新疆金溝河灌區骨干工程改建設計

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沙灣縣境內,是以冰川融雪補給為主的河流,河系年均徑流量3.49億m3。金溝河灌區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;灌區骨干工程主要包括一座費爾干式引水渠首,54km引水干渠,14座分水閘及渠系建筑物。灌區工程結構在運行40多年后,主要存在的問題包括有渠首泥砂淤積嚴重、防洪標準偏低、干渠結構老化凍脹磨損嚴重,部分工程不堪重負,無法滿足灌區經濟發展對水資源的需要。

1 改建前存在的問題

1.1 金溝河渠首

(1)結構老化,引水率偏低[1]:金溝河渠首隨著運行年份的推移,河床縱坡改變,進水閘前淤積嚴重,引水率逐年下降;同時,灌區灌溉面積的逐漸增加,使得渠首已嚴重低于引水要求。

(2)防洪標準偏低[1]:該渠首已運行40多年,引水彎道淤積,彎道底部逐漸抬高,過水斷面逐漸減小,過水能力逐漸減弱,導流堤高程已明顯不能滿足防洪的要求,渠首溢流堰難以發揮防洪效果,防洪標準下降。

(3)上下游河床泥沙淤積嚴重[1]:該渠首位于此段河道上,上下游河床泥沙淤積嚴重,上游整治段河床平均淤高3m,下游也已抬高約2m;由于原始設計參數選取相對保守,設計流量固定,加之金溝河泥沙含量大,在運行過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水閘至14#閘,全長37.48km,采用漿砌石或混凝土防滲。總干渠經過40多年的運行,結構老化、破損較嚴重;且隨著引水需求加大,大量推移質進入總干渠,渠道磨損非常嚴重。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,由于渠道引水的長期不間斷性,加之春季融雪水在渠道兩側的入滲,渠道結構凍脹破壞極為嚴重。

1.3 分水閘及渠系建筑物

渠道沿線節制、分水閘經過40多年運行,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,由于渠道停水時間較晚,導致閘門結冰,需人力破冰提門;另外,門槽變形導致閘門止水不嚴,工作橋破損,橋面出現裂縫,啟閉設備嚴重銹蝕,都是急需改善解決的問題。

2 工程改建方案的設計與研究

金溝河灌區自1998年被列入全國大型灌區續建配套與節水改造規劃以來,在灌區骨干工程的改建設計過程中,結合灌區水利工程現狀及運行特點,充分考慮引水、防洪、排砂、運行管理等各方面因素,注重新技術及新工藝在節水改造項目中的應用,使改造工程取得了較好效果。通過對灌區骨干工程的分期改建,金溝河灌區工程狀況有了明顯改觀,運行條件有了較大改善,并積累了相關的設計經驗。

2.1 考慮與防洪相結合

金溝河灌區骨干工程改建設計注重與防洪相結合,主要體現在渠首改建和總干渠西移兩個方面。

(1)渠首改建:渠首沖砂閘原泄洪標準相對較底,金溝河流域防洪預案中渠首沖砂閘泄洪標準設置為160m3/s,還不到當地10年一遇的水平(10年一遇標準為170m3/s,20年一遇標準為253m3/s)。渠首改建是在沖砂閘上游150m處,原來三孔疊梁閘的位置新建成泄洪閘,疊梁閘下游26m溢流堰改成導流堤,同右岸沖砂閘導流堤形成一個整體,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,作為大于設計洪水以上洪水標準的泄洪通道。改建后的沖砂閘設計洪水流量253m3/s,泄洪閘設計洪水流量103m3/s。單是沖砂閘的泄洪標準提高到20年一遇,沖砂閘與泄洪閘聯合運用,設計洪水標準可超過30年一遇。金溝河渠經改造后,已成功抵御2003年7?17洪水,說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。由于河床淤積的嚴重抬高,當渠首泄洪流量超過50m3/s,部分地段就有漫堤現象,嚴重威脅渠道的安全,一到汛期還需調用大量的人力、物力進行巡護,但仍不能保證安全度汛。將此段渠道西移到二級臺地上進行新建,渠道運行安全得以保證,同時解決了老渠道嚴重磨損老化的問題。

2.2 考慮與泥沙處理相結合

金溝河渠首的泥砂淤積問題長期得不到解決,加之金溝河總干渠的縱坡坡度相對較大,水流流速相對較快,流經的泥沙對渠道結構及周邊建筑的磨損相對嚴重。通過實地考察與摸索,已分期建成了大閘、渦管、漏斗三級排砂處理工程設施[2],干渠的泥砂淤積問題基本得以解決。

一級排砂是費爾干式渠首大閘排砂,金溝河大閘1988年進行改建后沖砂閘、進水閘均有預留高程,在滿足進水閘引水要求和沖砂閘泄洪能力的前提下,設計時保持泄洪閘底高程不變,將進水閘閘底標高整體提升1.25m預留值,使得閘前形成臨時性的泥砂沉積,利用渠首的人工彎道進行一級排砂處理。

二級排砂處理是在總干渠進口處修建相應的渦管排砂設施。金溝河總干渠被西移到二級臺地后,其與老干渠產生的相對較大的水流落差,為渦管排砂方法的實現提供了地形條件。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泥沙顆粒卷揚懸浮起來,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1250m3。

三級排砂處理是在渦管后的總干渠上修建相應的排砂漏斗設施,漏斗直徑設計為14m,進水閘軸線與干渠軸線之間的夾角設置為16°,使水流成順時針方向產生渦管流。采用漏斗原理進行排砂的水流損失流量約為0.7m3/s,當水流中的泥沙含量相對較大時,應與其它的排沙方法聯合運用,才能確保將渦管中未處理干凈的泥砂徹底處理。

金溝河通過三級排砂處理,大大降低了泥砂對干渠的磨損,延長了其使用壽命,同時也減輕了灌區土地沙化的現象。

2.3 考慮工程的運行管理要求

(1)改建與水情自動測報系統同步進行:金溝河流域水情自動測報系統和辦公局域網系統的安裝實施,有效提高了改建項目的運行管理水平,減輕了技術人員的現場監測勞動強度,同時,對檢測項目的測配精度也獲得了大幅提升。

(2)充分考慮渠道冬季運行破冰安全:金溝河渠道在有冬季引水要求的區段,一直存在水流結冰的現象。在設計有冬季引水要求的渠道區段時,應充分考慮結構凍脹磨損和渠道運行管理的方便,將該區段的渠道斷面設計為底下梯形、上部矩形的復合式斷面結構[3]。

(3)渠道消能與測流斷面整治同步考慮:在金溝河灌區骨干工程改建設計時,將渠道消能與測流斷面整治充分結合,充分發揮節制閘后擴散段的地形優勢,修建了相應的梯形消力池,再與測流控制斷面連接。梯形消力池的設置,既消除了渠道水流的大量沖去能,又對測流斷面進行了相應的整治,同時還有效消除了偏流現象。

(4)消除沖淤斷面:金溝河金安渠測流斷面淤積變化嚴重,不利于運行管理。為使改建后的金溝河灌區渠道的沖淤現象能夠有效控制,在不減弱引水能力的前提條件下,對渠道斷面形式進行相應的改進,將渠道調整成底寬束窄型,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、綠化帶治理相結合,在路旁設有綠化帶,既可防止水土流失,減輕對生態環境的破壞,又能美化環境。

2.4 推行采用新技術

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

工程實施過程中,還采用了橡膠瓦、硅粉混凝土、纖維混凝土等抗磨抗沖技術,這些新新技術、新材料的應用,確保了金溝河灌區骨干工程的整體改建效果,延長了水工結構的使用年限,充分發揮了改建工程的社會效益。

3 結 語

金溝河灌區改建工程實施方案充分考慮了各方面因素,通過分期改建,灌區運行狀況取得了顯著成效。防洪安全得以加強,灌溉條件得以改善,提高了灌溉質量,節約了水資源,有效地緩解了用水緊張的矛盾,提高了灌區管理單位經濟效益,促進了水資源優化配置和農業產業化的經濟結構調整,灌區生態環境也進一步得到改善。

[1]王忠,謝富明,何訓江.結合北疆特點,搞好工程改造 [J].中國水利,2005,2

[2]劉雙喜,段新虹.金溝河引水渠三級排沙系統泥沙處理效果分析[J].人民長江,2009,2

[3]馬勇,王誘東,雷正龍.新疆金溝河灌區總干渠渠道改建防凍脹設計[J].水利建設與管理.2004,1