第六師開墾河灌區節水改造項目實施方案淺析

王 偉

(五家渠農六師勘測設計研究有限責任公司，新疆 五家渠 831300）

0 引言

新疆奇臺縣開墾河灌區是兵地共建灌區，灌區土地總面積110 萬畝,其中第六師開墾河灌區共包含4 個農場，總灌溉面積32.82 萬畝。本項目區奇臺農場位于山前沖積平原，建于60 年代初，項目區灌溉面積18.82 萬畝。自建場以來，奇臺農場先后修建了汪家口水庫（Ⅰ）庫、（Ⅱ）庫、奇臺農場引水干渠、奇臺農場輸水干渠、奇臺農場東干渠等一批中型水利工程，在一段時間內為項目區經濟發展作出了很大貢獻。由于原工程設計標準偏低，工程老化，年久失修，不能滿足農場日常灌溉用水需要，同時造成灌區地下水超采。在此基礎上，對該灌區的骨干工程進行配套續建和節水改造。

1 項目區概況

項目區奇臺農場總人口1.4 萬人，其中漢族占92.82%，少數民族人口占7.18%。奇臺農場是全國糧食生產基地之一,在地區國民經濟中占有重要地位。奇臺農場是地表水和地下水混灌區。

項目區地表水均來自開墾河，奇臺農場分水比例為39.27%，75%保證率下引水量4582.42 萬m3；項目區地下水由地表水補給，地下水水質良好，是較好的灌溉和生活用水。據第六師地質勘察資料，開墾河灌區地下水總儲量為1.86 億m3,可開采量為1.08 億m3。工程區分布地層巖性主要是巨厚的第四紀松散堆積物，以低液限粉土和圓礫為主。

2 工程級別及主要建設內容

本次第六師開墾河灌區骨干渠道防滲改建工程全長47.78 km，設計流量為1.0～30.18 m3/s,根據《灌溉與排水工程設計規范》，設計流量大于5.0 m3/s 的渠道為奇臺農場引水干渠，主要建筑物為4 級，次要建筑物為5 級；其他干渠和支渠設計流量均小于5.0 m3/s，主要建筑物和次要建筑物均為5 級。灌溉設計保證率取75%。灌溉水利用系數為0.52。

主要建設內容包括骨干渠道防滲改建工程總長度為47.78 km，其中干渠總長31.2 km、支渠總長16.58 km；改建渠道建筑物132 座，其中閘 84 座，農橋 43 座，沉砂池 2 座，涵洞 1 座，渡槽1 座，跌水 1 座。

3 工程設計

3.1 渠道縱斷面設計

根據渠道的設計流量和實地勘測資料，在設計中考慮渠系現狀，綜合各分水口、進水口、已有建筑物的高程條件等來控制渠道的縱坡，對部分縱坡較大，易產生沖刷破壞渠段，擬對縱坡進行調整。縱坡考慮原有支渠和斗渠渠底高程，使干渠和支渠水能通暢地進入下級渠道；根據渠道沿線地形、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；保證干渠與支渠之間、支渠各斗渠之間以及重要建筑物上、下游水面平順銜接；滿足渠道不沖不淤流速；各渠道分水口高程要滿足灌溉要求等[1]。

各渠口水位由下式推算確定：

式中：A0為渠道灌溉范圍內控制點（較難灌到水的地面）的地面高程，m；△I 為控制點地面與附近末級固定渠道設計水位的高差，一般取 0.1 m～0.2 m；L 為渠道的長度，m；I 為渠道的比降；ψ為水流通過渠系建筑物的水頭損失，m。

經計算，引水干渠渠道縱坡擬定主要以各引洪閘、電站引水閘的高程作為控制性高程點，保證能夠正常引洪，滿足電站引水渠的引水高程，盡量貼近原渠底，保證挖填方量最小，并且使水面曲線平順連接，水力條件良好，水流穩定，綜合考慮確定縱坡為8.06‰～23.88‰；輸水干渠在原渠上改建，控制性高程為起點已建閘、沿線幾個分水閘高程，確定南北走向段縱坡為14.4‰～15.9‰，東西走向段縱坡為1.6‰～2.0‰；東干渠在原渠上改建，控制性高程為一座已建可利用跨河渡槽，沿線各分水閘高程，縱坡定為5.8‰～16.4‰；支渠均在原渠道上改建，控制點高程為沿線各分水閘高程，一支渠縱坡為5.32‰～37.8‰，二支渠縱坡為3.1‰～7.77‰，調水渠三支渠縱坡為2.0‰～26.67‰。

3.2 渠道防凍脹設計

奇臺農場引水干渠0+000～6+534.4 段、奇臺農場東干渠、引水干渠一支渠0+000～2+237 段，是非凍脹性土，可不考慮凍脹。引水干渠6+534.4～8+082 段、輸水干渠、一支渠2+237～8+279 段、二支渠、三支渠渠基是低液限粉土，是凍脹性土，需考慮凍脹。項目區最冷月1 月份平均氣溫：-17.9℃＜-10℃，屬嚴寒地區。低液限粉土屬凍脹性土質。凍前地下水位深度1.5 m。渠道所在地區同時滿足發生凍脹的三個條件，渠道在修建時要采取防凍措施[2]。

3.2.1 設計凍深計算

根據《渠系工程抗凍脹設計規范》，渠系工程的設計凍深可按下式計算：

式中：Zd為渠系工程的設計凍深，m；Zm為歷年最大凍深，取1.6 m；ψd為日照及遮陰程度影響系數；ψw為地下水修正系數。

設計凍深計算見表1。

表1 第六師開墾河灌區骨干渠道設計凍深計算表

3.2.2 凍脹量及凍脹級別確定

當基礎板厚小于50 cm 時,基礎凍深按下式計算：

式中：δc為基礎板厚，引水干渠40 cm,輸水干渠10 cm～40 cm，支渠 8 cm～30 cm；δw為底板之上冰層厚度，0 cm。

渠道基礎土料凍脹量按下式計算：

式中：h 為工程地點天然凍土層產生的凍脹量, 由凍脹量圖查得，cm；hf基礎結構下凍土層產生的凍脹量，cm；Zd程地點的天然設計凍深，m。根據以上公式計算基土凍脹量，結果見表2。

表2 第六師開墾河灌區骨干渠道基礎凍深、凍脹量計算表

3.2.3 渠道抗凍脹措施

依據《渠系工程抗凍脹設計規范》(SL23-2006)，當渠基土凍脹級別為Ⅲ級時，可采用置換措施防止凍脹破壞，渠床各部位置換深度可按下式計算：

式中：Zn為置換深度，cm；ε 為置換比，邊坡取60%，渠底取80%；δ0為襯砌板厚度，cm，本工程引水干渠襯砌厚度40 cm,其余渠道現澆砼底板及邊坡板厚度8 cm～12 cm。

根據計算渠道坡面上部需置換0.29 m～0.92 m 砂礫石墊層，渠道坡面下部、渠底需要置換0.52 m～0.91 m 砂礫石墊層。本次工程凍脹土置換厚度在計算的基礎上借鑒周邊渠道置換墊層厚度，最終確定引水干渠置換0.3 m 砂礫石墊層；輸水干渠及3 條支渠漿砌石部分置換0.30 砂礫石墊層、砼部分置換0.45 m 砂礫石墊層。計算結果見表3。

表3 第六師開墾河灌區骨干渠道置換層厚度計算表

3.3 渠道橫斷面設計

3.3.1 渠道參數

引水干渠設計流量30.18 m3/s，該渠道渠底與邊坡基礎均為卵石和砂礫石，正常運行已超過40 年，渠基和邊坡非常穩定，本次基本在原有渠道斷面上防滲改建，無需進行邊坡穩定計算，邊坡系數按現狀渠道的邊坡取值。

引水干渠為渠底干砌卵石灌漿、邊坡漿砌石，糙率取0.035；輸水干渠、東干渠、3 條支渠均采用現澆砼板襯砌，糙率取0.016。為滿足運行管理需要，干渠的渠堤寬度兩側分別為2.5 m 和4.0 m。支渠渠堤寬度為1 m～2.0 m。襯砌渠道超高值可采用0.3 m～0.8 m，引水干渠渠深1.3 m～2.1 m；東干渠渠深0.8 m～1.1 m；輸水干渠渠深0.8 m～1.1 m，支渠渠深0.6 m～1.1 m。

3.3.2 斷面形式選定

根據渠道規模和第六師多年防滲改建的經驗，可采用梯形斷面、弧形底梯形斷面和弧形坡腳梯形斷面等形式。其中引水干渠流量大，斷面大，為避免砌筑難度，選定為梯形斷面；輸水干渠和東干渠流量適中、斷面適中，采用水力條件、抗凍脹能力、抗沖能力較好的弧形底梯形斷面；支渠流量小，斷面小，全部采用施工工藝簡單施工期短的梯形斷面。引水干渠一支渠和水庫調水渠三支渠起始段為發電與灌溉共用，流量較大，但縱坡小，斷面大，本次設計也采用梯形斷面。

3.3.3 襯砌形式比選

根據當地材料及實際情況，可采用漿砌卵石、現澆砼或二者結合的方式進行襯砌。引水干渠縱坡大，渠道內泥砂含量較大，粒徑較大，對渠道的磨損比較嚴重，考慮到該渠道冬季引水可能破壞砼邊坡，因此選定為漿砌卵石襯砌。其他各渠道考慮到開墾河河道內卵石儲量有限，但砂礫石儲量豐富，而且水泥廠距項目區很近，因此剩余渠道采用現澆砼襯砌，部分流速大的渠段渠底采用漿砌石襯砌。

3.3.4 典型斷面

（1）引水干渠

引水干渠采用渠底干砌卵石灌漿+邊坡漿砌卵石進行襯砌。典型斷面圖見圖1、圖2。

圖1 引水干渠橫斷面圖（0+000～6+534.4 段）（尺寸單位：cm）

圖2 引水干渠橫斷面圖（6+534.4～8+082 段）（尺寸單位：cm）

（2）輸水干渠

輸水干渠本次改建參考已建段的結構層，其中13+500～18+747 段縱坡較陡、流速較大，采用渠底漿砌卵石40 cm、邊坡混凝土厚度12 cm 及一布一膜+砂礫石抗凍墊層45 cm 方式襯砌；縱坡緩、流速不大的23+953～26+488 段采用全斷面現澆砼10 cm及一布一膜+砂礫石抗凍墊層45 cm 方式襯砌。典型斷面圖見圖3、圖4。

圖 3 輸水干渠橫斷面圖（18+747～26+488 段）（尺寸單位：cm）

圖4 輸水干渠橫斷面圖（13+500～18+747 段）（尺寸單位：cm）

（3）東干渠

東干渠縱坡較陡，但設計流量不大，選擇弧形底梯形斷面的現澆砼渠道。斷面圖見圖5。

圖5 東干渠斷面圖（尺寸單位：cm）

（4）支渠

3 條支渠分別為引水干渠一支渠、引水干渠二支渠、水庫調水渠三支渠。采用現澆砼及砂礫石抗凍墊層45 cm。斷面圖見圖6。

圖6 支渠斷面圖（尺寸單位：cm）

3.4 主要建筑物設計

3.4.1 水閘

本次項目共改建閘84 座，其中引水干渠采用開敞式閘室結構；輸水干渠和東干渠上的節制閘、分水閘均采用現澆鋼筋砼一字型結構；支渠節制閘根據為現澆鋼筋砼一字型結構，支渠分水閘均采用封閉式閘門，該設計結構簡單，造價低，抗凍脹性能好。一字型結構閘門均采用平板鋼閘門，干渠啟閉設備采用手電兩用螺桿式啟閉機，支渠啟閉設備采用手動螺桿式啟閉機。

3.4.2 涵洞

水庫調水渠三支渠在0+848 處跨過電站尾水渠，電站尾水渠采用涵洞從渠底穿過，渠道采用高填方明渠。電站尾水渠最大流量3.0 m3/s，底寬2.0 m，水深0.5 m,流速3.13 m/s。三支渠底寬0.6 m，渠深0.8 m，開口寬3.0 m。

經計算涵洞長為29 m，屬無壓流長洞，按照無壓流長洞流量計算公式計算涵洞寬度：

經計算，涵洞寬度為1.79 m,本次取2.0 m。采用預制鋼筋砼城門洞型涵洞，底寬2. m,高2.0 m,厚0.3 m,每節長1.0 m，共29 節。

3.4.3 沉砂池

本次改建的2 座沉砂池位于奇臺農場引水干渠0+400、4+250 兩處。入池粒徑級配曲線見圖7。

圖7 入池粒徑級配曲線

為防止大粒徑泥砂對渠道造成破壞，兩座沉砂池出池泥沙最大粒徑2 mm 的沉降率不小于95%。兩座沉沙池均按單池布置，主要設置進出口連接段，工作段，機車清沙通道，年均清砂5 次左右。清除的泥沙運往下游空地。

4 結語

本工程總投資概算為7059.63 萬元，經濟內部收益率為9.96%，大于社會折現率8%；經濟凈現值1852.80 萬元；效益費用比1.25，說明此項目滿足國民經濟效益和社會要求。項目實施后，奇臺農場灌溉水利用系數從0.45 提高到0.52，緩解了地下水超采的現狀，有效地提高了灌區水資源利用效率，改善了灌區的農業灌溉條件。奇臺農場總灌溉面積18.82 萬畝，占灌區總面積的57.34%，項目的實施，同時對灌區農業和農場經濟發展有著重要意義。