新疆北疆某渠道設計在實際中的應用

張 建 梁小璇

(新疆兵咨工程項目管理咨詢有限責任公司,新疆烏魯木齊 830002)

1 地理位置

新疆北疆某干渠位于新疆生產建設兵團農七師奎屯灌區(qū)。奎屯灌區(qū)位于天山北麓奎屯、烏蘇、獨山子“金三角”地帶,地處準噶爾盆地西南緣,奎屯河流域奎屯河中下游沖積、淤積平原上。地理坐標為 :東經 84°33′～ 85°15′, 北緯 44°18′～ 45°10′。灌區(qū)包括123、126、127、128、129、130、131七個大型農牧團場和137團泉溝分場及烏蘇市車排子鎮(zhèn)。總灌溉面積113.13萬畝。

2 氣候條件

奎屯灌區(qū)年平均氣溫6.5℃,1月、7月平均氣溫分別為 -18.8℃和 26.7℃,極端最低氣溫-42.3℃,最高氣溫 42.1℃。年平均降水量161.5mm,年蒸發(fā)量 1785mm,為年降雨量的14.6倍,冬季積雪厚度最大36cm。多年平均無霜期163d,歷年最早凍結日期11月5日,歷年最晚解凍日期4月10日,最大凍深1.4m。全年盛行西北風、靜風,年平均風速1.8m/s,最大風速17m/s,瞬時風速25m/s。

3 地質概況

渠系線路位于奎屯河沖積平原中部,沖洪積平原地貌單元,渠系地層巖土以粉土及粉砂為主,局部見粉砂透鏡體,以沖洪積平原地貌為主,地層分布較單一。

巖土具有含鹽量稍高、含水量較大等特點,由于受地下水水位季節(jié)性的波動及毛細水上升的影響,巖土物理性質季節(jié)性差異及隨深度變化較為明顯,易產生凍脹破壞,因此施工時,根據實際的工程地質條件采取相應的應對措施,以免不良地質造成對渠體的破壞。

4 工程現狀

新疆北疆某干渠工程始建于1959年,1963年續(xù)建,全長22.068km,渠道走向為南北向,渠道結構為土渠,設計流量 20m3/s,實際過水能力13.5m3/s。

由于渠道為土渠結構,未防滲,渠道滲漏嚴重,經過50年的運行,渠道及建筑物破損嚴重,渠道坍塌、淤積,過水能力已明顯不足,由于渠道兩側的滲漏,耕地地下水位逐年上升,土壤產生次生鹽漬化,渠道兩側耕地作物減產棄耕。

5 工程設計

5.1 工程級別和標準

5.1.1 工程級別

干渠全長22.068km,控制灌溉面積30萬畝,渠道設計流量20m3/s,加大流量 25m3/s,根據《灌溉與排水工程設計規(guī)范》(GB50288—99),確定工程級別為4級,渠系建筑物工程級別確定為4級,臨時建筑物為5級。

5.1.2 工程設計標準

灌溉設計保證率:本地區(qū)屬干旱、水資源緊缺地區(qū),以旱作物為主,灌溉方法為地面灌溉。根據《灌溉與排水工程設計規(guī)范》(GB50288—99),灌溉設計保證率采用75%。

地震烈度:根據 《中國地震動參數區(qū)劃圖》(GB18306—2001)可知,本地區(qū)地震動峰值加速度為0.15g,基本烈度為Ⅶ度。按 《水工建筑物抗震設計規(guī)范》(SL203—97)的有關規(guī)定,干渠渠系建筑物抗震設計按Ⅶ度設防。

5.2 渠線位置

根據渠道現場勘察情況及比較,干渠防滲改建工程渠線位置位于渠右側,順延老渠右岸,防滲渠與原土渠渠線相距30～50m。

5.3 渠道工程設計

5.3.1 渠道設計流量

根據 《灌溉與排水工程設計規(guī)范》 (GB 50288—99),由灌區(qū)的設計灌水率,防滲改建后渠系水利用系數以及各分段的控制灌溉面積,確定設計流量20m3/s,加大流量25m3/s。

5.3.2 渠道橫斷面設計

結合農七師及北疆地區(qū)近年來在渠道防凍脹措施方面的經驗,渠道斷面采用弧形底梯形斷面,較梯形斷面抗凍脹性能好。因此,該干渠防滲改建工程渠道斷面按弧形底梯形斷面結構設計。

5.3.3 渠道設計

(1)渠道縱坡設計。根據實地測量資料,在滿足引水水位和渠道不沖不淤的條件下,同時參照渠道沿線建筑物底板高程及各分水口引水高程等條件控制和調整各渠段的渠道縱坡。確定渠道縱坡為0.00037～0.00092。

(2)邊坡的確定。干渠沿線土質為粉土,根據《灌溉與排水工程設計規(guī)范》(GB50288—99)6.1.22條規(guī)定,當渠道設計水深為1～2m時,填方渠道的最小內邊坡系數為1.5。根據灌區(qū)多年修建防滲渠經驗,此次設計渠道內邊坡系數取1.75,外邊坡系數取1.5。

(3)糙率。根據 《渠道防滲工程技術規(guī)范》(SL18—2004)規(guī)定,本工程混凝土襯砌渠道為現澆護面,現澆混凝土糙率n=0.015。

(4)渠堤寬度的設計。根據 《灌溉與排水工程設計規(guī)范》(GB50288—99)6.1.24條規(guī)定,萬畝以上灌區(qū)干、支渠岸頂寬度不應小于2m,結合實際情況及考慮工程運行管理方便,設計采用渠道右堤寬4.0m,左堤寬2.0m。

(5)渠堤超高及渠深。渠道超高根據 《灌溉與排水工程設計規(guī)范》(GB50288—99)的公式計算:

式中:Fb為渠道超高;hb為渠道通過加大流量時的水深,m。

(6)弧形渠底及邊坡設計。渠道為了增加抗凍脹能力,渠底采用弧形現澆混凝土板,板厚120mm,渠道邊坡混凝土厚120～80mm,混凝土強度等級為C20,抗凍標號為F200。

(7)渠道水力要素計算。弧形底梯形斷面的水力計算公式如下:

過水斷面面積:

過水斷面濕周:

過水斷面的水力半徑:

流量:

式中:h為水深,m;θ為渠道邊坡和水平面的夾角;i為渠道縱坡。

渠道水力要素見表1。

表1 渠道水力要素表

(8)復合土工膜選擇。隨著近幾年的工程實踐證明,用復合土工膜作為防滲材料,可以起到很好的防滲效果,而且使用壽命較長,已得到廣泛認可,因此,本次渠道工程采用一布一膜 (200g/m2PE0.3mm)作為防滲材料。

(9)伸縮縫設計。根據 《渠道防滲工程技術規(guī)范》(SL18—2004)中5.6.1條規(guī)定,現澆混凝土板縫間距為3～5m,此次設計每隔3m設一道伸縮縫,伸縮縫寬度20mm,縫內上部30mm為膠泥,下部為苯板。

(10)渠道混凝土板防凍脹設計。防凍脹的設計是渠道此次設計的主要任務之一,也是干渠能否正常運行的關鍵。根據當地 《地面氣候資料》可知,本地區(qū)最大凍深為1.4m。由地質及測量資料可知,渠道沿線渠基土為凍脹性土,渠道走向為南北向。根據 《水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范》 (SL 211—2006),結合以上因素,計算渠基土的凍脹量。

1)工程設計凍深按下式計算:式中:Zd為設計凍深,m;Ψd為日照及遮陰程度影響系數;Ψw為地下水影響系數;Zm為實測歷年最大凍深,取1.4m;Ψi為日照及遮陰程度修正系數,由圖查得,邊坡值取 1.15,底部取 1.15;a由 《水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范》(SL211—2006)表B1.1.1-1查得。

式中:β為系數,查表為0.63;Zwo為當地或臨近氣象臺的地下水位深度,m;Zwi為計算點的地下水位深度,m。

設計凍深計算見表2。

表2 設計凍深計算表

2)防凍脹計算。根據相關規(guī)范要求,在這種寒冷地區(qū)防凍脹結構措施可采用渠基換填措施或保溫措施。在本地區(qū),渠道防凍脹措施一般采用較多的是渠基換填的方法,換填材料為砂礫石,經過多年運行,實踐證明可以有效地防止渠道凍脹破壞,是一種較好的防凍脹措施。

防凍脹換填層厚度計算根據 《渠道防滲工程技術規(guī)范》(SL18—2004)計算換填層厚度,采用下面公式:

式中:ε為置換比,根據 《渠道防滲工程技術規(guī)范》(SL18—2004),當地下水埋深Zw＜Zd+1.0～2.0m時,對于粉土,坡面上部取50%～60%,坡面下部、底部取60%～80%;Zd為設計凍深;δ0為防滲層厚度,邊坡襯砌板厚度0.12～0.08m,底板0.12m。

換填厚度計算結果見表3。

表3 換填厚度計算結果表 單位:cm

6 結論

本次新疆北疆某干渠防滲改建工程橫斷面具體結構型式為:

弧形渠底:自上而下依次為12cm現澆混凝土板、一布一膜 (200g/m2PE0.3mm)、70cm砂礫石墊層。

邊坡:自外向里依次為:12～8cm現澆混凝土板、一布一膜 (200g/m2PE0.3mm)、70～30cm砂礫石墊層。

渠堤內邊坡系數m=1.75,外邊坡系數m=1.5,右側堤頂寬4.0m,左側堤頂寬2.0m。

混凝土板強度等級C20,抗?jié)B標號W6,抗凍標號為F200。

[1]SL18—2004渠道防滲工程技術規(guī)范 [S].

[2]GB50288—99灌溉與排水工程設計規(guī)范[S].

[3]SL211—2006水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范[S].

[4]劉肇瑋,朱樹人.中國水利百科全書灌溉與排水分冊[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

[5]何武全,邢義川.渠道防滲抗凍新材料與新技術[J].節(jié)水灌溉,2003,(1):4-6.

[6]GB5029—98土工合成材料應用技術規(guī)范[S].