奎屯河上游渠首改造方案探析

陳黎明

1 工程概況

奎屯河流域位于天山北麓準噶爾盆地西南緣，流域東以巴音河流域為界，西以古爾圖河和托托河為界，南以伊犁喀什河流域為界，北以奎屯河以北的沙漠為界，流域總面積2.83萬km2。其中山區1.19萬km2，平原區 1.64萬 km2。本項目完成新建渠首1座，新建渠首最大泄洪流量76.9 m3/s，最大引水流量2.5 m3/s。渠首原設計形式為攔河加滾水壩式，渠首工程主要包括滾水壩、沖砂閘、引水閘和上、下游整治段組成。

2 工程存在問題

2.1 原渠首

奎屯河上游現有一座引水渠首，始建于1975年，渠首設計引水能力為1.5 m3/s，因缺乏專業管理人員，且交通不暢，無相關維護費用，運行至今，渠首水毀嚴重，滾水壩已不復存在，現在只有一條簡易漿砌石擋水墻，現狀渠首實際引水能力僅為0.7m3/s，每年五六月遇山洪突襲，當地政府組織村民上山防洪，但無法從根本解決問題，由于引水量達不到要求，直接影響村民定居下來，被迫遷徙。

2.2 渠系建筑物

灌溉區內渠堤建筑質量差，渠系安全無保證。建筑物始建于20世紀70～80年代，水閘基礎設施坐落在低液限粉土層上，因基礎處理不完善，施工質量達不到設計標準等原因導致水閘破損嚴重，同時由于年久失修，閘門變形嚴重，啟閉設備也不配套，閘門漏水甚為嚴重，已不能起到節制調控流量作用，閘前閘后漸變段已基本破損,有明顯沉降變形,滲漏嚴重。

3 渠首改造方案

3.1 引水渠首規模

設計引水流量為1.92m3/s，加大引水流量為2.5m3/s。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》SL252—2000，渠首工程規模為小（1）型，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級，設計洪水標準為10年一遇，校核洪水標準為30年一遇。天然河道洪水10年一遇洪峰流量為46 m3/s，30年一遇洪峰流量為76.9m3/s。

3.2 渠首總布置

根據河道功能控制水位和灌區所需用水量，通過現場勘測,提出兩種方案，方案一攔河壩式渠首,方案二攔河閘式渠首。

3.2.1 方案一：攔河壩式渠首

滾水壩式渠首由滾水壩、沖砂閘、引水閘和陡坡段及拋石坑組成。引水閘布置在左岸，與沖砂閘平行布置，引水閘閘孔凈寬2.0 m。沖砂閘布置在引水閘和溢流壩之間，閘孔凈寬3.0 m、兩孔閘。溢流壩壩長25 m,壩高3.4 m，地面以上高1.9 m，滾水壩末端設15m長的陡坡段，設4.5m深的拋石坑。

3.2.2 方案二：攔河閘式渠首

攔河閘方案主要由泄洪閘、沖砂閘、引水閘、海曼段及上游連接段組成。泄洪沖砂閘垂直于河道布置，其中泄洪閘為4孔凈寬5 m的梯形閘門，沖砂閘緊靠引水閘布置，為凈寬3.0 m的平板鋼閘門。引水閘位于渠首左岸，閘孔凈寬2.0 m，泄洪沖砂閘后接海曼段及防沖段。

經過對比,攔河閘方案較滾水壩方案沖砂閘效果要好，攔河閘方案要求管理水平較高，洪水期要求專人開啟閘門。項目區位于山區，現狀沒有管理站所駐扎此地，無法按設計要求管理閘門。而滾水壩方案是自由溢流，可減少管理投入，更適合本地實際情況。攔河閘方案和滾水壩方案都有可建條件，經方案比選，攔河閘方案較滾水壩方案多22萬元左右投資，結合工程投資本次選擇滾水壩方案。

引水渠首工程布置在原老渠首位置，建議主要包括沖砂閘、引水閘和滾水壩、上、下游連接段組成。上游進口段長20 m寬55 m，底板采用C20F200細粒砼砌筑，邊墻長24 m采用C20F200細粒砼砌筑。根據水文資料，30年一遇洪峰流量為76.9 m3/s，渠首最大泄洪流量也為76.9 m3/s，其中滾水壩最大泄流能力為34.46m3/s，沖砂閘最大泄流能力42.44m3/s。滾水壩寬25 m，垂直于河道布置壩型為梯形實用堰，為滿足河道沖砂要求，在滾水壩左端設沖砂閘，沖砂閘為2孔，閘孔凈寬為3.0 m。引水閘位于滾水壩左岸，其軸線與滾水壩軸線成16°角。引水閘為1孔，閘孔凈寬2.0 m，最大引水流量2.5 m3/s，采用平面鑄鐵閘門控制。下游海漫段長15m底板用0.5 m現澆板澆筑，左岸邊墻為鋼筋混凝土，右岸邊墻為C20F200細粒砼砌筑。出口段下游接拋石坑拋石粒徑d≥0.7 m。

表1 渠首方案比選

3.3 滾水壩壩頂高程和溢流段長度的確定

滾水壩為壅水建筑物其壩頂高程和滾水壩段長度的確定與許多因素有關，其中主要是：a.滿足設計引水位的要求，保證渠系和引取所需的供水流量；b.上游洪水位不超過允許的高程，以避免造成過大的淹沒損失。洪水采用30年一遇校核洪峰流量引水閘為76.9 m3/s，灌區設計最大引水流量為2.5 m3/s[1]。

4 穩定驗算及技術參數

根據新疆特殊的地理環境,渠系主要是凍脹破壞,施工現場天然凍土層凍脹量可依據《渠系工程抗凍脹設計規范》SL23-2006查圖3.2.2-2，凍前地下水位Zw=2.0 m,經查表，干渠N-S方向最大地表凍脹量為2.6 cm,經計算基礎結構下凍土層產生的凍脹量為2.43cm[2]，查表3.3.2得地基土的凍脹性級別為Ⅱ級。

4.1 抗滑穩定安全驗算

渠首地層屬第四系上更新統-全新統洪積堆積物砂卵（礫）石層，其厚度大于60m，表層有較薄的沖洪積粘土，低液限粘土，透水性強，厚度大，結構密度，干燥，磨圓度較好，呈亞圓形，內磨擦角為 32°，允許承載力 32t/m2，滲透系數 2.32×10-2～7.52×10-3cm/s，本段渠線地下水埋深大于10 m，穩定性驗算達到要求,處理深度應滿足水流抗沖刷深度。

4.2 抗凍脹穩定性驗算

渠系襯砌結構的凍脹位移值渠系基土的凍脹量確定，根據《渠系工程抗凍脹設計規范》SL23-2006表（4.2.2）規定，混凝土襯砌防滲的梯形底梯形渠系允許位移值為1～3 cm，干砌卵石做漿襯砌防滲的梯形底梯形渠系允許位移值為2～5 cm。梯形底渠系底部的基土凍脹量小于規范規定的允許凍脹量，所以不用采取防凍脹措施，但梯形底渠系邊坡和梯形段渠系凍脹量大于規范規定的允許凍脹量，需進行置換，以防止渠系發生凍脹破壞。

4.3 砂礫石含量

實際工程經驗：通過對奎屯河灌區的渠系破壞情況的調查與分析，墊層設20 cm～30 cm不會發生破壞。綜上所述，本次設計渠系渠底和邊坡采用6 cm厚C20F200預制砼板襯砌，下部鋪30cm厚的砂礫石墊層,渠系填方部分設計干容重rd≥1.70g/cm3。砂礫石墊層的技術要求為：最大顆粒粒徑不超過40 mm,小于0.075mm的顆粒質量含量不超過6%，小于7.5mm顆粒質量含量不超過40%，相對密度不小于0.75。

4.4 灌溉水利用系數

根據實地的調查，現狀該渠系干渠進行了防滲處理，現狀干渠由于渠線較陡，已建的砼襯砌渠系沖毀嚴重，渠系全長6.0km，其中毀壞90%以上毀壞。經實際調查現狀地面灌渠系水利用系數0.58，田間水利用系數0.9，灌溉水利用系數為0.52，無高效節水，見表2。

表2 灌溉水利用系數表

根據《灌溉與排水工程設計規范》GB50288-99，渠系水利用系數等于各級渠系水利用系數之乘積，在無實測資料時，可采用下列公式計算：

式中，η為渠系水利用系數；σ為渠系單位長度水量損失率，%·km；L為渠系長度，km。

式中，k為土壤透水系數，3.4；m為土壤透水指數，0.5[3]；渠系襯砌之后，渠系單位長度水量損失率σ可用下式修正：σ0=ε0σ，砼板防滲：ε0取 0.1。

根據上述公式，計算干、支、斗、農四級渠系的渠系水利用系數，參照灌區的部分實測資料并考慮到的管理水平和蒸發損失，將渠系水利用系數作適當調整，見表3。

表3 渠系水利用系數

5 結論

通過本工程除險加固后的渠首，以灌溉為主，結合養殖、改善和保護生態環境為一體的水利工程。工程項目經過兩年的運行及凍融期，水流走向通暢，閘門開啟靈活，渠首改造工程通過竣工驗收,工程質量合格;當地村民反映良好。產生很好的社會經濟效益，國民經濟評價是可行的。節余水量可用于灌區內及周邊天然植被的灌溉，改善本灌區的生態環境。該工程具有較好的經濟效益、社會效益和生態效益。

[1]新疆農七師水利水電勘測設計研究院.新疆奎屯河渠首工程初步設計報告[R].奎屯：新疆農七師水利水電勘測設計研究院，2012.

[2]SL 211-2006，水工建筑物抗冰凍設計規范[S].北京：人民郵電出版社,2006.

[3]GB 50288-99，灌溉與排水工程設計規范[S].北京：中國水利水電出版社,1999.