng)業(yè)對灌溉系統(tǒng)的依賴較強(qiáng),對灌區(qū)輸配水渠道的過水能力要求較高,現(xiàn)有渠系建筑物多為上個世紀(jì)中葉至上世紀(jì)末所建,大部分建筑物被沖刷、風(fēng)化及老化破壞嚴(yán)重,基本失去或部分失去工程職能,大部分分水閘閘門失調(diào)、啟閉設(shè)備老化。由于灌區(qū)內(nèi)渠道年久失修、且長時間超負(fù)荷運(yùn)行,致使渠道沖刷破壞更加嚴(yán)重,這樣的惡性循環(huán)使得灌區(qū)內(nèi)渠道輸配水能力不斷下降,農(nóng)作物灌溉保證率下降。本文圍繞新疆墨玉縣瑪奎牙干渠防滲改建工程展開設(shè)計分析。
瑪奎牙干渠從躍進(jìn)總干渠末端的墨玉縣總閘口引水閘引水,始建于60年代,總長42.0 km,本次防滲改造樁號15+000~31+550,其改造段長度為16.55 km,現(xiàn)狀灌溉面積14.88萬畝。15+000~31+550段干砌卵石渠道(過水流量為11.79 m3/s~3.35 m3/s,設(shè)計流量9.43 m3/s~2.85 m3/s)。干渠現(xiàn)狀共有渠系建筑物80座,其中節(jié)制分水閘10座、分水閘42座、木橋及砼橋共28座。通過現(xiàn)場調(diào)查,需要重建節(jié)制分水閘9座、保留改造節(jié)制分水閘1座、重建分水閘42座、重建農(nóng)橋17座、保留農(nóng)橋11座。
(1)春旱缺水
灌區(qū)農(nóng)業(yè)為完全灌溉型,河道來水量在年內(nèi)變化較大,洪枯懸殊,年內(nèi)分配極不均勻,雖有南坪水庫可以調(diào)節(jié),但調(diào)節(jié)庫容過小,無法解決季節(jié)性缺水問題,致使灌區(qū)春季缺水矛盾突出。
(2)工程老化、配套差
灌區(qū)內(nèi)大部分渠道為土渠,骨干工程修建年代過長,由于當(dāng)時受技術(shù)、資金等條件的限制,建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)普遍低,加之經(jīng)過多年運(yùn)行,許多工程年久失修,建筑物配套跟不上。大部分已襯砌渠道由于運(yùn)行時間長,很多渠段沖毀或因老化破壞而漏水,渠道、建筑物工程老化,使其性能及效益衰減加之管理不到位,造成水利用系數(shù)低、灌溉效益差。
(3)渠道老化失修,輸水能力降低
由于原襯砌形式為干砌卵石防沖,下設(shè)較薄的塑模防滲,經(jīng)過多年運(yùn)行,塑模已超使用年限,老化破壞,沒有防滲效果,導(dǎo)致滲漏損失大,渠道水利用系數(shù)低,有效利用率低,水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。渠道不能達(dá)到設(shè)計過水能力,直接影響了灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉增產(chǎn)、增效。
在滿足灌區(qū)灌溉要求的前提下,結(jié)合上下游渠道已建節(jié)制及分水閘閘底板高程、渠道沿線地形及地質(zhì)揭露的地層巖性、地下水埋深、建筑材料分布現(xiàn)狀及水力條件和渠系建筑物布置等因素,盡量減少渠道改建工程量,且投資經(jīng)濟(jì)合理,在確保渠道防凍脹及安全運(yùn)行的前提下,以滿足渠道防滲改建施工、防沖防淤、防凍脹各項(xiàng)要求。同時,盡量避免地下水位的影響,控制渠道設(shè)計流速等,在此基礎(chǔ)上合理確定各渠道的縱斷面的縱坡設(shè)計[1]。
本次干渠防滲改造工程的主要目的是解決現(xiàn)狀渠道中存在的滲漏問題,同時綜合考慮襯砌、抗凍脹等要求。渠道是在老渠道基礎(chǔ)上進(jìn)行改建,應(yīng)結(jié)合老渠實(shí)際的橫斷面選擇合理的橫斷面,并在保證渠道安全輸水的前提下做到工程量較小。綜合考慮渠道的水力條件和施工條件等因素,渠道橫斷面型式采用梯形斷面。
2.2.1 渠道橫斷面形式比選
瑪奎牙干渠現(xiàn)狀為干砌卵石防滲渠道,橫斷面為梯形渠道,渠底寬4 m~8 m,渠深2 m~2.2 m左右,邊坡1∶1.5。灌區(qū)經(jīng)多年運(yùn)行,底寬與設(shè)計施工時的情況有了一定的變化,僅僅按照公式去計算,設(shè)計出的渠道有時并不是最為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的,恰當(dāng)?shù)倪x取渠道設(shè)計斷面,會使渠道從結(jié)構(gòu)上顯得更加合理、經(jīng)濟(jì)上有所節(jié)約、施工中有所方便。
本次對奎瑪牙干渠設(shè)計選取2種斷面形式進(jìn)行比較:①原梯形渠道橫斷面;②原梯形渠道底寬縮窄橫斷面。
(1)原梯形渠道橫斷面
該斷面不改變原梯形渠道橫斷面,只是在原干砌石渠道上現(xiàn)澆10 cm厚的混凝土板,因渠道已經(jīng)運(yùn)行多年,邊坡砌石缺失較多且局部有樹木存在,底寬與設(shè)計施工時的情況出現(xiàn)一定變化,局部渠段渠道底寬較大,瑪奎牙干渠渠道底寬為4 m~8 m。對渠道邊坡原有砌石挖除并修坡后現(xiàn)澆混凝土板,對存在凍脹性渠段換填厚度30 cm的砂礫石后進(jìn)行襯砌;渠底保留干砌石,并在其上部現(xiàn)澆混凝土板,因渠底不規(guī)則需要局部增加混凝土找平。
該方案工程量較小,可以很好地利用原設(shè)計斷面,但設(shè)計斷面底寬較大,由于瑪奎牙均已改建完成,且完建段渠道橫斷面均采用原渠道斷面方案,因此本方案可與下段完建渠道順利對接;同時該方案可在渠道停水期快速施工,施工周期較短,能較好減少對灌溉的影響,此方案瑪奎牙干渠每公里渠道建筑工程投資221.58萬元,投資均較少。
(2)原梯形渠道底寬縮窄橫斷面
該斷面將原梯形渠道橫斷面底寬縮小,因渠道已經(jīng)運(yùn)行多年,底寬與設(shè)計施工時的情況有了一定的變化,局部渠段渠道底寬較大,考慮渠道實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面水力學(xué)要素,其中瑪奎牙干渠將底寬縮小至5 m,在底寬大于5 m的渠段,在渠道兩側(cè)邊坡內(nèi)回填土方,填筑至需要的底寬時,再進(jìn)行混凝土板的襯砌,渠底局部也需砂礫石填筑及混凝土找平。
該方案使渠道從結(jié)構(gòu)上顯得更加合理,但土方填筑工程量較大,兩側(cè)土方填筑施工難度較大,局部渠段需要人工碾壓,施工周期相對較長,對灌溉的影響較大,且該方案渠道斷面與下段已完建渠道斷面相差較大,對灌區(qū)內(nèi)部調(diào)配水影響較大。此方案奎牙干渠每公里渠道建筑工程投資286.74萬元,投資均較高。
通過比選,本階段推薦采用方案一。
2.2.2 渠道橫斷面襯砌防滲方案確定
干渠中選用三種方案進(jìn)行比較,結(jié)果見表1。
表1 渠道橫斷面襯砌防滲方案比較表
根據(jù)以上特點(diǎn),考慮到工程投資以及施工技術(shù)難度等因素,推薦現(xiàn)澆砼板防滲方案。
根據(jù)地質(zhì)資料,引水渠渠基為低液限粉土層,粒徑小于0.075 mm的土粒含量大于《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL 23-2006)3.3.1規(guī)定的10%,屬于凍脹性土。由于渠道需要冬季運(yùn)行,本渠道有渠床凍脹條件,需要進(jìn)行抗凍脹設(shè)計。常用凍脹土基的處理方法有置換法和設(shè)保溫層法[2],本工程對這兩種方法進(jìn)行比較。
(1)渠床置換法
采用砂礫石置換渠基土。置換厚度Ze按下式計算:
式中:ε為置換比,%,地下水深度Zw>Zd+100,含細(xì)粒土砂,因此渠道的渠底、坡面上部采用40%~50%,ε值取為45%;δ0為襯砌板厚度,為10 cm。
經(jīng)計算,渠道陰陽面(渠道的渠底、坡面上部)置換層厚度分別為29.5 cm、22.40 cm、27.35 cm。渠道置換層厚度按置換層厚度按最大值來確定,因此,干渠置換層厚度取為Zn=30 cm。
(2)設(shè)保溫層法
渠基設(shè)聚苯乙烯泡沫塑料板保溫層。聚苯乙烯泡沫塑料板的厚度按(SL 23-2006)中公式(A.0.2)計算:
式中:δx為聚苯乙烯泡沫塑料板厚度,m;R0為工程保溫基礎(chǔ)設(shè)計熱阻值,m2·℃/W,R0=0.06I00.5ψd,I0為工程地點(diǎn)的凍結(jié)指數(shù),℃·d,根據(jù)氣象資料,本工程區(qū)I0=117℃·d;αw為聚苯乙烯泡沫塑料板的導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù),查表A.0.2選取。δc為基礎(chǔ)砼板厚度,m;λx為聚苯乙烯泡沫塑料板在自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù);λc為基礎(chǔ)砼板的導(dǎo)熱系數(shù)。
計算得:δx=0.043 m,取為 5 cm。
(3)方案比較
本工程從材料性能、施工、投資等方面進(jìn)行比較:通過方案比較,置換法施工成本低,投資較小,因此確定本工程全渠段防凍脹采用置換法,即在渠底、渠坡墊30 cm厚砂礫石防凍層。要求砂礫石級配良好,有足夠的砂粒充填礫石空隙,以保證基土顆粒不會穿透到砂礫石層中,以防止置換層被淤塞。要求砂礫石中最大粒徑不大于50 mm,小于0.05 mm顆粒含量不超過6%,含砂量20%~40%,有機(jī)質(zhì)含量小于5%,水溶鹽含量小于3%(按重量比計)。
瑪奎牙干渠防滲改建工程通過減少渠道滲漏,提高水資源利用率,節(jié)約水資源,可彌補(bǔ)枯水期因水量不足對農(nóng)作物的影響,為提高作物產(chǎn)量,增加農(nóng)民收入創(chuàng)造有利條件。項(xiàng)目實(shí)施后,避免了由于渠道滲漏而引起的地下水位上升,減輕了土壤的次生鹽堿化,有利于土壤生態(tài)環(huán)境的改善,有利于保持和提高土壤肥力,提高土地生產(chǎn)力,促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向良性發(fā)展。
節(jié)約的水量可用于發(fā)展果林業(yè),以達(dá)到涵養(yǎng)水源,維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡的目的,對改善改善灌區(qū)內(nèi)區(qū)域小氣候、降低灌區(qū)內(nèi)風(fēng)速、減小風(fēng)災(zāi)損失、減輕霜凍及干熱風(fēng)危害有重要的意義。