瑪納斯河灌區(qū)渠道改造設(shè)計方案分析

司馬震

（五家渠農(nóng)六師勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，新疆五家渠 831300）

1 工程概況

瑪納斯河灌區(qū)隸屬于新疆建設(shè)兵團第六師，規(guī)模屬于大型灌區(qū)，總灌溉面積可達(dá)20.4萬hm2，擁有4座大中型水庫（總庫容4.25億m3），各類灌溉渠道1.7萬km，其中干渠設(shè)計流量5～6 m3/s，支渠設(shè)計流量0.8～1.6 m3/s，灌區(qū)年引水總量可達(dá)12億m3。由于大部分渠道修建于20世紀(jì)70年代，目前滲漏問題嚴(yán)重，部分渠段達(dá)不到設(shè)計流量的50%，水資源浪費嚴(yán)重。經(jīng)實地考察，此次項目需改建18條渠道，改造總長137.04 km，其中干渠共改造3條，總長48.35 km；支渠共改造15條，總長88.7 km。

2 渠道改造方案設(shè)計

2.1 渠線設(shè)計

渠線設(shè)計的基本原則為：在滿足自流灌溉的前提下，要盡量少占農(nóng)田，少破壞天然植被。該項目區(qū)現(xiàn)有大部分渠道兩側(cè)均為耕地，因此在渠線設(shè)計時有2個方案可選：1）在老渠道上改建防滲；2）占用耕地新建防滲渠道[1]。對2種方案的優(yōu)缺點進(jìn)行對比，優(yōu)點：方案一，1）老渠上改建土方工程量較少；2）在老支渠上改建，渠基安全可靠；3）對渠道周圍的環(huán)境破壞程度較??；4）與干渠連接較為平順,水流條件好。方案二，1）施工不存在搶修問題；2）施工方法簡。缺點：方案一，施工復(fù)雜，所需工期較長，且質(zhì)量不易保證；方案二，需占用耕地，破壞了渠道周圍環(huán)境。

通過分析2種方案，方案一工程量小，渠基安全可靠，與支渠連接較方便；方案二雖然也有優(yōu)點，但需占用耕地，所以方案一比方案二更合理。經(jīng)比較確定選用方案一作為最終施工方案。

2.2 渠道縱坡設(shè)計

渠道縱坡設(shè)計應(yīng)遵循的原則：1）保證設(shè)計輸水能力、邊坡穩(wěn)定和水流安全通暢；2）渠道起點高程與上級渠道分水閘閘底高程保持一致；3）保證渠道之間平順銜接；4）占地較少，工程量較小，施工管理方便；5）縱坡的制定要滿足渠道的不沖不淤流速[2]。

由于干渠防滲改建后要滿足支渠引水要求，支渠防滲改建后仍要滿足斗渠口的引水高程要求，因此改建后渠道的閘口設(shè)計高程需滿足下級渠道的引水要求，這是渠道縱坡設(shè)計的核心點。各渠口水位可按照式（1）推算確定[3]。經(jīng)計算此次干渠設(shè)計縱坡為0.044‰～2.23‰之間，支渠設(shè)計縱坡為0.344‰～3.38‰之間。

式中：A0——渠道灌溉范圍內(nèi)控制點的地面高程，m；△h——控制點地面與附近末級固定渠道設(shè)計水位的高差，一般取0.1～0.2 m；Li——渠道比降；ψ——水流通過渠系建筑物的水頭損失，m。

2.3 渠道橫斷面設(shè)計

2.3.1 渠道主要參數(shù)設(shè)計

1）糙率

該項目干渠和支渠防滲設(shè)計均采用“混凝土板加一布一膜”雙防滲結(jié)構(gòu)。渠道糙率直接影響水流速度和輸水能力。渠道糙率n參考值見表1所示[4]。結(jié)合其他工程和相關(guān)規(guī)定，確定此次渠道設(shè)計糙率為0.016。

表1 渠道糙率n參考值

2）邊坡

經(jīng)調(diào)查，項目區(qū)渠道沿線土質(zhì)多為低液限粉土粉土、低液限粘土，料場土質(zhì)多為粉土粘土。根據(jù)相關(guān)規(guī)定：當(dāng)渠道設(shè)計水深在1～2 m時，中壤土對應(yīng)的渠道最小邊坡系數(shù)內(nèi)坡1.25，外坡1.0。此次項目結(jié)合渠道土質(zhì)及灌區(qū)的實際運行經(jīng)驗，確定干渠內(nèi)邊坡系數(shù)為1.75，外邊坡系數(shù)為1.5；支渠內(nèi)邊坡系數(shù)為1.5，外邊坡系數(shù)為1.5。

3）渠堤寬度和超高設(shè)計

渠堤寬度和設(shè)計流量直接相關(guān)，具體參數(shù)見表3[5]。該項目干渠設(shè)計流量Q1≥5 m3/s，因此渠堤寬度取2.0 m；支渠設(shè)計流量Q2≤2 m3/s，渠堤寬度取為1.0 m。

表2 渠道設(shè)計流量和堤頂寬度取值

渠道超高F可按照公式（2）確定，計算得出干渠安全超高在0.42～1.16 m（干渠深1.1～2.7 m）；支渠的安全超高在0.31～0.47 m（支渠深0.7～1.2 m）。

式中：h加——加大流量水深，m。

2.3.2 橫斷面形狀設(shè)計

此次工程沿線多數(shù)為填方渠道，部分為半挖半填方渠道，在橫斷面設(shè)計時要考慮流量、滲漏、凍脹、沖刷、投資、施工等因素。經(jīng)考察，共有3種斷面方案可供選擇：

方案一：梯形混凝土結(jié)構(gòu)。施工工藝簡單，工期較短。但由于梯形斷面邊坡與渠底為折線突變，適應(yīng)凍脹破壞能力稍差。

方案二：弧形底梯形混凝土結(jié)構(gòu)。施工工藝相對難，受力均勻，抵抗凍脹能力較梯形好，但弧形底混凝土板不易預(yù)制，在施工進(jìn)度方面稍差。

方案三：弧形坡腳梯形斷面混凝土結(jié)構(gòu)。適用于寬淺式渠道，抗凍性能適中?；⌒纹履_混凝土板不易預(yù)制，施工工藝稍難。

考慮弧形底梯形斷面適用于較大流量渠道，且投資和施工難度小，因此干渠渠道設(shè)計采用弧形底梯形斷面；支渠渠道由于對抗凍脹性要求不高，設(shè)計采用梯形斷面（見圖1和2）。由于現(xiàn)澆混凝土投資低、整體性好，此次設(shè)計選用現(xiàn)澆混凝土板方案?；炷翉姸鹊燃墳镃20，抗?jié)B等級W6，抗凍等級F200。

圖1 干渠設(shè)計斷面圖

圖2 支渠設(shè)計斷面圖

2.3.3 抗凍脹設(shè)計

抗凍脹性是新疆地區(qū)渠道工程需要考慮的重要問題。經(jīng)實地考察，該項目渠道沿線地下水埋深小于1.5 m，大部分屬于Ⅲ級凍脹。梯形斷面混凝土板護坡允許法向位移值0.5～1.0 cm；弧形底梯形斷面混凝土板護坡允許法向位移值1.0～3.0 cm。所以無論采用哪種斷面形式，凍脹量都大于法向位移值，需進(jìn)行防凍脹設(shè)計。

置換凍土層是提高渠道防凍脹性的重要途徑，需置換墊層厚度Zn的計算見公式（3）[6]，經(jīng)計算Zn范圍在0.8～1.5 m范圍。

式中：ζ——置換比，%；Zd——置換部位的設(shè)計凍深；δ0——襯砌板厚度，干渠為10 cm，支渠為8 cm。

3 結(jié)語

大型灌區(qū)是當(dāng)前集約化農(nóng)業(yè)發(fā)展的代表，也是減少灌溉用水的重要途徑。渠道系統(tǒng)是灌區(qū)的基礎(chǔ)，直接決定了農(nóng)作物的灌溉質(zhì)量，進(jìn)而影響灌區(qū)的經(jīng)濟效益。由于灌區(qū)發(fā)展及年久失修，很多渠道出現(xiàn)輸水能力不足、滲漏嚴(yán)重等問題，必須進(jìn)行改造。而渠道設(shè)計參數(shù)包含線路、糙率、縱坡、斷面形狀、抗凍設(shè)計等內(nèi)容，是一項綜合性很強的工程?，敿{斯河灌區(qū)作為新疆在自治區(qū)大型灌區(qū)之一，渠道設(shè)計按照“高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求”進(jìn)行設(shè)計和施工，有效地保證了灌區(qū)的健康發(fā)展。