芳草湖西干渠支渠防滲改建工程渠道設計

簡著祝

(五家渠農六師勘測設計研究有限責任公司，新疆 五家渠 831300)

1 灌區概況

芳草湖灌區位于新疆自治區昌吉州呼圖壁河下游，灌區包括芳草湖農場、106團和111團，隸屬新疆生產建設兵團第六師。該灌區總面積179.52萬畝，現有耕地72.63萬畝，有效灌溉面積52.37萬畝。芳草湖灌區骨干水利工程建成于20世紀60年代，由于受制于當時施工技術和資金條件，致使工程設計標準偏低，渠道工程老化、損壞日趨嚴重，大大影響灌區生產能力。

農業是芳草湖灌區的經濟命脈，水是農業發展的主要影響因素，因此充分利用水資源、提高水利用率是芳草湖灌區農業發展的關鍵。相關部門在2016年9月針對灌區實際情況進行考察匯總，設計對灌區干渠支渠進行防滲改建，具體規模見表1。本項目設計改建骨干工程為2條支渠，可有效控制7.64萬畝的耕地灌溉，占農場總灌溉面積的17%。

表1 芳草湖西干渠支渠防滲改建工程內容及規模

2 灌區骨干工程存在的主要問題

(1)原規劃投資估算偏小

相關部門在2000年對芳草湖灌區規劃中，185km支渠(流量>1m3/s)估算投資僅為5087.5萬元，單公里支渠投資估算為27.5萬元。近年來，隨著物價及人工費上漲，改建支渠(流量>1m3/s)單公里投資可達60～70萬元，故原規劃投資現已不能滿足規劃工程建設。

(2)骨干工程破損嚴重

芳草湖農場支渠多于20世紀90年代進行防滲建設。由于當時資金匱乏，加之對凍脹問題認識不足，致使大部分骨干渠系工程出現預制混凝土板鼓起、邊坡混凝土板整體滑坡等病害。較嚴重的東干渠西二支渠、西干渠西十一支渠等破損率已達到60%～70%，從而造成該部分渠道滲漏損失加大，嚴重影響輸水能力。

(3)管理設施不完善

由于灌區長期存在“重建設，輕管理”的工程建設模式，致使現有大部分骨干工程兩側無伴渠道路，從而造成灌區工程管理難度很大。

3 渠道各參數方案設計

3.1 渠道縱坡設計分析

(1)設計原則

渠道縱坡擬定主要考慮以下幾個因素：①根據沿線地形、地質條件，設計流量等，保證設計輸水能力、邊坡穩定和水流安全通暢[1]；②渠道起點高程與上級渠道分水閘閘底高程保持一致；③保證干渠與支渠、支渠各斗渠之間上、下游水面平順銜接；④占地較少，工程量較小，施工、運用和管理方便；⑤各渠道分水口高程H要滿足灌溉要求，具體計算見下式[2]。

H=A0+Δh+∑Li+∑ψ

(1)

式中，A0—渠道灌溉范圍內控制點的地面高程，m；△h—控制點地面與附近末級固定渠道設計水位高差，一般取0.1～0.2m[3]；L—各段渠道的長度，m；Ψ—水流通過渠系建筑物的水頭損失，m。

(2)縱坡設計

本項目擬建的2條支渠中，西干渠西十一支現水面線銜接平順，斗口引水順暢，無需改動；西九支因原渠道0+000處閘后設陡坡，致使該渠道0+000-1+783段縱坡僅為0.4‰，造成該渠道在運行中有輕微淤積。因此本次設計將0+000處閘后陡坡取消，設計該段渠道縱坡變為0.79‰，見表2，余各段設計縱坡同原渠道。

表2 2條支渠的變坡點數量和縱坡值

3.2 渠道斷面及結構形式比選

(1)斷面型式

根據其他項目的工程經驗和本項目工期安排，本次對擬建渠道的斷面型式共設計以下三個方案，比選見表3。

表3 渠道橫斷面型式方案比選

考慮本次改建的2條支渠兩側大部分為耕地，無全線導流條件，且灌溉期持續運行，故僅能在非灌溉期搶修。此外，2條支渠地質情況差異較小，結合工期、施工難易程度兩方面考慮，本項目最終采用方案二。

(2)結構形式設計

本項目2條支渠均需在非灌溉期搶修，結合渠道地下水位情況及施工工期，對擬建渠道結構形式做出以下3個方案：

方案1：采用預制混凝土板6cm+砌筑砂漿2cm+一布一膜+40cm砂礫石結構形式；

方案2：采用預制混凝土板6cm+砌筑砂漿2cm+一布一膜+6cm苯板結構形式；

方案3：采用現澆混凝土板8cm+一布一膜+40cm砂礫石結構形式。

上述3種方案總體結構類似，根據成本估算得出方案1為394.99萬元，方案2為350.83萬元，方案3為377.88萬元。因此從經濟實用型考慮將方案2作為渠道結構形式，如圖1所示。

圖1 渠道斷面及結構形式

3.3 渠道抗凍脹設計

本項目區最冷時期平均氣溫在-17.9～-10℃，屬嚴寒地區，渠道沿線地基土粒小于0.075mm的含量在10%以上，屬凍脹性土質[4]，因此渠道必須設計防凍措施。

本項目渠道沿線地下水埋深在1.5m以下，地基土屬于Ⅲ級凍脹，渠床各部位置換深度(墊層厚度)Zn按式(2)計算[5]。經計算得出該項目渠道坡面上部置換深度為0.67m，坡面下部及渠底置換深度為0.85m[6]。

Zn=ε·Zd-δo

(2)

式中，ε—置換比，%。本設計坡面上部取50%，底部取70%；Zd—置換部位設計凍深，m；δ0—襯砌板厚度，取值8cm。

根據項目區東干渠已建工程經驗，其渠底、邊坡均鋪設4cm苯板，苯板下部保留原渠道0.1～0.2m厚砂礫石墊層，現運行良好，未發現凍脹破壞現象；此外，部分支斗渠渠底及邊坡在之前的改建中換填0.3m厚砂礫石，目前也運行良好，如圖2所示[7]。

綜合理論計算及運行經驗，考慮施工期較短，本次支渠采用苯板作為防凍墊層，苯板厚度按置換層厚度的1/15確定為6cm[8]。

圖2 已建渠道防凍脹效果

4 結語

芳草湖灌區西干渠支渠防滲改建工程設計基于項目區實際情況，渠道各參數滿足使用要求，取得了較好的經濟社會效益。灌區渠線的運行狀況取決于日常管理水平，因此必須要配備合適的管理隊伍，嚴格收費標準，這樣才能保證灌區水利工程發揮最大作用。

[1] 阿扎提古麗·扎克. 灌區節水改造工程渠道橫斷面設計及方案比選[J]. 水利技術監督, 2016(05): 95- 97.

[2] 艾比布拉·麥麥提. 吐孜烏達克支渠防滲改建工程渠道設計分析[J]. 水利科技與經濟, 2014(09): 106- 107.

[3] 劉玉軍. 新疆灌溉渠道防滲抗凍脹設計方法研究[J]. 水利科技與經濟, 2013(08): 31- 33.

[4] 謝基韜. 灌區節水改造中防滲渠道斷面的優化設計[J]. 新材料新裝飾, 2014(08): 25- 28.

[5] 吳劍疆, 邵劍南. 南水北調中線工程總干渠渠道設計關鍵技術問題[J]. 水利規劃與設計, 2011(05): 54- 55.

[6] 李研. 吾達力克鄉克孜力庫木渠防滲改建設計及具體策略分析[J]. 中國水運月刊, 2016, 16(02): 175- 176.

[7] 周亮. 灌區渠道設計與復核研究概述[J]. 中國水運月刊, 2016, 16(12): 236- 237.

[8] 張海兵. 凍脹渠道的兩種設計方法[J]. 水利規劃與設計, 2005(04): 88- 90.