新時(shí)代坎兒井設(shè)計(jì)理念在渠首改建工程中的應(yīng)用與研究

俞曉燕

（塔城地區(qū)水務(wù)集團(tuán)有限公司,新疆 塔城 834700）

1 工程概況

阿合奇縣阿勒克木渠首改造工程位于新疆阿合奇縣阿克窩鐵克蘇河上,距阿合奇縣城24 km。阿克窩鐵克蘇河年徑流量為0.144×108m3,原有渠首引水工程年久失修,泥沙淤積嚴(yán)重,引水量逐年下降,已不能滿足項(xiàng)目區(qū)生產(chǎn)需要,需對(duì)渠首進(jìn)行改建。

本次渠首改建工程設(shè)計(jì)引水流量為0.65 m3/s。工程規(guī)模為小（2）型,工程等別為Ⅳ等。根據(jù)SL 252-2017 的規(guī)定,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇,洪峰流量為125 m3/s,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇,洪峰流量為203 m3/s。工程建設(shè)內(nèi)容包括改建引水渠首一座,新建輸水管線1.10 km 等。本工程建成后引水效果較好,解決了現(xiàn)狀渠首引水不足、管理不便等難題。工程將實(shí)用新型專利：建筑在中小河流山區(qū)河段的坎兒井式地下水庫（ZL 202011094617.6）[1]應(yīng)用到具體工程上,在推廣新技術(shù)的同時(shí),可為類似工程建設(shè)提供成功經(jīng)驗(yàn)。

2 工程設(shè)計(jì)理念

2.1 工程地質(zhì)

阿克窩鐵克蘇河渠首河段現(xiàn)代河床寬80 m～120 m,兩岸發(fā)育完整,岸坎陡立,高出河床20 m～100 m,河道縱坡30/1000 左右,現(xiàn)代河床地層為二元結(jié)構(gòu),第一層為Q4砂礫石,厚8 m～10 m,滲透系數(shù)98 m/d,第二層為泥質(zhì)膠結(jié)的Q3,弱透水,兩岸亦為泥質(zhì)膠結(jié)的Q3地層。

2.2 設(shè)計(jì)原則與方法

本次總結(jié)現(xiàn)有底欄柵渠首存在的問題和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),設(shè)計(jì)采用如下原則和方法：

（1）考慮到本河道強(qiáng)透水層Q4地層較薄,為了增加“引滲”量,工程的總體布局中采用地下攔河壩,它的工程任務(wù)有二處,其一為截?cái)嗟叵聺摿鱗2],其二是改變河道特性,增加河道水流寬度,以增強(qiáng)該河段地表水轉(zhuǎn)化為地下水的能力。

（2）本工程方案借鑒輻射井取水的優(yōu)點(diǎn),采用在廊道中設(shè)置輻射集水方案。

3 工程總布置

改建引水渠首位于現(xiàn)有渠首上游1100 m 處,由上游集水廊道段、新建渠首組成。通過新建渠首截滲墻截?cái)嗟叵聺摿?輻射管集水匯流至集水廊道中,再通過1100 m 直徑為φ600 mm 預(yù)應(yīng)力鋼筋砼輸水管線將廊道中的水引至現(xiàn)有渠首工程蓄水池中,通過集水池向下游供水。

集水廊道段長500 m,向上游平行于河道布置,集水廊道底位于現(xiàn)狀河床面以下9 m,在集水廊道兩側(cè)設(shè)置輻射管引取潛水及地表水[3]。新建渠首由上游格賓石籠護(hù)底、截滲墻及其頂部防沖蓋板、下游格賓石籠護(hù)坦段組成。

4 渠首方案設(shè)計(jì)

4.1 渠首引水量研究

（1）無地表徑流時(shí)的流量研究

阿克窩鐵克蘇河是一條季節(jié)性河流,枯水期河道無地表徑流,河水以潛流的形式在河道Q4地層中運(yùn)移,按水文地質(zhì)成果分析,由于原渠首的建設(shè),阻斷了地下潛流,地下潛流便在渠首上游以泉水的形式溢出地面,根據(jù)觀測(cè),枯水期泉水溢出流量0.25 m3/s～0.3 m3/s,顯然,兩道地下壩建設(shè)后,無地表徑流時(shí)的流量時(shí),集水廊道的引水量與泉水溢出流量相一致,并且引水流量主要由第二道地下潛壩的集水廊道引出,即總引水流量為0.25 m3/s～0.3 m3/s。

（2）有地表徑流時(shí)的流量研究

1）老渠首取水量分析

當(dāng)有地表徑流時(shí),河道地表水將自動(dòng)向河底的Q4砂礫石地層補(bǔ)給,直到砂礫石層處于飽和,老渠首與改建渠首之間的河道地表所入滲的水量即為老渠首所截取的水量。根據(jù)類似地質(zhì)條件已建工程觀測(cè)的河道垂直滲透系數(shù)為1 m/d～2 m/d,此河道垂直入滲滲透系數(shù)取為1.5 m/d。本河道Q4砂礫石地層較薄,但考慮可能存在河道縱向的有礫石架空結(jié)構(gòu)體,并且工程設(shè)計(jì)時(shí)布置有人工礫石架空結(jié)構(gòu)體,因此,河道縱向地下水潛流的通水能力仍取為0.3 m3/s。改建渠首的存在將使河道變?yōu)槠降诇\寬式河床,河床寬80 m～110 m,水面寬亦將大為增加,老渠首與改建渠首之間約為1100 m,設(shè)地表水流經(jīng)此段河道時(shí)的平均寬度為30 m,滲管長度為200 m,則地表水垂直入滲量為1.5×200×30=27000 m3/d=0.1 m3/s。也就是說當(dāng)河道地表水面寬大于30 m 時(shí),本工程的老渠首取水量即可達(dá)到0.35 m3/s～0.4 m3/s。

2）改建渠首集水廊道的取水量分析

本工程改建渠首集水廊道取水量由兩部分組成,其一是截取原河道的潛流,其流量為0.25 m3/s～0.3 m3/s。其二為地下潛壩上游地表水通過垂直滲透所轉(zhuǎn)化的地下水,本工程的輻射管設(shè)計(jì)水平長度為30 m,所形成的開采漏斗約為1.5×30=45 m,由于集水廊道長500 m,垂直入滲量為1.5×45×500= 33750 m3/d=0.39 m3/s。因此,第二條道集水廊道流量為0.3 m3/s～0.69 m3/s。

由上述分析可知,工程取水流量為0.55 m3/s～0.99 m3/s,可基本滿足需水要求。本工程建成后已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行4 年,實(shí)際引水量達(dá)到設(shè)計(jì)引水流量0.65 m3/s,且引水量穩(wěn)定充沛。

4.2 渠首過洪能力計(jì)算

新建渠首泄洪過流能力采用實(shí)用堰計(jì)算。

（1）實(shí)用堰自由泄流公式計(jì)算：

式中：m為流量系數(shù),堰取0.37；h為堰上水頭,m；b為進(jìn)口處過流堰寬,m；Q1為設(shè)計(jì)泄洪流量,m3/s。

渠首過設(shè)計(jì)洪水時(shí),堰過流125 m3/s,設(shè)計(jì)水深0.79 m。渠首過校核洪水時(shí),堰過流203 m3/s,校核水深1.09 m。

（2）防沖段末端防沖墻深度計(jì)算

防沖段末端水流產(chǎn)生的沖刷值dm計(jì)算如下：

式中：dm為防沖段末端河床沖刷深度,m；qm為防沖段末端單寬流量,1.85 m2/s；［v0］為河床中砂允許不沖流速,0.57 m/s；hm為防沖段末端河床水深,0.5 m。

經(jīng)計(jì)算防沖段末端水流產(chǎn)生的沖刷值dm=2.44 m。

設(shè)計(jì)沖刷坑深度為2.5 m,為防止河道沖刷,在順?biāo)鞣较蚝拥冷佋O(shè)寬110 m,長15 m,厚0.5 m 的格賓石籠。

4.3 渠首結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改建引水渠首由上游集水廊道段、新建渠首組成,新建渠首由上游格賓石籠護(hù)底、截滲墻及其頂部防沖蓋板、下游格賓石籠護(hù)坦組成,見圖1。

圖1 改建引水渠首剖面示意圖

（1）集水廊道

集水廊道段全長500 m,向上游平行于河道修建集水廊道,廊道布置在河道中央,廊道縱坡與天然河道縱坡一致為3.6%,集水廊道在原始河床面以下9 m 的弱透水層上,集水廊道開挖斷面形式為倒梯形,底寬4.8 m,邊坡為1∶1.5,集水廊道為矩形整體現(xiàn)澆C25F200W6 鋼筋砼結(jié)構(gòu),底寬3.0 m,墻高2.5 m,襯砌厚度為0.4m,在廊道下設(shè)置0.3 m 砂礫料墊層。廊道伸縮縫內(nèi)設(shè)止水,止水采用651 止水帶。

順?biāo)鞣较蛟诶鹊纼蓚?cè)側(cè)預(yù)留輻射管孔,輻射孔距池底1 m,間距10 m,輻射管單根長15 m 內(nèi)徑為φ159。暗渠位于廊道兩側(cè)開挖斷面,回填2 層濾料組成,其中最下層為厚2 m中石濾料層（粒徑20 mm

豎井底板縱向長度5 m,寬度3 m,高度12 m,豎井底板襯砌厚度0.8 m,邊墻襯砌厚度0.6 m,橫斷面型式為箱型結(jié)構(gòu),砼采用C25F200W6 襯砌。豎井與上下游連接分縫處設(shè)651橡膠止水帶,并在迎水面設(shè)2 cm 厚的聚氨酯,且用平板橡膠填縫。

（2）新建渠首

新建渠首截滲墻段上游鋪設(shè)寬110 m,長15 m,厚0.5 m的格賓石籠護(hù)底。截滲墻段上部防沖蓋板長4.6 m,堰寬110 m,底板厚0.5 m,蓋板板上游側(cè)設(shè)置底寬0.5 m,深1.0m 的齒墻,蓋板下游側(cè)設(shè)置底寬0.5 m,深3.0 m 的斜坡齒墻。邊墻為C20F200 砼現(xiàn)澆重力式擋土墻,墻高3.5 m,頂寬0.5 m,底寬2.05 m。下部截滲墻深入弱透水層下1 m,寬0.5 m,長115 m,最大深10 m,采用C20F200W4 鋼筋砼澆筑。順?biāo)鞣较蚍罌_蓋板末端頂部鋪設(shè)寬110 m,長15 m,厚0.5 m 的格賓石籠。

5 輸水管道設(shè)計(jì)

5.1 管線選擇

本工程管道選線時(shí)要考慮投資最省、運(yùn)行管理方便及滿足下游管道輸水運(yùn)行穩(wěn)定等因素,管線基本平行河床布置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,現(xiàn)狀渠首下游蓄水池也位于河道左岸,為避免管線多次穿越河床,綜合比選后將管道軸線布置在河道左岸。

5.2 管徑計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)狀條件符合,輸水管道全部為壓力管道,各管段的管徑和水力計(jì)算按以下公式計(jì)算：

式中：D為管段管徑,m；Q為管段流量,m3/s；V為管內(nèi)流速,m3/s；其中管內(nèi)流速的確定以經(jīng)濟(jì)流速作為參考,為了防止在管網(wǎng)中產(chǎn)生水錘所引起的破壞作用,而限制了流速的極限值,限制最高流速在2.5 m/s～3 m/s 之內(nèi)；同時(shí)為了避免在管內(nèi)沉積雜質(zhì),最小流速不得小于0.5 m/s。經(jīng)計(jì)算內(nèi)徑600 mm 的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管滿足輸水要求。

5.3 管道水力計(jì)算結(jié)論

計(jì)算時(shí)無地表徑流時(shí)的流量采用無壓管道計(jì)算,有地表徑流時(shí)的流量采用有壓管道計(jì)算；輸水管道全長1100 m,采用直徑為φ600 mm 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管,壁厚43 mm,單節(jié)有效管長5 m,砼強(qiáng)度不小于C40。

5.4 輸水管道縱橫斷面設(shè)計(jì)

輸水管道樁號(hào)0+000～0+150 管道開挖深度由9m 漸變?yōu)?.5 m,縱坡為0.1%,底寬1.5 m,開挖邊坡為1∶1.5。當(dāng)開挖深度大于5 m,設(shè)置一條寬3 m～5 m 的施工馬道。樁號(hào)0+150～1+100 埋在河道沖刷深度以下,埋深為3.5 m,縱坡與天然河道一致4.2%,管道橫斷面均為梯形,底寬1.5 m,開挖邊坡為1∶1.5。管道挖深3.5 m～9 m。管道底部回填20 cm 厚細(xì)沙墊層,細(xì)土粒徑小于20 mm,管材周圍以上40 cm 采用細(xì)沙回填,細(xì)土粒徑小于20 mm。細(xì)沙以上采用開挖料就近回填。管材采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管,在管道轉(zhuǎn)彎處放置鎮(zhèn)墩。

5.5 管線建筑物

工程管線建筑物主要有：閘閥井1 座,在渠首管道末端1+100 設(shè)置1 座節(jié)制分水閥井,分水管道接入現(xiàn)有工程人飲管道,由DN600 變徑為DN300。檢查井結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu),斷面型式為矩形,長5.6 m,寬4.5 m,高4.0 m,井壁采用0.3 m厚C25 混凝土澆筑,底板為0.4 m 厚C25 混凝土澆筑。井內(nèi)安裝600 mm 鑄鋼蝶閥。

6 結(jié)語

本工程在設(shè)計(jì)時(shí)新建集水廊道,使用輻射管施工技術(shù),利用自然水頭壓力將河床覆蓋層細(xì)小顆粒經(jīng)由輻射管帶走,充分發(fā)揮原河床天然反濾層功效,降低換填投資。河床砂礫石地下水位降低的范圍廣,有利于地表回補(bǔ),可以保證引水水量滿足設(shè)計(jì)要求,有效降低了多泥沙河流上引水渠首泥沙淤積產(chǎn)生的清淤成本。