寶雞峽塬上總干渠存在問題及節水改造方案分析

楊建團

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局，陜西 咸陽 712000）

1 工程概況

寶雞峽塬上總干渠是全灌區灌溉、發電輸水的“主動脈”，承擔著向下游灌區抗旱、電站發電輸水任務，具有灌溉、蓄庫、發電等多項重要功能，于1971年建成。控制灌溉面積171.91萬畝，電站總裝機容量26.9 MW，水庫總庫容3.3億m3。渠首設于陳倉區林家村，由林家村樞紐進水閘起至乾縣壇子坊止，全長170.2 km。設計斷面為梯形，底寬4.5 m～12 m，渠深3.2 m～4.6 m，內坡比 1∶1.1～1∶1.5，比降 1/1000～1/5000，設計流量50 m3/s～40 m3/s，加大流量60 m3/s～55 m3/s。渠道年平均運行300天以上，是灌區非常重要且著力加強維護的重點渠道。

2 存在問題

2.1 工程險工隱患多

塬上總干渠98 km塬邊渠道途經古、老、新滑坡體172處，塬高坡陡，左岸施工時削坡又不到位，局部滑坡多次發生，危及行水安全；臨平地段渠道穿越早期人們居住的黃土高原邊沿區，廢棄舊窯洞、墓穴多，輸水安全隱患大。支渠布線太長，最長超過30 km，渠線所到之處深挖方高填方渠段多，安全隱患突出。

2.2 渠道凍脹損壞嚴重

經過40多年運行，由于凍脹、沉陷、滑坡等原因，原現澆砼襯砌板出現大量貫通裂縫和表面脫落現象，且絕大多數裂縫集中在渠底部位，損壞部位占防滲面積40%左右。貫通裂縫和板塊脫落成為渠道最直接的滲漏通道，長期的滲漏不僅造成水源較大浪費，而且對渠岸穩定造成極大威脅。如2013年3月31日，乾縣周城鎮漠谷河右岸發生嚴重滑塌，滑塌方量30萬m3，導致總五支渠200 m渠道滑塌中斷用水，造成下游2.4萬畝農田至今無法抗旱灌溉。

2.3 設施老化長期帶病運行

在實際運行中，因為干、支渠初期襯砌段的砼板厚度小、標號低，且板下無防滲膜料，襯砌板大小不一。因凍融作用，基礎沉陷和自然老化，砼襯砌板普遍發生裂縫、鼓肚、剝蝕、錯位等破壞現象；破損預制襯砌板滑落渠底，阻水雍水，降低防滲效果和輸水能力；填方段多次出現裂縫、塌陷等險情，以致漏水、決口事故頻繁發生。多年來由于維修改造資金短缺，長期處于帶病運行狀態。

3 工程改造方案分析

3.1 渠道設計流量確定

塬上總干渠地處灌區上游，承擔著向下游灌區輸水、蓄庫、發電等重要任務。由于灌區面積基本未變，所以渠道改造維持原設計流量不變。

3.2 渠道縱橫斷面設計

總干渠節水改造段現狀為梯形斷面，依據《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》和《陜西省大型灌區續建配套與節水改造工程實施方案設計大綱》，若改為弧腳梯形斷面土方工程量大，施工工期長；而采用梯形與現狀斷面易于結合，土方工程量少，施工期短，因此該段渠道改造采用梯形斷面。

3.3 渠道水力計算

本次改造的渠道設計根據明渠均勻流公式進行計算：

式中：A 為過水斷面面積，m2；C 為謝才系數，C=1/n×R1/6；R 為水力半徑，m，R=A/X；X 為濕周，m；i為渠道比降。

結合工程現狀、渠道多年運行情況及《灌排規范》，塬上總干渠渠堤超高按土石壩設計要求計算確定為1.28 m，渠道改造段水力要素見表1。

表1 塬上總干渠改造段水力要素表

3.4 渠道流速校核

①渠道允許不淤流速

經計算渠道最小V不淤=0.60 m/s。

②允許不沖流速

由《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-99）查得：砼渠道V不沖=8.0 m/s。而改造段渠道設計流速大于0.60 m/s，小于8.0 m/s，所以滿足不沖不淤要求。

3.5 渠道襯砌設計

塬上總干渠道襯砌采用全斷面現澆砼板膜復合結構，板下鋪設一布一膜復合土工膜。各改造段統一采用膜厚0.5 mm、基布150 g/m2的復合土工膜，渠道襯砌砼標號為C20W6F50。渠道襯砌底板等厚16 cm，坡板采用楔形板，按照渠道陰陽坡分別設計襯砌板厚度，陽坡板厚10 cm～16 cm、陰坡12 cm～16 cm。改造段縱向伸縮縫沿兩側坡板與底板相交處設兩道，橫向伸縮縫每隔4 m設一道，同時在新舊襯砌板相接處及斷面變化處設橫向伸縮縫。伸縮縫斷面為梯形，上口寬3.0 cm，下口寬2.0 cm，伸縮縫先用M10水泥砂漿封底，再熱灌聚氯乙烯膠泥，最后用M10水泥砂漿封口。

3.6 渠道抗凍脹設計

塬上總干渠走向為E-W，選取內坡中點偏下、底面中點兩點進行凍脹量計算。塬上總干渠位于季節性凍土地區，據氣象站資料，改造段最大凍深為30 cm，多年平均凍深20 cm，按《渠系工程抗凍脹設計規范》(SL 23-2006)計算本工程的凍脹位移值。

①設計凍深值

設計凍深按《渠系工程抗凍脹設計規范》（SL 23-2006）進行計算：

式中:Zd為渠系工程的設計凍深，cm；Zm為歷年最大凍深，cm；ψd為考慮日照及遮陰程度的修正系數，按 ψd=α+（1-α）ψi計算，渠底底面ψd=1.065，渠道陰坡板ψd=1.324，渠道陽坡板ψd=0.478；ψw為地下水影響系數，近似取1.0。

經計算，渠底的設計凍深Zd=31.95 cm，渠道陰坡板設計凍深Zd=39.72 cm，渠道陽坡板設計凍深Zd=14.34 cm。

②基礎設計凍深

渠道的襯砌板厚度為δc＜0.5 m，渠道基礎設計凍深Zf按抗凍脹規范進行計算：

式中：Zf為基礎下的設計凍深，cm；δc為基礎板厚度，cm；δw為底板之上冰層厚度，cm。

經計算，渠道底面Zf=23.15 cm，陰坡面Zf=31.27 cm，陽坡面Zf=6.59 cm。

③凍脹量

凍土層產生的凍脹量hf按抗凍脹規范進行計算：

式中：h為工程地點天然凍土層產生的凍脹量，cm；Hf為基礎結構下凍土層產生的凍脹量，cm。

由于項目區地下水埋深大于2 m，按2 m考慮，依次查表得h=0.6 cm、0.8 cm、0.6 cm。故渠道底面凍脹量hf=0.44 cm，渠道陰坡面凍脹量hf=0.63 cm，渠道陽坡面凍脹量hf=0.18 cm。

根據以上計算結果，本工程最大凍脹位移值發生在渠道陰板坡底部，其值為0.63 cm，小于該渠道1 cm的允許凍脹位移值。所以該渠道在選用砼楔形板板膜復合結構襯砌、設置伸縮縫和基土夯實等措施后，滿足抗凍脹要求。

4 棚蓋段方案比選

在進行塬上總干渠改造的同時，對部分支渠及分支渠道也進行改造和方案優化。如總干二支分支渠3+025～3+450段渠道為過村渠道，為保證村民活動安全，避免垃圾入渠，決定對該段渠道進行棚蓋。并根據該段渠道地形條件和流量規模，對矩形斷面和弧底梯形斷面兩種形式進行比選。

1）橫斷面形式設計

①方案Ⅰ：矩形斷面

棚蓋段全部采用矩形斷面，底板厚10cm，側墻厚45cm，橫向每4m設伸縮縫一道，底板和側墻連接處設縱向伸縮縫兩道。蓋板用1.8m×0.5m×0.12m預制C25鋼筋砼板。橫斷面襯砌設計見圖1。

圖1 矩形斷面蓋板設計圖（尺寸單位：mm）

②方案Ⅱ：弧底梯形斷面

棚蓋段渠道全部采用弧底梯形斷面，襯砌板等厚8 cm，全斷面鋪設一布一膜復合土工布，橫向每4 m設伸縮縫一道。蓋板用3.2 m×1.0 m×0.25 m預制C25鋼筋砼板。橫斷面襯砌設計見圖2。

圖2 弧底梯形斷面蓋板設計圖

2）橫斷面形式比較

矩形斷面和弧底梯形斷面各有優缺點，見表2。

表2 橫斷面形式比較表

從以上比較看出，方案Ⅰ根據地形條件，利于施工，單米工程投資較小；方案Ⅱ水力條件和抗凍脹性雖好，但弧底梯形斷面施工難度相對較大，單米工程投資較大。故設計選取矩形斷面形式進行渠道棚蓋。

5 結語

近些年，寶雞峽灌區利用節水改造項目，對塬上總干渠及支、分支渠逐步進行改造加固，方案堅持依據規范，因地制宜，注重解決渠道常見的淤積、滲漏、裂縫、凍脹問題，消除工程病險狀況對輸水灌溉的制約，保證渠道安全運行，提高工程建設質量和使用壽命。同時，工程改造注意新舊渠道有機銜接，干支渠道改造相互配套，提高灌溉供水保證率，恢復擴大農灌有效面積，促進項目區農業增產農民增收。實施方案科學、合理、實用，可為全省大中型灌區渠道工程節水改造提供借鑒。