新疆瑪納斯河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程東岸大渠橫斷面設(shè)計分析

葉 軍

(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

瑪納斯河灌區(qū)是新疆乃至全國有名的大型先進(jìn)灌區(qū)，為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。由于工程建設(shè)初期國力所限，基礎(chǔ)資料系列短，造成工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，在經(jīng)過近50年的超負(fù)荷運(yùn)行后，工程老化問題日趨嚴(yán)重，很大程度上制約了當(dāng)前灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。為了充分、合理地利用瑪河灌區(qū)的水、土、光、熱資源，以改變目前的不利局面，對灌區(qū)的重點水利工程尤其是對于控制整個灌區(qū)的東岸大渠節(jié)水改造是十分必要和迫切的。

1 工程概況

瑪納斯河(下文中簡稱瑪河)流域位于新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的核心地帶。本次改建的瑪河過河渡槽位于瑪河紅山嘴渠首下游9.0 km處，河段處于沖洪積平原區(qū)，河道縱坡10‰左右，河流出山口(紅山嘴)后，形成了漫灘型河床，河槽寬淺，主河槽散亂，主流搖擺不定，左、右岸形成多級階地，流速較大，沖淤變化劇烈，遇洪水容易泛濫成災(zāi)。

東岸大渠是瑪河灌區(qū)的主動脈。8+030.71～8+855.1段：位于瑪河?xùn)|側(cè)的河漫灘上，巖性為第四系沖積堆積卵礫石層，以圓礫為主，層頂高程538.58 m～545.22 m。

2 東岸大渠橫斷面設(shè)計分析

2.1 工程規(guī)模及建筑物等級復(fù)核

(1)灌水率

瑪河灌區(qū)灌溉面積為316.3萬畝，由于7月份是灌水高峰期，因此選用其平均值確定灌溉率。瑪河下游灌區(qū)的設(shè)計灌水率為0.31 m3/(s·萬畝)～0.33m3/(s·萬畝)。

(2)第一總閘進(jìn)水閘設(shè)計引水流量初定

①第一總閘設(shè)計總供水能力

第一總閘設(shè)計流量計算公式：

Q1=Aqs/ηs

式中：Q為渠道的設(shè)計流量，m3/s；qs為設(shè)計灌水率，m3/(s·萬畝)，本項目區(qū)為0.31 m3/(s·萬畝)；As為該渠道控制的灌溉面積，本工程為316.3萬畝；ηs為該續(xù)灌渠道至田間的灌溉水利用系數(shù)，為0.71。

通過上述計算，可知瑪河第一總閘引水流量為138.10 m3/s，即：要滿足灌區(qū)的灌溉要求，第一總閘的引水量應(yīng)達(dá)到138.10 m3/s。

②水庫調(diào)節(jié)供水能力

灌區(qū)需水量最大的月份為7月份，因此，需要分析水庫在6月底時的水庫蓄存水量，以此確定在7月份時平原水庫的調(diào)節(jié)供水能力。

以P=75%頻率時流域瑪河來水量和目前流域水利工程現(xiàn)狀資料為基礎(chǔ)，進(jìn)行P=75%年份灌區(qū)供需平衡分析計算。供需平衡分析結(jié)果表明，在P=75%年份，6月底時平原水庫總蓄水量為22199萬m3，扣除平原水庫死庫容11590萬m3，在7月份水庫的可調(diào)節(jié)水量為10609萬m3，折合流量約為39.60 m3/s。

根據(jù)上述分析，要滿足全灌區(qū)用水的要求，第一總閘設(shè)計引水能力應(yīng)為Q設(shè)=138.10+4.0-39.60=102.50 m3/s(供水流量為4.0 m3/s)。目前東岸大渠起點第一總閘設(shè)計流量為105 m3/s>102.50 m3/s(灌區(qū)所需設(shè)計流量)，因此第一總閘設(shè)計流量為105 m3/s，滿足灌溉要求。

根據(jù)工程實際情況，瑪河?xùn)|岸大渠第一總閘主要包括三部分：進(jìn)水閘、渡槽分水閘、電站引水閘。其中進(jìn)水閘是東岸大渠的起點，而電站發(fā)電后產(chǎn)生的水在渠樁號8+872.6處進(jìn)入東岸大渠。因此，東岸大渠的最大設(shè)計流量=Q第一總閘-Q紅山嘴處渡槽=105-14=91 m3/s。東岸大渠各節(jié)點流量分配見圖1。東岸大渠各段設(shè)計流量及改造情況見表1。

表1 東岸大渠各段設(shè)計流量及改造情況統(tǒng)計表

圖1 東岸大渠節(jié)點流量圖

通過上述計算分析，本次東大渠改造段(8+030.71～8+855.1)設(shè)計流量=Q第一總閘設(shè)計-Q電站發(fā)電-Q紅山嘴渡槽=105-26-14=65 m3/s。考慮工程安全等因素，取加大流量71.5 m3/s。

依據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL 18-2004)，該工程規(guī)模為大型，工程級別為3級，主要建筑物渠道為3級，渠道為3級建筑物。

2.2 渠道橫斷面設(shè)計

(1)線路選擇

東岸大渠全程總長17.2 km，本期改造段為8+030.71～8+855.1段，其左側(cè)為河漫灘、林帶，右側(cè)伴行石紅公路及電站尾水渠。現(xiàn)有渠線較為順直，若改變原有線路，會因原有建筑物影響，加大投資。因此，本期改造渠線仍沿用原渠線。

(2)參數(shù)選取

①邊坡系數(shù)

東大渠改建段的老渠現(xiàn)狀斷面因運(yùn)行已不規(guī)則，經(jīng)測量，其邊坡系數(shù)為1∶1.5～1∶4，底寬8 m。改建段渠道斷面與老渠道斷面基本相似，根據(jù)回填量最少原則,確定改造段渠道邊坡系數(shù)為1∶1.85、1∶2.6。

②糙率

本次渠道設(shè)計中渠道邊坡襯砌采用現(xiàn)澆混凝土板斷面，渠道底部采用漿砌石，糙率采用綜合糙率。依據(jù)相關(guān)規(guī)范，現(xiàn)澆砼板糙率為0.015，漿砌卵石糙率為0.025。

n=(n1x1+n2x2)/(x1x2)

式中：n1為現(xiàn)澆砼板糙率；n2為漿砌卵石糙率；x1為現(xiàn)澆混凝土板邊坡的濕周長度；x2為渠道底板漿砌卵石的長度。

(3)襯砌材料選擇

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，東大渠改造段地層具有中等透水性，現(xiàn)狀渠道邊坡及底板均為干砌卵石，只有防沖刷作用，不具備防滲作用，因此，本次改造的襯砌材料應(yīng)該同時具備防沖和防滲兩種作用，考慮現(xiàn)澆混凝土板和漿砌卵石襯材，但該渠道流速較大，若全斷面采用現(xiàn)澆混凝土，可能存在超過規(guī)范允許的混凝土板的不沖流速問題，因此，本次對現(xiàn)澆混凝土邊坡+漿砌卵石底板、漿砌卵石方案兩種方案進(jìn)行比較(見表2)：①現(xiàn)澆混凝土邊坡+漿砌卵石底板，渠道底部襯砌結(jié)構(gòu)為在原有渠道的干砌卵石層上面再砌筑30 cm厚的漿砌卵石護(hù)面；邊坡襯砌結(jié)構(gòu)為在原有渠道的干砌卵石層上進(jìn)行C10混凝土找平層，后再采用15 cm厚混凝土進(jìn)行護(hù)面。②漿砌卵石方案，在原來的斷面上砌筑C20細(xì)粒混凝土砌卵石，厚度30 cm；渠道底寬和邊坡系數(shù)維持原有渠道參數(shù)。

表2 兩方案技術(shù)、經(jīng)濟(jì)對比表

通過表2可以看出，兩方案都可以很好地滿足工程運(yùn)行要求，而且投資的額度也相差不大。但現(xiàn)澆混凝土邊坡+漿砌卵石底板方案的施工相對簡單，進(jìn)度快，對工程有很好的保證；而漿砌卵石方案則需要大量的卵石，其采集困難，使得施工速度會相對較慢，質(zhì)量也不易控制。綜合實際情況，推薦采用底板漿砌卵石+邊坡現(xiàn)澆混凝土板方案。

(4)渠道水力計算

渠道的水力計算采用明渠均勻流公式[1]。具體計算結(jié)果見表3。

表3 東岸大渠改建段水力計算表

(5)渠道岸頂超高

東岸大渠為3級建筑物，渠道超高按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001)確定：

Y=R+e+A

式中：Y為岸頂超高，m；R為最大波浪在壩坡上的爬高，m；A為安全加高，m。

3級建筑物，正常情況下取0.7 m，非常情況下取0.5 m。

式中：e為計算點處的風(fēng)壅水面高度，m；D為風(fēng)區(qū)長度，m；K為綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；β為計算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角，(°)。

浪的平均波高和平均波周期采用莆田試驗站公式：

式中：Tm為平均波周期，s；hm為平均波高，m；W為計算風(fēng)速，m/s；Hm為水域平均水深，m。

計算風(fēng)速在非常運(yùn)用條件下，采用多年平均年最大風(fēng)速，在正常運(yùn)用條件下，采用多年平均年最大風(fēng)速的1.5倍。根據(jù)氣象資料，在灌溉期對本條最不利的西風(fēng)，最大風(fēng)速可達(dá)16 m/s。

岸頂高程等于渠道靜水位與渠道岸頂超高之和，渠道岸頂超高按以下三種工況計算，取其最大值[2]：①設(shè)計水位+正常運(yùn)用條件的岸頂超高。②校核水位+非常運(yùn)用條件的岸頂超高。③設(shè)計水位+非常運(yùn)用情況的岸頂超高+地震安全加高。

非常運(yùn)用情況的壩頂安全超高取0.4 m，地震安全加高取0.4 m。東岸大渠超高計算結(jié)果見表4。

表4 東岸大渠超高計算結(jié)果表

3 結(jié)論

(1)8+030～8+250段進(jìn)行全面拆除重建。改造后的渠深2.6 m，底寬8 m，邊坡系數(shù)1.85,底板襯砌結(jié)構(gòu)為C20細(xì)礫混凝土砌筑的30 cm厚漿砌卵石護(hù)面；邊坡襯砌結(jié)構(gòu)為15 cm厚現(xiàn)澆混凝土(C20，F(xiàn)200，W6)護(hù)面，砂礫石找平。

(2)8+250～8+855.1段渠道改造后為底寬8 m，深2.4 m～2.6 m，邊坡系數(shù)左1.85、右2.6,原有襯砌材料不變，渠道底板襯砌為在原有干砌石層上砌筑30 cm厚漿砌石；邊坡襯砌為在原有干砌石層上先采用C10混凝土找平，后砌筑現(xiàn)澆混凝土(C20，F(xiàn)200，W6)護(hù)面，厚15 cm。