呼圖壁河青年干渠段現狀評價與河道改造方案研究

謝 軍

(新疆維吾爾自治區昌吉回族自治州呼圖壁河流域管理處，新疆 呼圖壁 831200)

呼圖壁縣位于天山中段北麓，準噶爾盆地南緣[1]，是呼圖壁河流域政治、經濟、文化的中心。呼圖壁河發源于天山北坡東段喀拉烏成山，屬冰雪融水及降水補給為主的河流，其徑流分布極不均勻，最大年徑流與最小年徑流量的比值為1.8左右。青年干渠灌區屬呼圖壁河流域四大一級灌區之一，承擔著干渠流域居民及其生產建設用水需求。在地貌上處于呼圖壁河右岸河床及Ⅰ、Ⅱ級階地上。河床寬約800 m，地面坡降8‰～10‰，河道較順直，水流速度較快。由于岸坡不均勻的植被覆蓋程度和流域下墊面疏松的地質條件，河床長期遭受構造剝蝕作用及微弱的片流洗刷作用，使地面地形平緩隆起形成丘陵狀。為使水資源發展適應新時代國家和地區發展的需要，急需要對青年干渠段進行改造，以推動構建流域地區水治理體系和治理能力現代化。本次改建渠道為青年干渠樁號10+976～13+500，共計2.524 km，此段渠道全斷面均為干砌卵石灌漿防滲，見圖1。因渠道縱坡較大，部分襯砌現已多處被淘蝕，運行多年，由于凍融、破損等原因，渠道高低不平，嚴重影響了下游灌區的灌溉需求。

圖1 河床上干砌卵石淘蝕示意圖

1 青年干渠段現狀評價

1.1 地質條件

根據勘探孔揭露，青年干渠段地層巖性為卵石混合土(渠道表層分布有0.3 m的粉土層，干燥、松散)，青灰色，巨厚層，卵礫石骨架呈交錯排列，部分接觸，磨圓度較好，不均勻系數Cu為60～204，曲率系數Cc為2.4～11.1，可見最大粒徑20 cm～25 cm，一般以6 cm～8 cm居多，屬級配不良的礫石，其顆粒級配見表1。卵礫石天然密度為2.10 g/cm3，重型動力觸探擊數為8擊，相對密度0.45；稍密狀，天然休止角38°，承載力特征值300 kPa，滲透系數2.0×10-2cm/s～3.8×10-2cm/s，屬于強透水層。

表1 青年干渠段各礫石粒徑顆粒級配含量表

呼圖壁河流域在地質構造單元上，南部中高山區屬北天山優地槽褶皺帶中的依連哈比爾尕復背斜，低山丘陵區和山前沖洪積傾斜平原區屬烏魯木齊山前拗陷帶，北部沖積平原及沙漠屬準葛爾凹陷區。受區域構造控制，呼圖壁河流域區域構造較發育，表現為南部中高山區上升遭受剝蝕，北部平原區相對下降接受沉積，在構造形跡上表現為褶皺和斷裂。

施工區在構造上位于北天山優地槽褶皺帶(113)中的烏魯木齊山前坳陷(1136)內，根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306-2015)[2]，青年干渠工程場區地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度0.2 g，區域穩定性相對較好，規定本工程建筑物地震設防烈度為8度。

1.2 渠道工程地質問題評價

1.2.1 邊坡穩定性評價

渠基土巖性為卵礫石層，稍密狀，工程地質條件較好，建議渠道開挖邊坡1∶1～1∶1.25。該段渠道應以挖方為主，最大挖深為2.5 m。

1.2.2 渠基土凍脹性評價

依據顆分試驗成果：該段渠線地基土中小于0.075 mm的顆粒含量在2.1%～4.8%之間。小于10%，屬非凍脹性土。

1.2.3 區段地基土及水腐蝕性評價

根據文獻[3]巖土腐蝕性評價的規程分析確定：場地環境類型為Ⅰ類，地基土中檢驗的SO42-最大值434 mg/kg，標準規定SO42-位于200×1.5 mg/kg～500×1.5 mg/kg之間的地基土具有弱腐蝕性；檢驗的CL-最大值119 mg/kg，小于標準中的400 mg/kg。綜上，地基土對混凝土結構具弱腐蝕性，對混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。綜合評價，地基土對建筑材料具弱腐蝕性。

1.2.4 環境水腐蝕性評價

本次勘察采取河水水樣6組進行室內化學分析。依據文獻[4]中的規定，評價青年干渠環境水對混凝土的腐蝕程度。環境水對混凝土腐蝕性評價見表2，注意表中環境水進行化學分析的離子的濃度均為試驗的最大值。從表中可以看出，所取樣的六種試驗環境水，其水質分析中各離子含量相比于標準腐蝕離子含量均較低，由此可見環境水對普通水泥均不具有腐蝕性。綜合評價：環境水對混凝土無腐蝕性。

表2 環境水對混凝土腐蝕性評價表

1.2.5 渠道滲漏

青年干渠段場區地層巖性主要為卵礫石，其滲透系數k=2.0×10-2cm/s～3.8×10-2cm/s，滲透性強，該區地下水埋深較深，遠小于渠底高程，渠水以垂直滲漏為主。因此可根據下式估算單位長度上的滲透量：

q=k(B+H0C)

(1)

式中：k為滲透系數0.72，m/d；B為渠道水面寬度，取9.0 m；H0為渠道水深，取1.54 m；C與B/H0有關的系數，取2.5。

將以上參數帶入公式(1)，經計算單位渠道長度上的滲透量近9.3 m3/d。

2 青年干渠改造方案

2.1 青年干渠工程設計規模

2.1.1 設計水平年和設計保證率

現狀水平年2014年，設計水平年2017年，灌溉設計保證率75%。

2.1.2 復核干渠引水規模

青年干渠設計引水流量采用續灌渠道計算公式確定[5]：

Q=Aa/η

(2)

式中：Q為灌溉設計流量，m3/s；A為設計灌溉面積，萬畝；a為設計灌水率；η為灌溉水利用系數

當前改造的青年干渠段樁號為10+976～13+500，此段渠道為青年干渠的首段，現狀控制灌溉面積94.9萬畝；設計水平年灌溉面積98.53萬畝。根據呼圖壁縣水利部門的實測資料表明，呼圖壁河灌區干、支、斗、農四級渠道的利用率現狀水平年(2014年)分別達到0.88、0.89、0.94和0.96，青年渠首灌區渠系水利用系數達0.74。灌區渠系水利用系數見表3。

表3 青年渠首灌區渠系水利用系數表

根據表3，取灌區灌溉水利用系數為0.59，灌區設計灌水率0.273(取規劃水平年灌水率圖6月10日～7月20日之間的平均值)，因此青年干渠設計引水流量Q為45.0 m3/s，加大引水流量為Q至50 m3/s。按照文獻[6]規定，此段渠道工程規模屬大型，工程等別為3等。

2.2 渠道地基方案

為加快工程的施工進程，節省工程投資，應在滿足技術要求的前提下，盡可能的就地選取建筑材料。青年干渠段施工區大多處于河流附近，河床和階地中的砂卵礫石為渠道改造提供了豐富的天然建筑材料。經研究分析，本工程所需的天然建筑材料主要為砂礫料、混凝土粗、細骨料及卵石料。為判斷施工區附近的天然建筑材料是否滿足工程指標，就地采集施工區附近的天混凝土用粗骨料(礫石)在實驗室進行試驗分析，其試驗結果見表4，并列出了混凝土用粗骨料(礫石)應滿足的設計標準技術要求。由表可知，青年干渠段的天然建筑材料指標均滿足設計工程需要，可以就地采集。

表4 混凝土用粗骨料(礫石)試驗指標與質量技術要求對比表

除此之外，對混凝土用粗骨料(礫石)進行顆粒分析試驗，結果顯示：料場中混凝土粗骨料礫石(150 mm～5 mm)含量為70.2%，混凝土細骨料砂(小于5 mm)含量為29.8%，儲量滿足設計的需求量。青年干渠基地層巖性為卵石及圓礫層，卵石承載力特征值按fak=300 kPa，變形模量按E0=30 MPa；圓礫承載力特征值按fak=250 kPa，變形模量按E0=25 MPa。同時，工程所需的砂礫料可在呼圖壁河河道中開采，施工區河床寬闊，地形較平坦，有利于機械化開采，交通較便利，其中水上開采深度1.0 m～1.5 m，水下開采深度2 m～3.0 m，開采區運往施工區的平均運距約為2 km～20 km。

綜上分析，本次青年干渠改造渠道段可采用天然卵礫石作為地基礎持力層，基礎開挖至設計標高后進行夯實，控制相對密度不小于0.75。

2.3 渠道設計方案

2.3.1 渠線選擇

青年干渠運行多年，渠道防滲材料雖然破損較嚴重，但現有渠線基礎已處于穩定狀態。本次改造工程通過現場踏勘和業主單位商議，考慮青年干渠多年運行狀況，干渠改造渠線仍然沿原渠線進行，只是對渠道防滲材料進行改造。

2.3.2 渠道縱斷面設計

根據現狀青年干渠實際縱坡以及結合擬定的襯砌方式，對本次改造青年干渠縱坡進行部分調整，同時滿足渠道襯砌材料的不沖不淤條件。樁號10+976～13+500段渠道設計縱坡為0.012～0.013。

2.3.3 渠道橫斷面設計

(1)橫斷面型式

根據渠道沿線工程地質情況，渠道沿線均位于河床二級階地上，渠堤及渠底下均為砂卵石層，渠道的內外邊坡均為砂卵石土。根據渠道多年運行情況及為了減少舊渠道的拆除方量，內外邊坡系數確定與原渠道相同，均為1∶1.5。

原干渠橫斷面為干砌卵石襯砌，梯形斷面。為縮短施工工期，同時降低渠道造價，本次設計橫斷面仍采用梯形斷面型式。

(2)渠道橫斷面襯砌材料方案選擇

根據渠道的縱坡情況、工程地質以及渠道防滲技術規范對各項設計指標的要求，結合渠道近40年的運行情況，對渠道過水斷面提出以下要求：一由于渠道縱坡較大，上游可能進入渠道的泥沙甚至卵石較多，因此要求渠道過水斷面能夠抗沖、耐磨、抗砸及減緩水流流速。為了減小流速，增大糙率，故宜采用漿砌石或座漿干砌卵石灌漿襯砌，且應為寬淺式斷面；二由于老渠床為干砌卵石襯砌，運行多年老化損壞嚴重，為了減少渠道挖填方量，本次設計要求在不影響設計渠底線的情況下，全部拆除原渠道襯砌，維持原渠道縱坡及渠底寬度不變，只全面更新渠道襯砌，局部加高渠堤，利用老渠床作為新渠道的基礎，使渠道更加穩定；三是呼河灌區經過這幾年改造工程，卵石資源也越來越匱乏，為確保施工工期，本次改造渠道底板采用座漿干砌卵石灌漿，邊坡采用砼板護砌。

(3)渠道基礎抗凍脹計算

根據本階段工程地質渠道沿線渠基土顆分試驗成果，本次改造段渠線渠基土中<0.075 mm的顆粒含量在3.8%～6.0%之間，小于10%，屬非凍脹性土。本次渠道防滲改造工程在襯砌材料方面不做防凍脹設計。

(4)渠道水力計算

按明渠均勻流計算渠道水深，采用的水力學計算公式為：

(3)

式中：Q為渠道設計流量，m3/s；A為渠道過水面積，m2；C為謝才系數；i為渠道設計縱坡。

公式中計算所需的渠道糙率n，可根據多年的測流數據推算確定該襯砌渠道的糙率，在此取0.0275較為合適，混凝土現澆板糙率n取0.017。水力計算公式中詳細的設計參數見表5。

表5 呼圖壁河青年干渠改造段渠道水力計算要素表

由表5可知，設計流量為30 m3/s，加大流量至33 m3/s。渠底寬度7 m，設計縱坡0.013，設計內邊坡1∶1.5，加大水深0.6 m～1.0 m，渠深2 m。渠道底部為干砌卵石灌漿襯砌，襯砌厚度為0.25 m；渠底以上邊坡0.3 m高度，采用厚0.25 m C20F200W6細石砼漿砌石，其余邊坡采用C20F200W6砼板襯砌，襯砌厚度12 cm，砼板底部設20 cm厚砂礫石墊層。渠道頂部設現澆砼封頂板，板寬30 cm，厚6 cm，每隔2.5 m設置一道伸縮縫，縫寬2 cm，采用水泥砂漿填縫。干砌卵石要求最好采用鵝卵形，卵石要求質地堅硬，未風化，且大頭朝下，長邊垂直于水流方向，卵石之間必須保證六邊靠、三角眼，最后用細石混凝土灌縫并原漿勾縫。

2.3.4 渠道襯砌分縫設計

為防止渠道在運行過程中變形沉降，渠道襯砌部分需設置分縫材料。渠道干砌卵石灌漿每隔10 m設置一道橫向伸縮縫，縫寬0.02 m，內填高壓閉孔板。渠道砼混凝土板分塊2.5 m×2.5 m，縫寬0.02 m，采用高壓閉孔板分縫。

3 結語

傳統的水利發展方式已難以適應新時代對水資源的要求，需要盡快轉變水能發展方式，構建現代水資源體系化和治理能力現代化，實現人與水環境和諧共生的新局面。呼圖壁河青年干渠段由于長期受河水的沖刷和淘蝕，已難以滿足新時代節水、用水和治水的方針，亟待進行灌區渠道改造。本文首先評估了青年干渠段現有的地質條件和施工條件，然后研究了青年干渠段工程地基和渠道的改造方案，節省了工程投資，滿足了渠道設計規模要求，初步建立水利工程現代化，可為同類型工程建設問題提供一定的參考。