灌區續建配套與節水改造工程干渠設計與優化

陳 龍

（塔里木河流域巴音郭楞管理局開都-孔雀河管理處,新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

因年久失修、管理不到位,不少大中型灌區的灌溉效益日漸下降,完善灌區節水改造和續建配套的任務艱巨,為此找出適應當地的最優改造方案至關重要[1]。灌區總體改造思路是結合灌區現狀,以干渠優化改造為主線,重點考慮技術可行性和成本可控性,通過備選方案的技術經濟指標對比,選擇最優方案。

1 工程概況

博斯騰灌區位于新疆維吾爾自治區南部的巴音郭楞蒙古自治州,地處開～孔河流域平原區。現狀博斯騰灌區存在渠道凍脹破壞嚴重,渠系配套建筑物完好率低、損壞嚴重,用水效率不滿足要求等問題,嚴重制約了農牧業發展和農牧民收入。經過查勘,骨干工程西干渠存在如下問題：①渠道預制混凝土板未考慮抗凍指標,下部未鋪設防凍墊層。經20 年的運行,渠道混凝土板凍脹、垮塌破壞,渠道滲漏損失量大；②由于板間勾縫施工質量差,板縫中生長雜草致使嚴重阻水,渠道過流能力達不到設計要求；③部分渠段邊坡板整體失穩破壞,影響了渠道的正常運行；④渠基土為粉土質砂層,級配不良,渠道內邊坡較陡,邊坡穩定性較差。

2 渠道優化設計

2.1 渠道選線

本次擬改建渠道位于灌區內部,渠道及渠系建筑物已經根據項目區農業生產實際運行需求運行多年。渠線兩側基本為農田、林帶或道路,原渠基土已經固結穩定。因此,設計渠道不再進行重新選線和調整布置,渠道全部在原址上改建。

2.2 渠道縱斷面設計

項目區為老灌區,除部分渠段坡度較陡外,大部分渠段地形較為平坦,沒有大的起伏,地形坡降范圍為1/65～1/3543。西干渠沿線地形較為平坦,除部分渠段坡度較陡外,地形縱坡相對較緩。為保證渠道現有引水口引水要求及路面高程與渠道橋銜接,并使渠道工程量最省,避免土方大搬運,改建設計中,綜合考慮對原渠道不合理的縱坡進行調整,以盡可能保證引水口水位及路面高程銜接為基本要求。

2.3 渠道邊坡設計

根據地質資料,灌區渠系土質主要為粉土質砂層、含細粒土砂層、級配不良砂層,渠道邊坡建議不小于1∶1.5。結合項目區情況,施工難易程度,選用兩種內邊坡襯砌方案：方案一：梯形斷面底板12 cm,邊坡選用1∶1.75的10 cm現澆混凝土板。方案二：梯形斷面底板12 cm,邊坡選用1∶1.5的10 cm現澆混凝土板。

2.3.1 渠道滲流計算

本次渠道滲流計算剖面根據地質資料,選取8+300 典型斷面進行渠道滲流穩定計算。

（1）水位組合

本次滲流計算水位組合為：①正常運用條件：渠道正常引水位（2.2 m）；②非常運用條件Ⅰ：渠道加大引水位（2.4 m）；③非常運用條件Ⅱ：渠道正常引水位（2.2 m）+Ⅷ度地震。

（2）計算參數

根據地質勘查試驗資料,參考類似工程經驗,滲透系數Kx選用見表1。

表1 滲流參數表

（3）計算結論

滲流計算采用河海大學AvtoBank7.07 軟件進行計算,不同水位組合時壩體滲流計算成果見表2。

表2 不同水位組合時壩體滲流計算成果表

根據表2 計算結果可知：在不同水位組合時,渠道滲流量很少,下游渠坡出逸點出逸比降小于允許出逸比降,因此渠道設計1∶1.75 邊坡滲流滿足穩定要求。

2.3.2 渠道邊坡穩定計算

壩坡穩定計算主要是復核渠道的邊坡穩定情況,本次渠道剖面根據地質資料,選取8+300 典型斷面進行邊坡穩定計算,堤頂寬度為4 m,上游邊坡為1∶1.75及1∶1.5。

（1）計算工況

①正常運用條件：正常引水位（2.2 m）右側邊坡；

②非常運用條件Ⅰ：加大引水位（2.4 m）右側邊坡；

③非常運用條件Ⅱ：正常引水位（2.2 m）+Ⅷ度地震的右側邊坡。

（2）計算參數

根據地質勘查資料,計算參數選用見表3。

表3 邊坡穩定計算參數匯總表

（3）計算結論

壩坡穩定采用河海大學AvtoBank7.07 軟件進行計算,不同計算工況時邊坡穩定計算成果見表4。

表4 不同計算工況時邊坡穩定計算成果表

根據表4計算結果可知：在不同計算工況時,1∶1.75 渠道邊坡最小安全系數均大于規范允許值,因此1∶1.75 渠道邊坡穩定。而1∶1.5 渠道邊坡小于規范允許值,因此其不穩定。設計采用渠道設計邊坡為1∶1.75。

渠道內邊坡采用以上兩方案進行比選,各方案分析如下,比選見表5。

表5 渠道邊坡方案比選表

方案一：邊坡為1∶1.75 現澆板,渠道投資較方案二高,邊坡現澆砼施工較方案二容易,渠道施工質量有保障,渠道邊坡穩定,運行安全性高。

方案二：邊坡為1∶1.5 現澆板,渠道投資較方案一低,邊坡現澆砼施工較方案一困難,渠道施工質量無保障,渠道邊坡不穩定,渠道運行安全性低。

綜合考慮工程的實際情況和當地經驗,考慮到渠道流量大,渠深較深及邊坡穩定性,本次設計采用方案一邊坡1∶1.75,作為本工程的渠道設計內邊坡。

2.3.3 渠道橫斷面設計

從施工方便程度和運行管理上考慮,由渠道流量初步計算確定其斷面尺寸,以及斷面采用襯砌材料,工程設計渠道斷面形式采用梯形斷面。根據以上原則及項目區具體情況,擬定如下幾個方案,見圖1～圖3。

圖1 方案一設計斷面

①方案一梯形斷面底板12 cm、邊坡10 cm 現澆砼板。

②方案二梯形斷面12 cm 底板現澆板、10 cm 邊坡預制砼板。

③方案三梯形斷面底板12 cm 現澆砼板、邊坡水位線以下10 cm現澆砼板,水位線以上利用5 cm厚舊板（原預制板）。

圖2 方案二設計斷面

圖3 方案三設計斷面

方案一：底板、邊坡均現澆板,渠道投資較方案三高,渠線位于農區,施工受灌溉影響大,施工工期緊,渠道安全性高,防滲效果好。

方案二：底板現澆板,邊坡預制板,渠道投資高,渠線位于農區,渠堤植物根系發達,預制板間勾縫質量不易保證,植物根系易頂出,渠道邊坡破壞嚴重,達不到渠道防滲效果。

方案三：底板現澆板,邊坡水位線以下現澆,以上預制舊板鋪設,渠道投資較方案一、二低,渠線位于農區,施工受灌溉影響大,施工工期緊,施工工序較其它方案復雜。另渠道上部利用預制舊板,舊板砼強度為150 號,無防凍、防滲要求,建設標準低,質量不易保證。

設計綜合考慮工程的實際情況以及資金情況,渠道襯砌采用兩種方式,對于渠道3+500～4+434段由于其位于渠道上段,該段為險工險段,運行過程中經常出現渠堤跨塌破壞情況,每年灌溉季節運行單位需投入大量人力、物力進行護堤、巡堤,本次設計采用方案一,渠道4+434～23+800 段采用方案三。

3 結語

渠系改造設計中,比選分析不同方案時應堅決貫徹工程改建這一屬性,在盡量不擾動原有選線和建筑物布點的前提下,重點考慮工程技術、占地和造價因素,以渠道水流流態良好,防滲和穩定滿足規范要求為基礎,綜合確定其縱橫斷面和襯砌方案,確保灌區改造效益得到充分發揮。