金溝河金安渠渠道改建設計的思考

白西輝

（新疆金溝河流域管理處 新疆沙灣 832100）

1 工程概況

金溝河流域位于新疆塔城地區沙灣縣境內。介于東經85°22＇～85°44＇，北緯43°55＇～44°28＇之間。東接石河子，西臨奎屯市，312國道、烏奎高速公路及北疆鐵路橫貫本區，交通十分便利。

金安引水渠始建于1966年，自總干渠1＋442處引水，全長15.6km，屬于金溝河管理處管理的渠段為0＋000～5＋014，主要向元興宮鄉和142團31連供水，冬季向安集海水庫調水。渠床為戈壁，原渠道為全挖方斷面。

改建前渠道斷面形式為梯形，襯砌材料為現澆混凝土。該段渠道存在的主要問題是前淤后沖，老化、磨損破壞嚴重，0＋000～1＋625段，混凝土板已基本被沖毀，大部分已變為土渠。1＋625～5＋014段，基本垂直等高線，渠道縱坡較大，渠底磨損嚴重，混凝土板由于設計標準低，且多次凍融老化，大片面積的混凝土板開始剝落，變薄，被磨穿，在設計流量下，經常發生垮渠現象。造成渠道邊板厚薄不一，凸凹不平，增加了渠道糙率，限制了渠道引水流量。另外渠道長期冬季輸水，結冰嚴重，導致過水斷面不夠，閘門無法啟閉。

2 渠道破壞的形式、原因及過程

由于灌區灌溉的需要，灌區每年都需進行很長時間的冬灌，其間，渠道內的水體將發生不同程度的凍結。開始，兩側形成岸冰，隨著嚴寒的深入，冰層逐漸加厚，對兩岸襯砌體產生冰壓力，為了不形成冰壩，運行管理人員進行冬季打冰，長期以往，造成防滲體表面發生剝離破壞。

渠道防滲體具有一定的吸水性，在材料輸水的過程中，材料內總是含有一定的水分，這些水分在負溫的作用下凍結成冰，體積發生膨脹。當這膨脹產生的應力大于防滲材料的強度時，將導致防滲材料的凍融破壞，多次反復作用后，造成防滲體表面發生凍融、剝離破壞。

二十世紀50年代設計的混凝土抗凍標號低，同時，工程運行40多年，經過無數次的凍融循環，工程老化，混凝土標號降低了，抗凍標號也隨之降低，所以，渠道混凝土在年復一年的凍脹作用下發生了剝離破環。

3 改建工程設計

針對本渠道存在的主要問題，經過斷面的仔細符合，對渠道分兩段分別設計。

3.1 0＋000～1＋625段

由于0＋000～1＋625段靠近金溝河渠首，從上游帶下來的卵礫石對邊板磨損、碰撞，大約40%的段落已出現大面積斷裂，破損，60%的段落已變為土渠。該段渠道地質情況為砂礫石地基，由于渠道多年的運行，表層土粒在邊板水流的帶動下，部分粉細顆粒已進入原渠砂礫石墊層中，導致砂礫石墊層失去防凍作用。本次設計由于受金安引水渠進水口底板高程和1＋630分水閘底板高程的限制，在保持原有縱坡的情況下，拆除舊混凝土板，根據設計渠底高程開挖，置換30cm墊層。

3.1.1 渠道襯砌型式的選擇

本段渠道長1.625km，襯砌型式的選擇結合本工渠的地質、地形、天然建筑材料等分布情況，選擇混凝土襯砌、漿砌石襯砌比較。

根據兩種材料的選擇，對渠道水力計算見表1。

漿砌石襯砌方案：根據計算，渠道深1.65m，襯砌厚度采用35cm，底板下墊0.3m的砂礫石墊層。

混凝土板襯砌方案：根據計算，渠道深1.40m，底板厚15cm，邊板由10cm變為8cm。

表1 水力計算表

混凝土襯砌渠道具有良好的防滲、抗沖性能，對于金溝河多泥沙河流，漿砌石渠道具有更好的耐磨作用，但本工程區砼骨料儲量豐富，無漿砌石，所需漿砌石須到距本工程區80km處的瑪河料場拉運。本段渠道縱坡相對比較緩，且受引水口與1＋630處的分水閘底板高程限制，渠道只能保持現狀縱坡，也就是不能直接在現狀渠道上墊砂礫石和襯砌材料。由于漿砌石襯砌量大于砼板襯砌量，因此土方開挖量也相對增加。

經投資比較，漿砌石襯砌方案投資113萬元，砼板襯砌方案投資77.3萬元。前者比后者建筑工程投資大53.7萬元。因此推薦砼板襯砌方案。

3.1.2 混凝土板襯砌渠道設計

現澆混凝土指標均為C20、W6、F200，底板厚15cm，邊坡板由下部的10cm變至上部8cm，渠堤頂設30cm寬8cm厚的封頂板。渠道襯砌板分縫設計，縱向縫在兩邊坡角和渠坡中部約1／2渠深處錯縫設置，橫向縫每2m設一道，縫寬1.5cm，縫內填閉孔塑料板，頂部1.5cm采用原漿封口，封頂板橫向縫每2m設一道。

渠堤頂寬考慮右側管理通車要求，渠頂寬設為4.0m，左側渠堤頂寬不考慮通車要求，僅從運行安全方面考慮，設為2.0m，外邊坡設為1∶1。

3.2 1＋625～5＋014段

此段相對于前段縱坡大，破損更嚴重，且冬季渠道結冰，造成斷面過水能力不夠，常常花費人力去破冰提閘。

由于渠道冬季輸水，形成大氣與水之間的熱量交換，當水面負溫時，即開始結冰，經過冰絮、岸冰、流冰，封凍、解凍等過程，冰體對兩岸襯砌邊板產生冰壓力和冰推力造成襯砌體破壞或將砌體被推上坡；當水面封凍時，上游的浮冰源源不斷而來，鉆到冰面以下或以上，浮冰和冰塊在建筑物前（如橋、閘）或渠道拐彎處積累，減小過水斷面，逐漸封堵形成冰塞、冰壩，導致過水能力不足。當解凍以后，邊板下的細顆粒從板的裂縫被帶出，進一步造成相鄰板的塌陷破壞，造成惡性循環。同時導致渠道輸水糙率變大，過水能力受阻，滲透量加大。

現狀此段渠道縱坡1／42左右，設計流速4.18～4.8m／s，針對此段渠道存在的問題，做了兩個方案比較。

方案一：基本保持原有縱坡，采用梯形、矩形復合斷面形式。

拆除原有所有混凝土板，原墊層不拆除，考慮梯形渠道抗凍脹性優于矩形渠道，矩形渠道相對于梯形渠道不易掛冰的特點，采用矩形斷面擋土墻式結構渠道與梯形斷面渠道相結合的結構形式。

在原墊層上鋪設砂礫石墊層30cm，表面襯砌現澆混凝土15cm，邊墻為重力式結構。具體結構見下圖。

圖1 渠道橫斷面設計圖

方案二：修建跌水，調整縱坡，采用梯形斷面。

拆除所有的原渠道所有混凝土板，在原渠道的墊層上鋪設砂礫石墊層30cm，表面襯砌現澆混凝土10cm，斷面結構形式為梯形，邊坡為1∶1.5。此段渠道首尾落差為72m，如果按1／145的縱坡調整，需修建跌差為2.2m的跌水21座，跌水最短間距107m，最長間距為290m。跌水消力池池深2.6m，池寬2.3m。經消能計算，跌水消力池長11.6m，邊墻為重力式混凝土墻，消力池坎高0.7m，混凝土底板厚0.4m，消力池前接3.0m的漿砌石扭面，后接5m的漿砌石扭面，扭面底板厚30cm。

通過經濟比較，方案一工程投資170.2萬元，方案二工程投資350萬元。方案一的比方案二工程直接投資小179.8萬元；

從安全考慮，方案一優于方案二，由于跌水相距太近，水流還未進入穩流狀態，就進入下級跌水，這樣不但不能降低流速，反而造成紊流，流態更加不好，同時也影響建筑物的正常引水；

從實際運行考慮，方案一較方案二的的渠道不易掛冰，易打冰。因此選擇方案一。

方案一，現澆混凝土指標均為C20W6F200。渠道襯砌板縱向縫在兩邊坡角和渠坡中部約1／2渠深處錯縫設置，橫向縫每2m設一道，重力墻每6m一道。縫寬1.5cm，縫內填閉孔塑料板，頂部1.5cm采用原漿封口。

考慮梯形渠道抗凍脹性優于矩形渠道，矩形渠道相對于梯形渠道不易掛冰的特點，采用矩形斷面擋土墻式結構渠道與梯形斷面渠道相結合的結構形式。

此段渠堤頂寬考慮到原渠道右側伴行路寬已滿足管理通車要求，本次設計渠堤頂寬不考慮通車要求，僅從運行安全方面考慮，設為2.0m，外邊坡設為1∶1。

4 效果評價

本渠道防滲采用現澆混凝土單防，斷面采用半挖半填、下半部為梯形、上半部為矩形的復合斷面。主要表現為一是渠道下半部為梯形、上半部為矩形，冬天引水流量穩定，水位線都在矩形斷面上，減少了結冰量，相應減少了凍脹破壞；二是渠道半挖半填、下半部為梯形、上半部為矩形，冬天運行打冰方便，矩形渠道比梯形渠道便于操作，有利于工作安全。

本工程自2006年建成自今，職工的冬季打冰每年只有1－2次，在保證安全的情況下，大大降低了職工的工作勞動強度，發揮了較好的作用。