新疆金溝河灌區(qū)骨干工程改建設(shè)計(jì)

雷正龍

(新疆水利廳金溝河流域管理處,新疆 沙灣 832100)

金溝河流域位于新疆塔城地區(qū)沙灣縣境內(nèi),是以冰川融雪補(bǔ)給為主的河流,河系年均徑流量3.49億m3。金溝河灌區(qū)位于該流域中下游沖洪積扇傾斜平原及沖積平原上,年平均最大凍土深度1.47m;灌區(qū)骨干工程主要包括一座費(fèi)爾干式引水渠首,54km引水干渠,14座分水閘及渠系建筑物。灌區(qū)工程結(jié)構(gòu)在運(yùn)行40多年后,主要存在的問題包括有渠首泥砂淤積嚴(yán)重、防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低、干渠結(jié)構(gòu)老化凍脹磨損嚴(yán)重,部分工程不堪重負(fù),無(wú)法滿足灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需要。

1 改建前存在的問題

1.1 金溝河渠首

(1)結(jié)構(gòu)老化,引水率偏低[1]:金溝河渠首隨著運(yùn)行年份的推移,河床縱坡改變,進(jìn)水閘前淤積嚴(yán)重,引水率逐年下降;同時(shí),灌區(qū)灌溉面積的逐漸增加,使得渠首已嚴(yán)重低于引水要求。

(2)防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低[1]:該渠首已運(yùn)行40多年,引水彎道淤積,彎道底部逐漸抬高,過(guò)水?dāng)嗝嬷饾u減小,過(guò)水能力逐漸減弱,導(dǎo)流堤高程已明顯不能滿足防洪的要求,渠首溢流堰難以發(fā)揮防洪效果,防洪標(biāo)準(zhǔn)下降。

(3)上下游河床泥沙淤積嚴(yán)重[1]:該渠首位于此段河道上,上下游河床泥沙淤積嚴(yán)重,上游整治段河床平均淤高3m,下游也已抬高約2m;由于原始設(shè)計(jì)參數(shù)選取相對(duì)保守,設(shè)計(jì)流量固定,加之金溝河泥沙含量大,在運(yùn)行過(guò)程中很難解決好沖砂和引水的矛盾。

1.2 引水干渠

金溝河引水總干渠從渠首進(jìn)水閘至14#閘,全長(zhǎng)37.48km,采用漿砌石或混凝土防滲?？偢汕?jīng)過(guò)40多年的運(yùn)行,結(jié)構(gòu)老化、破損較嚴(yán)重;且隨著引水需求加大,大量推移質(zhì)進(jìn)入總干渠,渠道磨損非常嚴(yán)重。3#閘以上7km渠底混凝土20cm,每年都被磨穿;1#鋼筋混凝土大渡槽槽底多處被磨透;4#閘至14#閘之間,由于渠道引水的長(zhǎng)期不間斷性,加之春季融雪水在渠道兩側(cè)的入滲,渠道結(jié)構(gòu)凍脹破壞極為嚴(yán)重。

1.3 分水閘及渠系建筑物

渠道沿線節(jié)制、分水閘經(jīng)過(guò)40多年運(yùn)行,閘墩及底板混凝土大面積磨蝕,磨蝕厚度在3～10cm之間。3#、5#閘為潛孔式閘門,由于渠道停水時(shí)間較晚,導(dǎo)致閘門結(jié)冰,需人力破冰提門;另外,門槽變形導(dǎo)致閘門止水不嚴(yán),工作橋破損,橋面出現(xiàn)裂縫,啟閉設(shè)備嚴(yán)重銹蝕,都是急需改善解決的問題。

2 工程改建方案的設(shè)計(jì)與研究

金溝河灌區(qū)自1998年被列入全國(guó)大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃以來(lái),在灌區(qū)骨干工程的改建設(shè)計(jì)過(guò)程中,結(jié)合灌區(qū)水利工程現(xiàn)狀及運(yùn)行特點(diǎn),充分考慮引水、防洪、排砂、運(yùn)行管理等各方面因素,注重新技術(shù)及新工藝在節(jié)水改造項(xiàng)目中的應(yīng)用,使改造工程取得了較好效果。通過(guò)對(duì)灌區(qū)骨干工程的分期改建,金溝河灌區(qū)工程狀況有了明顯改觀,運(yùn)行條件有了較大改善,并積累了相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2.1 考慮與防洪相結(jié)合

金溝河灌區(qū)骨干工程改建設(shè)計(jì)注重與防洪相結(jié)合,主要體現(xiàn)在渠首改建和總干渠西移兩個(gè)方面。

(1)渠首改建:渠首沖砂閘原泄洪標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較底,金溝河流域防洪預(yù)案中渠首沖砂閘泄洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為160m3/s,還不到當(dāng)?shù)?0年一遇的水平(10年一遇標(biāo)準(zhǔn)為170m3/s,20年一遇標(biāo)準(zhǔn)為253m3/s)。渠首改建是在沖砂閘上游150m處,原來(lái)三孔疊梁閘的位置新建成泄洪閘,疊梁閘下游26m溢流堰改成導(dǎo)流堤,同右岸沖砂閘導(dǎo)流堤形成一個(gè)整體,以提高沖砂閘的泄洪能力;泄洪閘以上62m的溢流堰保持不變,作為大于設(shè)計(jì)洪水以上洪水標(biāo)準(zhǔn)的泄洪通道。改建后的沖砂閘設(shè)計(jì)洪水流量253m3/s,泄洪閘設(shè)計(jì)洪水流量103m3/s。單是沖砂閘的泄洪標(biāo)準(zhǔn)提高到20年一遇,沖砂閘與泄洪閘聯(lián)合運(yùn)用,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)可超過(guò)30年一遇。金溝河渠經(jīng)改造后,已成功抵御2003年7?17洪水,說(shuō)明渠首改建的成功性。

(2)總干渠西移:1#閘至大渡槽原引水總干渠布置在金溝河河灘上,與防洪堤平行。由于河床淤積的嚴(yán)重抬高,當(dāng)渠首泄洪流量超過(guò)50m3/s,部分地段就有漫堤現(xiàn)象,嚴(yán)重威脅渠道的安全,一到汛期還需調(diào)用大量的人力、物力進(jìn)行巡護(hù),但仍不能保證安全度汛。將此段渠道西移到二級(jí)臺(tái)地上進(jìn)行新建,渠道運(yùn)行安全得以保證,同時(shí)解決了老渠道嚴(yán)重磨損老化的問題。

2.2 考慮與泥沙處理相結(jié)合

金溝河渠首的泥砂淤積問題長(zhǎng)期得不到解決,加之金溝河總干渠的縱坡坡度相對(duì)較大,水流流速相對(duì)較快,流經(jīng)的泥沙對(duì)渠道結(jié)構(gòu)及周邊建筑的磨損相對(duì)嚴(yán)重。通過(guò)實(shí)地考察與摸索,已分期建成了大閘、渦管、漏斗三級(jí)排砂處理工程設(shè)施[2],干渠的泥砂淤積問題基本得以解決。

一級(jí)排砂是費(fèi)爾干式渠首大閘排砂,金溝河大閘1988年進(jìn)行改建后沖砂閘、進(jìn)水閘均有預(yù)留高程,在滿足進(jìn)水閘引水要求和沖砂閘泄洪能力的前提下,設(shè)計(jì)時(shí)保持泄洪閘底高程不變,將進(jìn)水閘閘底標(biāo)高整體提升1.25m預(yù)留值,使得閘前形成臨時(shí)性的泥砂沉積,利用渠首的人工彎道進(jìn)行一級(jí)排砂處理。

二級(jí)排砂處理是在總干渠進(jìn)口處修建相應(yīng)的渦管排砂設(shè)施。金溝河總干渠被西移到二級(jí)臺(tái)地后,其與老干渠產(chǎn)生的相對(duì)較大的水流落差,為渦管排砂方法的實(shí)現(xiàn)提供了地形條件。渦管水流是螺旋流形式的一種,螺旋流將落入渦管的推移質(zhì)泥沙顆粒卷?yè)P(yáng)懸浮起來(lái),隨水流排出。金溝河3#及4#渦管耗水量0.7m3/s,日排砂量超過(guò)1250m3。

三級(jí)排砂處理是在渦管后的總干渠上修建相應(yīng)的排砂漏斗設(shè)施,漏斗直徑設(shè)計(jì)為14m,進(jìn)水閘軸線與干渠軸線之間的夾角設(shè)置為16°,使水流成順時(shí)針方向產(chǎn)生渦管流。采用漏斗原理進(jìn)行排砂的水流損失流量約為0.7m3/s,當(dāng)水流中的泥沙含量相對(duì)較大時(shí),應(yīng)與其它的排沙方法聯(lián)合運(yùn)用,才能確保將渦管中未處理干凈的泥砂徹底處理。

金溝河通過(guò)三級(jí)排砂處理,大大降低了泥砂對(duì)干渠的磨損,延長(zhǎng)了其使用壽命,同時(shí)也減輕了灌區(qū)土地沙化的現(xiàn)象。

2.3 考慮工程的運(yùn)行管理要求

(1)改建與水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)同步進(jìn)行:金溝河流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)和辦公局域網(wǎng)系統(tǒng)的安裝實(shí)施,有效提高了改建項(xiàng)目的運(yùn)行管理水平,減輕了技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度,同時(shí),對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目的測(cè)配精度也獲得了大幅提升。

(2)充分考慮渠道冬季運(yùn)行破冰安全:金溝河渠道在有冬季引水要求的區(qū)段,一直存在水流結(jié)冰的現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)有冬季引水要求的渠道區(qū)段時(shí),應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)凍脹磨損和渠道運(yùn)行管理的方便,將該區(qū)段的渠道斷面設(shè)計(jì)為底下梯形、上部矩形的復(fù)合式斷面結(jié)構(gòu)[3]。

(3)渠道消能與測(cè)流斷面整治同步考慮:在金溝河灌區(qū)骨干工程改建設(shè)計(jì)時(shí),將渠道消能與測(cè)流斷面整治充分結(jié)合,充分發(fā)揮節(jié)制閘后擴(kuò)散段的地形優(yōu)勢(shì),修建了相應(yīng)的梯形消力池,再與測(cè)流控制斷面連接。梯形消力池的設(shè)置,既消除了渠道水流的大量沖去能,又對(duì)測(cè)流斷面進(jìn)行了相應(yīng)的整治,同時(shí)還有效消除了偏流現(xiàn)象。

(4)消除沖淤斷面:金溝河金安渠測(cè)流斷面淤積變化嚴(yán)重,不利于運(yùn)行管理。為使改建后的金溝河灌區(qū)渠道的沖淤現(xiàn)象能夠有效控制,在不減弱引水能力的前提條件下,對(duì)渠道斷面形式進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),將渠道調(diào)整成底寬束窄型,以消除渠道沖淤情況。

(5)渠道改建與道路整治同步:在渠道改建中,將渠堤整修、沿渠伴行交通道路平整、綠化帶治理相結(jié)合,在路旁設(shè)有綠化帶,既可防止水土流失,減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞,又能美化環(huán)境。

2.4 推行采用新技術(shù)

金溝河灌區(qū)骨干工程的總干渠結(jié)構(gòu)凍脹現(xiàn)象普遍都非常嚴(yán)重。在渠道工程改建設(shè)計(jì)過(guò)程中,充分考慮引起結(jié)構(gòu)凍脹的因素,采取保留原有渠道的混凝土底板,并直接在該底板結(jié)構(gòu)上用戈壁砂礫石墊高,最大程度的利用原有結(jié)構(gòu)。改建后,原有的混凝土底板結(jié)構(gòu)既可作為渠床基礎(chǔ),又可作為水流防滲層以阻斷耕地滲水進(jìn)入墊層,可有效減弱河床基土的含水量,使其凍脹量大幅減少;在渠底墊層下設(shè)置相應(yīng)的排水管道,將墊層滲水及時(shí)收集排出;在邊板結(jié)構(gòu)的中部增設(shè)相應(yīng)的橫向縫,以適應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)的斷裂拉力作用。上述新技術(shù)或措施的采用,有效消弱了結(jié)構(gòu)凍脹現(xiàn)象,減弱了結(jié)構(gòu)的凍脹變形的不利影響。

工程實(shí)施過(guò)程中,還采用了橡膠瓦、硅粉混凝土、纖維混凝土等抗磨抗沖技術(shù),這些新新技術(shù)、新材料的應(yīng)用,確保了金溝河灌區(qū)骨干工程的整體改建效果,延長(zhǎng)了水工結(jié)構(gòu)的使用年限,充分發(fā)揮了改建工程的社會(huì)效益。

3 結(jié) 語(yǔ)

金溝河灌區(qū)改建工程實(shí)施方案充分考慮了各方面因素,通過(guò)分期改建,灌區(qū)運(yùn)行狀況取得了顯著成效。防洪安全得以加強(qiáng),灌溉條件得以改善,提高了灌溉質(zhì)量,節(jié)約了水資源,有效地緩解了用水緊張的矛盾,提高了灌區(qū)管理單位經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)了水資源優(yōu)化配置和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整,灌區(qū)生態(tài)環(huán)境也進(jìn)一步得到改善。

[1]王忠,謝富明,何訓(xùn)江.結(jié)合北疆特點(diǎn),搞好工程改造 [J].中國(guó)水利,2005,2

[2]劉雙喜,段新虹.金溝河引水渠三級(jí)排沙系統(tǒng)泥沙處理效果分析[J].人民長(zhǎng)江,2009,2

[3]馬勇,王誘東,雷正龍.新疆金溝河灌區(qū)總干渠渠道改建防凍脹設(shè)計(jì)[J].水利建設(shè)與管理.2004,1