北屯灌區渠道方案比選與設計分析

曹海濤

（新疆北屯市恒豐勘察設計開發有限責任公司，新疆 北屯 836099）

灌區工程建設是一項重要的民生工程，也是一項重要的生態改善工程。近年來國家投入資金進行灌區續建配套與節水改造，灌區灌溉條件得到明顯改善，但仍有部分灌溉渠道存在渠岸坍塌、渠道斷面不規則、雜草叢生、渠道流速緩慢、滲漏損失大等問題，造成灌溉季節地下水位不斷升高、土地次生鹽堿化，使得灌區水利工程與灌區經濟發展不相適應[1]。

目前，充分利用地下水的綜合防治措施、農田水利基礎設施建設，對灌區渠道進行維修、改造或者重建，相應的提高防洪能力和灌區的用水效益，為經濟可持續發展提供保障。受到現代技術、資金等條件限制，水利項目的施工技術標準、水利項目的建設質量也相對很低，維修費用、管理不到位、長期帶病運行使水利工程設施嚴重老化。灌區存在的諸多問題，影響灌溉效益的正常發揮。因此，為確保水利灌區功能有效發揮，必須科學認識灌區存在的問題，對灌區的渠道進行改造。本文針對北屯區骨干水利工程設計進行分析。

1 工程現狀

北屯灌區位于新疆阿勒泰地區福海縣境內，地處阿勒泰地區經濟核心中部，灌區有國道216線、省道318線和奎阿高速，是阿勒泰地區的交通樞紐。根據灌區續建配套與節水改造規劃成果，結合灌區實際情況，確定改造干渠流量為7 m3/s～4.5 m3/s，依據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017），確定工程規模為中型，工程等別為Ⅳ等。

2 渠道存在的問題

北屯灌區因土層薄，土層以下是透水性較強的砂礫石層，水量滲漏較大。渠道大多數為土渠或損壞嚴重的防滲渠，渠道雜草叢生，斷面不規則，渠岸坍塌，渠道流速緩慢，渠床為砂礫石地基，渠道滲漏嚴重，造成部分區域渠道兩側沼澤、土壤鹽漬化嚴重。通過渠道防滲改造，提高流速、減少渠道滲漏損失，提高水利用系數、節約水資源。

工程規劃原則是實現灌區水資源可持續利用，為實現灌區經濟的可持續發展打下堅實的基礎，為北屯灌區農業發展提供可靠的水利保障設施。

3 渠道方案比選

選取典型的渠道防滲工程從渠線選擇、渠道防滲結構型式兩方面進行渠道工程方案比較。

3.1 渠線方案

工程屬于灌區改造項目，現狀渠道均已存在。以二干渠防滲渠為例，方案（一）為新渠線方案，即摒棄老渠線，重新選擇一條渠線；方案（二）為舊渠線方案。

方案（一）：新渠線方案，摒棄舊渠線，重新選擇一條新的渠線。二干渠末段新渠線選擇的最主要問題是要占用大量耕地，根據實地踏勘，二干渠兩側均為耕地，新渠線只能選在耕地一側，該渠線將占用大量耕地，初步估計新渠線及施工占耕地約3.7 hm2畝左右。

方案（二）：舊渠線方案，灌區現狀渠系布置基本上是按照灌區總體規劃修建的，經過多年的運行，從總體布置上看是合理的，只是局部渠段以土渠型式時彎曲較多，在進行防滲處理時，可根據實地情況適當截彎取直。因此涉及的渠道改造工程，渠線總體方案維持現狀，只對局部不合理的渠線進行截裁彎取直。

3.2 渠道結構型式方案

渠道縱斷面設計要考慮滿足取水建筑物的取水水位要求，以此為依據設計渠道縱斷面。

（1）渠道橫斷面結構型式比較。渠道橫斷面結構型式應根據工程區水文、氣象、地質等條件，結合工程沖刷、凍脹等具體問題，參考灌區改造經驗，進行方案比選后，確定最優方案。

根據規范要求及項目區已建相似工程，本工程擬采用弧形底梯形渠和梯形渠兩個方案比較，見表1。

表1 渠道橫斷面型式方案比較

方案一弧形底梯形渠抗凍脹性能較好，但施工時間較長，與農業灌溉有矛盾；方案二抗凍脹性能相對較差，但易于施工、施工時間較短，同時參考北屯灌區已建相似工程，基本為梯形斷面，冬季凍脹破壞不大，其施工、管理、運行良好，因此本可研推薦選用方案二梯形渠斷面。

（2）渠道襯砌方案比較。根據本地材料與施工工藝，結合灌區近幾年常見的渠道防滲型式，進行工程渠道結構型式方案比較，見表2。

方案一：現澆80 mm厚砼板襯砌結構型式

方案二：預制80 mm厚砼板襯砌結構型式

方案三：23 cm厚雷諾護墊襯砌結構型式

表2 渠道襯砌型式方案比較

根據上述分析，方案一單方投資較小，但施工需要時間相對較長，本方案工程量較大，農業灌溉結束后，用于施工的時間較短，兩者有所矛盾；方案二預制、砌筑砼所需施工期短，相對工程量少，但單方造價較大。

按上述分析，根據具體工程需要，同時參考北屯灌區已建相似工程，二干渠末段采用預制砼+雷諾護墊襯砌型式。南關水庫引水渠末段采用雷諾護墊襯砌型式。阿克達拉水庫進水渠0+000～2+482段采用預制砼+雷諾護墊襯砌型式，2+482～3+505段采用雷諾護墊襯砌型式。

4 渠道設計

4.1 工程等別的劃分

根據分析，3條干渠設計流量7 m3/s～4.5 m3/s，依據《渠道防滲工程技術規范》（GB/T 50600-2010），各渠道工程級別及工程規模，見表3。

項目區地震動峰值加速度g=0.05，相當于地震烈度Ⅵ度。

表3 各級渠道級別及規模統計表

根據上述確定本項目工程規模為中型，主要建筑物4級，次要建筑物5級。

4.2 渠道水力要素確定

梯形斷面渠道水力計算采用《水力計算手冊》上的有關公式進行計算：

式中：Q為渠道設計流量，m3/s；b為渠底寬度，m；h為渠道設計水深，m；m為渠道內邊坡；i為渠道縱坡，渠道縱坡由現狀渠底縱坡和地面而定；n為渠道糙率，根據渠道不同襯砌材料確定。計算過水斷面值見表4～表6。

表4 北屯灌區二干渠末段水力要素表

表5 南關水庫引水渠末段水力要素表

表6 阿克達拉水庫進水渠水力要素表

4.3 渠道超高計算

根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-2018）要求，4、5級渠道岸頂超高值：

式中：hb為渠道通過加大流量的水深。

通過上式計算渠道超高，同時考慮渠道采用砼預制板防滲，規范要求襯砌高度為0.3 m～0.8 m，結合襯砌砼板的規格等因素綜合確定渠道超高。安全超高計算值見表4、表5、表6。

4.4 渠頂寬度確定

根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-2018）要求，“萬畝以上灌區干、支渠岸頂寬度不應小于2 m”、“渠道岸頂兼作交通道路時，其寬度應滿足車輛通行要求”。

根據現狀勘察，結合灌區規劃，干渠渠堤有交通要求時，采用4 m堤頂寬，無交通要求時，堤頂寬度選擇為2 m。

4.5 抗凍脹設計

根據本工程渠床取樣顆粒分析，本工程渠道渠床粗粒土中粒徑小于0.075 mm的土粒含量為3%～7.5%＜10%，為非凍脹土，不符合《渠道防滲工程技術規范》（GB/T 50600-2010）中的“三同時原則”的第一個條件，因此不作抗凍脹設計，采用灌區多年的防滲結構形式即可。

5 結語

本項目實施后，減少了北屯灌區渠道的滲漏和輸水損失，對灌區因地下水位上升而引起的土壤鹽漬化、沼澤化的現象也有極大改觀，改善了灌區的供水條件，將節約的水資源用于灌區經濟發展和灌區生態建設，有利于灌區水資源的可持續利用和灌區經濟的可持續發展，符合國家農業可持續發展政策要求。