新戶坪水庫放水干渠渠道橫斷面設計的關鍵問題

張小燕 王子堅

(新疆生產建設兵團勘測規劃設計研究院一分院 新疆 石河子 832000)

1 工程概況

新疆維吾爾自治區瑪納斯河（簡稱瑪河）流域位于天山北坡經濟開發區核心地帶，地處準噶爾盆地南緣，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。

瑪河灌區位于流域中下游的沖洪積扇傾斜平原和更為廣闊的沖洪積平原上，灌區總耕地面積357萬畝，灌溉面積316萬畝，是全國特大型灌區之一。瑪河灌區由石河子灌區、瑪納斯縣灌區、莫索灣灌區、西岸大渠灌區、新湖灌區五個Ⅰ級灌區組成。

新戶坪水庫放水干渠位于瑪河灌區的瑪納斯縣灌區，放水干渠起點自新戶坪水庫放水閘后瑪新公路橋開始，末端接新湖總場干渠渠首——零號配水點，全長5.365km。建于1964年，系未防滲土渠，設計流量25m3/s，加大流量30m3/s，主要供瑪納斯縣北五岔鎮及新湖總場的一、二、三、四分場及七分場一連的農業灌溉用水，控制總灌溉面積56.77萬畝。

放水干渠經過近40年的運行，或沖或淤，渠道變形較大，干渠損壞日趨嚴重。在淤積段落，水面大幅度加寬，水流速度緩慢，滲漏損失嚴重，輸水損失大，渠道水利用系數低，且抬高了渠道兩岸的地下水位。同時，該渠段受上游水庫的影響很大，造成沿線地下水位較高，渠床內蘆葦茂密叢生。由于水費長期偏低，工程管理單位每年只能拿出少量的資金對放水干渠破壞的地方進行簡單的修補，加之近年來灌溉面積加大，灌溉用水集中，渠道超負荷運行，使得部分渠段沖刷嚴重，且因現渠床土體為細顆粒土，長期受渠水的沖蝕及跌水處的沖刷、淘空作用，渠床和水工建筑物已經產生嚴重的破壞，部分地段已經危及瑪新公路，勢必影響農業灌溉和交通安全，所以有必要對渠線采取防沖處理。

工程區極端最高氣溫39℃，極端最低氣溫-33.8℃。

2 新戶坪水庫放水干渠工程地質條件

放水干渠渠線處于呼克公路的南北兩側，地形較為平坦，地勢南高北低，坡降約為1.78‰。現狀渠道基本為挖方段，渠線兩側多為耕地。渠線土為低液限粘土，埋深0～2.0m，揭露最大厚度5.0m，土黃、棕紅色，稍濕～飽和，硬塑～軟塑狀態，該層土體天然密度（ρ）為1.87g/cm3～2.01g/cm3，含水量（ω）為22.4%～28.8%，平均孔隙比（e）為0.65，比重（Gs）為2.71～2.73，液限（wL）為26.6%～55.5%，塑限（wp）為16.2%～25.1%，壓縮模量(Es)為3.02MPa～13.53MPa，壓縮系數為0.12MPa-1～0.6MPa-1，屬中等～高壓縮性；滲透系數（k）為1.86×10-6cm/s，微透水；粘聚力（C）為14 kPa～26kPa，摩擦角（φ）為8.7°～28.1°。輕型動力觸探擊數（N10）15擊～50擊（平均值為21擊），承載力標準值（fk）為145kPa。

渠線地下水位在勘察期間埋深0.8m～2.7m（自渠頂算起），地下水水位年變幅為1m左右，在放水季節為渠水補給地下水，在停水期間為渠道排泄地下水。渠線地下水位線以上硬塑狀態下的低液限粘土層的滲透系數(K)為8.3×10-5cm/s～1.53×10-6cm/s，具有弱透水性；地下水位線以下軟塑狀態下的低液限粘土層的滲透系數(K)為9.55×10-7cm/s～3.77×10-6cm/s，具微透水性。

3 新戶坪水庫放水干渠工程等別和設計標準

新戶坪水庫放水干渠設計流量25m3/s，加大流量30m3/s，根據《渠道防滲工程技術規范》（SL18-2004），渠道規模為大型，建筑物級別為3級，渠道及渠系建筑物按3級設計。

4 新戶坪水庫放水干渠橫斷面設計

4.1 橫斷面比選

根據地質描述，該段渠道地下水位較高，基本高出渠底，而渠道附近沒有修建排水渠的條件，因此渠底不宜防滲，只作防沖設計，渠底采用干砌卵石防沖，渠道邊坡根據規范采用1∶1.75，干砌卵石糙率根據規范取0.03。

設計采用抗凍脹效果較好的弧形坡腳梯形斷面進行設計，選取寬淺式弧形坡腳形斷面和窄深式弧形坡腳形斷面進行比選。

方案一：寬淺式弧形坡腳形斷面

底寬取3 m，和現狀渠道底寬相符，渠道內坡為1∶1.75，外坡為1∶1.5，弧形半徑為5.0m，圓心角為59.49°，矢高為66.0cm。

方案二：窄深式弧形坡腳形斷面

底寬取1.5 m，渠道內坡為1∶1.75，外坡為1∶1.5，弧形半徑為5.0 m，圓心角為59.49°，矢高為66.0cm。

方案比選：方案一投資為521.49萬元，方案二投資為576.74萬元，另外，寬淺式斷面與現狀比較接近，工程區位于寒冷地區，渠基土具有凍脹性，并且渠道地下水埋深較淺，采用寬淺式斷面可減少渠道凍脹量。因此，考慮土方最小、投資較省的原則推薦寬淺式弧形坡腳形斷面。

4.2 渠道襯砌形式設計

根據比選得出的推薦斷面，進一步進行渠道襯砌形式比選，由于該渠段地下水埋深較淺，為地下水補給渠水，采用現澆混凝土（打排水孔）、干砌石鋪砌方案進行比選。

方案一：現澆混凝土（打排水孔）鋪砌

渠底采用12cm厚現澆C20、F200混凝土，排水孔采用φ50mm PVC管，縱橫向間距1 m布置，此方案直接費為97.92萬元。

方案二：干砌石鋪砌

渠底采用25cm厚干砌石鋪砌，此方案直接費為56.93萬元。

經比較，方案二較方案一投資省，且維修方便、美觀、耐久性好。因此，本工程采用渠底25cm厚干砌石鋪砌。

針對邊坡混凝土板采用現澆混凝土板、預制混凝土板、現澆混凝土板與預制混凝土板結合的三種方案進行比選。

方案一：現澆混凝土板襯砌

邊坡護面為10cm厚，現澆C20、F200混凝土，渠深2.8 m，此方案直接費為114.89萬元。

方案二：預制混凝土板襯砌

邊坡護面為6cm厚，預制C20、F200混凝土，渠深2.8 m，此方案直接費為89.23萬元。

方案三：現澆混凝土板與預制混凝土板結合襯砌

渠道邊坡超高以下護面為10cm厚現澆C20、F200混凝土，超高部分邊坡采用6cm厚C20、F200預制砼板鋪砌,此方案直接費為81.36萬元。

綜合比較，方案三較方案一、方案二投資少，且合理利用工期，整體性、耐久性好。因此，本工程渠道邊坡超高以下護面為10cm厚現澆C20、F200混凝土，超高部分邊坡采用6cm厚C20、F200預制砼板鋪砌。

4.3 抗凍脹設計

根據地質勘察，工作區均為季節性凍土，根據渠線土層顆分資料，小于0.075mm粒徑含量占21.9%～81.3%，大于10%，其渠基、渠底土層均為凍脹性土，需采取防凍措施。抗凍脹措施可以采用當地豐富的非凍脹性的砂礫石材料換填和笨板保溫層來解決渠道的凍脹問題。但是由于新戶坪水庫放水干渠地下水位埋深較淺，水的浮力大，不宜采用聚苯乙烯泡沫塑料板作為隔熱材料，因此，設計采用換填砂礫石墊層方案。

參考已建工程運行經驗，如莫合渠，設計流量26m3/s，砂礫石墊層設計為30cm，運行15年～16年，狀況良好，無鼓起、斷裂現象發生，另有四浮渠、涼州戶支渠同樣。因此，新戶坪水庫放水干渠渠底、邊坡均采用35cm砂礫石墊層填筑，可以起到很好的抗凍脹效果。

4.4 橫斷面設計成果

渠道斷面形式根據地質勘測成果、工程的管理經驗和運行實際情況，結構形式選用水的流態好，而且抗凍脹性好的弧形坡角梯形斷面，襯砌材料根據工程的地質資料和技術要求，且砂石料及卵石運距近，采用混凝土和卵石襯砌。因渠道沿線地下水位很高，凍脹嚴重，因此渠底不考慮防滲，只考慮防沖。渠道設計流量25m3/s，加大流量30m3/s，采用弧形坡角梯形斷面，弧形半徑為5.0 m，圓心角為59.49°，矢高為66.0cm，邊坡系數m=1.75，渠深2.8 m。渠底及弧形坡角采用砼網格+干砌卵石填充，干砌石厚25cm，混凝土網格斷面尺寸為30cm×25cm，渠道縱向布置4道網格梁，橫向網格間距為15 m，網格梁厚度與干砌石厚度相同。渠底換填35cm厚的砂礫石墊層。由于渠道流速大，地下水位高，為防止將渠底細顆粒被帶走，在渠底干砌石下，砂礫石墊層之間設無紡布，規格為400 g/m2。渠道邊坡超高以下護面為10cm厚，現澆C20、F200混凝土，超高部分邊坡采用6cm厚C20、F200預制砼板鋪砌，板下鋪設35cm砂礫石墊層。渠道邊坡及弧底框格間、弧腳橫向框格與平底邊坡現澆板間、現澆板與預制板間、混凝土框格間設置縱縫，縫寬2cm，高壓閉孔塑料板填縫，瀝青砂漿封口。框格橫向3 m分一道縫，縫寬2cm，高壓閉孔塑料板填縫，瀝青砂漿封口；渠道現澆混凝土邊坡板板每3 m設一道伸縮縫，預制混凝土邊坡板每6 m設一道伸縮縫，縫寬2cm，瀝青砂漿封口，高壓閉孔塑料板填縫。

5 結語

新戶坪水庫放水干渠全年供水，地下水位高、防沖防淤、且冬季抗凍脹因素是設計考慮的重點。在經過近兩年的運行后，新戶坪水庫放水干渠運行狀況良好，特別是冬季運行正常。因此，渠道斷面形式設計因考慮根據地質、工程管理和運行實際情況，因地制宜。