弧底梯形明渠在某中型灌區續建與改造中的應用

李向春，黎雪君

（新疆石河子職業技術學院,新疆 石河子 832000）

1 工程概況

某中型灌區于1971 年開工建設設備老化,超期運行,提水量達不到設計要求；另一方面是由于缺乏維修資金等造成大部分干渠、支渠和渠系配套建筑物嚴重老化變形,渠道滲漏損失嚴重,灌溉水利用率較低,水量浪費較大。灌區自2000 年以來,進行了灌區續建與節水改造、泵站及配套改造等,總干渠改造已基本完成。文章主要從灌區內1#～4#干渠存在的問題出發,進行灌區節水改造建設。

2 干渠現狀及存在的問題

2.1 渠道現狀過流能力不足

灌區內1#干渠原設計流量范圍為1.54 m3/s～0.84 m3/s,2000 年灌區續建改造中,大泵改造后設計流量為1.47m3/s～0.84 m3/s,加大流量為1.9 m3/s～1.05 m3/s[1]；2#干渠原設計流量范圍為2.89 m3/s～1.0 m3/s,大泵改造后設計流量范圍為2.93 m3/s～0.93 m3/s,加大流量范圍為3.81 m3/s～1.25 m3/s[2]；3#干渠現狀設計流量范圍為1.38 m3/s～0.6 m3/s,大泵改造后設計流量范圍為1.39 m3/s～0.73 m3/s,加大流量范圍為1.81 m3/s～0.98 m3/s；4#干渠原設計流量2.45 m3/s,大泵改造后設計流量為2.77 m3/s,加大流量為3.39 m3/s。各干渠現狀流量與大泵改造后流量對比見表1。

表1 工程各干渠流量對比表

由表1 可知,各干渠原設計流量均小于大泵改造后加大流量,經復核計算,現狀渠道超高均不滿足,為滿足大泵改造后各干渠過流能力,總干渠及1#～4#干渠均需改建。但因本次續建配套資金所限,加上總干渠在2009 年灌區續建配套中已改建,現狀渠系運行較好,本次僅對1#～4#干渠中,破損嚴重、影響工程正常運行的渠道進行改建,改建各干渠設計的引水流量與大泵改造后流量相匹配,以此進行渠道及渠系建筑物斷面尺寸擬定。

2.2 1#～4#干渠病險現狀

本次續建配套和節水改造中,相關人員對1#～4#干渠沿線進行現場調查,對干渠病險現狀梳理如下：

（1）1#干渠：明渠總長19.199 km,斷面形式為平底梯形,采用C15 砼預制塊襯砌,渠線布置于野糜溝兩岸階地上,渠基巖性為洪積黃土和馬蘭黃土,渠道沉降嚴重,大部分渠段沉降量達80 cm～100 cm,局部預制板已滑落失效,大多數明渠原防滲材料腐爛變形,失去防滲作用,再加渠道淤積嚴重,部分渠段淤積深度達60 cm～80 cm 左右,嚴重影響干渠安全正常運行。根據現狀渠道破損及淤積狀況,明渠拆除重建9.48 km。

（2）2#干渠：明渠總長10.55 km,斷面形式為平底梯形,渠線通過的主要地層巖性為第四系風積馬蘭黃土和人工堆積素填土,其主要工程地質問題是地基土的濕陷性問題與渠道的滲漏、凍脹問題,該段渠道運行40 多年來沉降量較大,約60 cm～80 cm,部分渠道凍脹破壞、預制板塊滑落,泥沙淤積嚴重,淤積深度達50 cm～60 cm。根據現狀渠道破損及淤積狀況,本次選擇明渠拆除重建0.735 km。

（3）3#干渠：平底梯形渠總長19.87 km,渠線布置于關川河左岸Ⅱ、Ⅲ級階地上,經過40 多年的運行,渠道已有不同程度的凍脹破壞變形、老化,渠線通過的主要地層巖性為第四系洪積黃土狀土、沖洪積砂礫石、坡洪積黃土狀土、人工堆積等,干渠主要工程地質問題是地基土的濕陷性問題與渠道的滲漏、凍脹問題。本次選擇改造干渠13.715 km 拆除重建。

（4）4#干渠：平底梯形明渠總長12.82 km,渠線布置于祖厲河右岸Ⅲ級階地前緣與Ⅱ級階后緣的交匯部位,主要工程地質問題是地基土的濕陷性與渠道的滲漏、凍脹問題,特別是東西向渠道的凍脹破壞問題尤為突出。2002 年～2009 年續建項目中已全部改造,但由于受資金限制,僅僅是簡單的翻襯,對渠道基礎未進行徹底處理,經過10 多年的運行,樁號3+013.0～4+665.9 m 段已嚴重破壞,不能正常使用,本次選擇拆除重建該段,長1.65 km。

3 干渠改造方案

本文對灌區內4 條干渠破損嚴重段及其建筑物進行拆除改建,其中1#干渠9.48 km、2#干渠0.735 km、3#干渠13.715 km 及4#干渠1.65 km。

3.1 改造原則

該灌區經多年運行,現狀骨干渠系較為完整,渠系布置基本合理。本次實施方案以灌區節水為目標,以解決工程安全運行為根本,對灌區骨干渠道參照工程設施調查評價結果,分段確定改造任務,解決灌區“卡脖子”問題。根據研究現狀渠道的破損機理,查找渠道破損的具體原因,初步擬定在維持現有渠系布置、渠線不變的前提下,以原址拆除重建為主。

3.2 弧底梯形明渠斷面尺寸

為適應凍脹和濕陷變形等因素引起的渠道變形,此次改建設計將原平底梯形斷面改為弧底梯形斷面,該種斷面具有水力條件好,適應凍脹變化較均勻的顯著特點,省內改建工程中普遍推廣采用,該中型灌區在2002 年～2009 年的續建節水改造項目中翻襯的渠道斷面全部采用了這種形式,目前運行較好。

依據現狀明渠斷面尺寸,初步擬定弧底梯形明渠底弧半徑R=100 cm,邊坡系數1.5,砼預制板襯砌渠道糙率取n=0.017,同時確保與已改造渠道的上下游水面線平順連接,按照上述參數用明渠均勻流公式計算各段渠道斷面的水力要素。1#～4#干渠部分斷面結構尺寸見表2。

表2 1#～4#干渠部分斷面結構尺寸表

3.3 安全超高計算

渠道安全超高計算依據《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-2018）的規定的渠道安全超高公式進行計算[3]。經計算,1#干渠改建段弧底梯形渠道安全超高為0.45～0.48,2#干渠改建段弧底梯形渠道安全超高為0.49～0.52,3#干渠改建段弧底梯形渠道安全超高為0.37～0.42,4#干渠改建段弧底梯形渠道安全超高為0.58。

3.4 堤頂寬度確定

渠道在運行中既要考慮運行安全,也要考慮方便管理,因此設計人員在渠道設計時要考慮足夠的堤頂寬度,堤頂寬度按下式計算：

式中：D 為堤頂寬度,m；hj為渠道通過加大流量時的水深,m。

經計算1#干渠改建段弧底梯形渠道堤頂寬度為1.46 m～1.58 m,2#干渠改建段弧底梯形渠道堤頂寬度為1.49 m～1.8 m,3#干渠改建段弧底梯形渠道堤頂寬度為1.18 m～1.32 m,4#干渠改建段弧底梯形渠道堤頂寬度為2.04 m。

3.5 橫斷面設計

根據凍脹要求和實際運行經驗確定襯砌型式為：弧底砼板厚8 cm～10 cm,渠坡采用混凝土預制板,厚度為63 mm,其下依次為30 mm 厚M10 水泥砂漿（主要作用是找平層）,復合土工膜（一布一膜,膜材厚度0.2 mm,單位面積質量200 g/m2）,砂礫石墊層厚400 mm～600 mm,渠頂兩側設300 mm 寬、63 mm厚的現澆C20 砼封頂板[4-5], 每5 m 設置一道伸縮縫, 縫寬3 cm,縫內上部填塞3 cm 厚聚氯乙烯膠泥,下部填注鋸末水泥砂漿[6]?；〉滋菪吻脑斓湫蜋M斷面設計圖見圖1。

圖1 弧底梯形渠改造典型橫斷面設計圖

3.6 基礎處理

從灌區已實施改造段的施工開挖情況看,個別砂碎石渠基存在灌溉回歸水回滲問題,局部基坑滲水量較大,可達0.2 L/s～0.5 L/s,個別渠基土軟化。根據原地質勘探,地下存水僅為灌區灌溉水,含水量僅僅和砂巖上部的砂碎石厚度有關,但局部對地基承載力和施工影響較大,施工時必須處理。處理方法是：先鋪一層厚50 cm 的大塊石,用振動碾將塊石壓入軟土中,然后用小一點的塊石用振動碾碾壓入擠入,每次30 cm 厚,根據擠密效果決定擠入層數,最后塊石層上面用30 cm 厚砂碎石覆蓋,然后反復碾壓；要求砂礫石相對密實度≥0.65。根據已施工段經驗,塊石層一般厚度在1.1 m 左右,施工時按照具體處理情況調整。

3.7 凍脹問題處理措施

灌區處于寒冷區,負氣溫及凍結指數相對較小,總干渠大部分渠段土壤地下水埋深大,無地下水補給,凍結期運移的水分僅是渠基土壤儲存水分,運移量少,運移范圍小。由于補給相對較小,容易通過排水措施降低含水率。因此,渠道的抗凍脹改造,主要通過降低渠基土壤含水率進行,通過對渠基土壤進行砂礫石置換,增強排水能力,降低了渠基含水率。同時,砂礫石在各類土中凍脹性最弱,置換還大大降低了渠基對凍脹的敏感性。通過對灌區內已改造工程的了解,渠道進行砂礫石換基后,起到了明顯的抗凍脹效果,實施十幾年來,相關渠道未發生凍脹破壞。本次改造也將積極參考一、二期已改造渠道的經驗,東西走向的渠道,陰坡的凍深會明顯大于陽坡,坡面溫度也更低,改造方案將加強陰坡換填厚度。

4 結論及建議

節水改造工程中渠道的改造完成,將能提高灌區運行的安全性,提高渠道的輸水效率,減少水量及能源的消耗,滿足灌區農業生產發展和人民生活用水增長的需要,推動和加快灌區農村、農業建設的進程、促進生態環境的改善等方面起到非常重要的作用。渠道改造工程于2022 年5 月完工,改造后效果顯著,后期將為灌區農業灌溉節水提供重要保障。