50團(tuán)灌區(qū)骨干工程節(jié)水改造項(xiàng)目方案淺析

穆 燕

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

1 項(xiàng)目區(qū)概況

50團(tuán)地處塔克拉瑪干大沙漠和塔里木盆地西部邊緣，葉爾羌河下游，屬第三師前海大型灌區(qū)的小海子灌區(qū)團(tuán)場之一，土地面積83.02萬畝，現(xiàn)有有效灌溉面積22.68萬畝。50團(tuán)灌區(qū)地形平坦，平均縱坡約1/2500，灌區(qū)土壤是以棕漠土為主的地帶性土壤。50團(tuán)灌區(qū)地表水源地為葉爾羌河，經(jīng)中干渠從永安壩北庫南、北兩閘引水至灌區(qū)使用。2017年斗口凈引水量為8854.86萬m3，預(yù)計(jì)到2021年地表水控制引水量為13234.00 萬 m3。

50團(tuán)灌區(qū)骨干節(jié)水改造項(xiàng)目位于葉爾羌河流域，涉及葉爾羌河及其支流提孜那甫河。葉爾羌河位于新疆西南部，塔里木盆地西南緣，流域總面積8.577萬km2，河流全長1281 km。提孜那甫河流域發(fā)源于昆侖山北坡，屬消融型河流，河流全長335 km，其中江卡渠首出山口以上山區(qū)河段190 km，以下平原區(qū)河段145 km，河流尾端自右岸匯入葉爾羌河，提孜那甫河出山口玉孜門勒克站多年平均徑流量為8.14×108m3。

2 水文

葉爾羌河先后設(shè)立過13處國家基本水文站，與本項(xiàng)目水文分析計(jì)算有關(guān)的有喀群、依干其渡口、東河灘、48團(tuán)渡口、艾里克塔木五處水文站；提孜那甫河先后設(shè)有3處國家水文站，分別是玉孜門勒克、江卡和九道橋水文站，后又在中下游設(shè)立一處水量控制站提河總斷面。葉爾羌河流域水系及水文站網(wǎng)分布示意圖見圖1，各水文參證站資料見表1。

表1 各水文參證站資料觀測年限一覽表

圖1 葉爾羌河流域水系及水文站網(wǎng)

計(jì)算得到葉爾羌河和提孜那甫河各頻率來水量成果見表2。

表2 葉爾羌河和提孜那甫河各頻率來水量成果單位：108m3

3 項(xiàng)目實(shí)施方案

3.1 工程現(xiàn)狀

50團(tuán)灌區(qū)內(nèi)灌溉設(shè)施主要有水源工程、蓄水工程、輸配水工程（渠道）、機(jī)井和田間節(jié)水灌溉設(shè)施等。水源工程共包括小海子水庫、永安壩南庫、永安壩北庫三座水庫，小海子水庫從葉爾羌河艾利克塔木引水樞紐引水后，通過南北閘兩條自然河道泄水到永安壩北庫，同時(shí)利用兩座調(diào)節(jié)閘同永安壩南庫連接相互調(diào)節(jié)供水，永安壩北庫蓄水引向灌區(qū)各團(tuán)場。

50團(tuán)灌區(qū)有干渠2條，總長31.7 km、輸水支渠47條，總長度150.5 km，現(xiàn)狀多為預(yù)制板襯砌渠道，受凍脹破壞已鼓脹變形脫落，需改建長度合計(jì)82.33 km。現(xiàn)有斗渠253條，總長226.27 km，流量0.10 m3/h～0.30 m3/s；現(xiàn)有機(jī)井296眼，井深40 m～80 m，單井出水量50 m3/h～80 m3/h。50團(tuán)位于前海灌區(qū)最下游，整體地下水位較低，鹽漬化較輕，建有排渠58.54 km。當(dāng)前渠道滲漏嚴(yán)重，輸水效率低、渠系建筑物配套不完善，啟閉機(jī)缺失，現(xiàn)有的渠系建筑物老化破損嚴(yán)重，管護(hù)設(shè)施缺失。

3.2 水量平衡

根據(jù)50團(tuán)2017年地表水引水資料，斗口的凈引水量為8854.86萬m3，根據(jù)新疆用水總量控制方案，到設(shè)計(jì)水平年

（2021年）50團(tuán)地表水控制引水量為13234.00萬m3，可開采地下水量為696.3萬m3/年。

現(xiàn)狀年50團(tuán)灌區(qū)毛需水量為14736.16萬m3，缺水的主要原因是來水量不足、渠道滲漏導(dǎo)致的利用率低下。設(shè)計(jì)水平年50團(tuán)灌區(qū)毛需水量為13762.00萬m3。根據(jù)用水總量目標(biāo)分解的水量控制指標(biāo)，地下水供水量小于地下水控制指標(biāo)，達(dá)到供需平衡。

通過對灌區(qū)骨干工程進(jìn)行防滲防滲改建，提高了渠道水利用系數(shù)，工程節(jié)水由以下公式計(jì)算:

式中:V節(jié)為該工程到設(shè)計(jì)水平年的節(jié)水量；V基數(shù)為以水平年為基數(shù)的引水量；η設(shè)、η現(xiàn)分別為設(shè)計(jì)水平年和現(xiàn)狀年該渠道的渠道水利用系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 節(jié)水量計(jì)算表 單位：萬m3

計(jì)算表明，項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀年農(nóng)業(yè)灌溉缺水402.73萬m3，通過渠道防滲改建后，減少地下水開采，至設(shè)計(jì)水平年時(shí)項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉達(dá)到供需平衡，本項(xiàng)目可提高灌溉水利用系數(shù)0.027，可節(jié)水357.32萬m3/年。

3.3 工程布置

以現(xiàn)有灌溉體系為基礎(chǔ)，以防滲改造為工程手段，考慮到項(xiàng)目區(qū)以種植棉花、經(jīng)濟(jì)林果為主，灌溉方式以渠道輸水、地面灌溉為主。總體布置所有工程基本沿原有渠線改造，同時(shí)配套管護(hù)設(shè)施和灌區(qū)信息化設(shè)施；主要對破損嚴(yán)重、影響輸水的干支渠進(jìn)行防滲襯砌。

3.4 建設(shè)任務(wù)

本次工程共防滲改建渠道28條，總長78.55 km。其中干渠1條，長8.23 km；支渠28條，總長69.62 km；配套渠系建筑物239座，其中閘162座，農(nóng)橋77座；重建管理站房1座；新建砂礫石伴渠路13.22 km；新建斗口水量自動(dòng)計(jì)量點(diǎn)241處，改建渠道連接段15.8 km。干渠設(shè)計(jì)流量12.0 m3/s，工程級別為4級，其渠道建筑物工程級別為4級；支渠設(shè)計(jì)流量2.6 m3/s～0.2 m3/s，工程級別為5級，其渠道建筑物工程級別為5級。

3.5 工程設(shè)計(jì)

3.5.1 渠道設(shè)計(jì)

以四支干渠、中干2號(hào)閘一支渠、四支干渠二十五支渠為例，進(jìn)行干、支渠渠道工程設(shè)計(jì)。四支干渠設(shè)計(jì)縱坡與原縱坡基本保持一致；中干2號(hào)閘一支渠起點(diǎn)高程高于中干渠2號(hào)閘閘底導(dǎo)致引水困難，本次適當(dāng)降低起點(diǎn)高程；四支干渠二十五支渠起點(diǎn)高程接四支干渠末點(diǎn)，前后段分兩次建設(shè)，本次設(shè)計(jì)要消除前后段高差。三個(gè)算例的各項(xiàng)水力要素見表4。

干渠斷面采用弧形坡腳梯形斷面，全斷面采用10 cm厚C20混凝土現(xiàn)澆板襯砌，下鋪兩布一膜（布150 g/m2、膜0.3 mm、布150 g/m2），防凍脹采用40 cm厚砂礫石墊層，渠道內(nèi)邊坡1∶1.75，外邊坡1∶1.5，兼做伴渠路的渠堤寬3.5 m，無伴渠路的渠堤寬2.5 m。支渠采用梯形斷面，全斷面采用8 cm厚C20混凝土現(xiàn)澆板襯砌，下鋪兩布一膜，防凍脹采用40 cm厚砂礫石墊層，渠道內(nèi)外邊坡均為1∶1.5，兼做伴渠路的渠堤寬3.5 m，無伴渠路的渠堤寬1.0 m。混凝土采用C20二級配砼現(xiàn)澆，砼強(qiáng)度為C20，抗凍等級為F150，抗?jié)B等級為W6。

3.5.2 水閘設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用開敞式設(shè)計(jì),閘后邊坡用扭面與閘室連接，閘室為整體現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)，閘底與渠底平齊。閘室、隔墻、工作橋砼強(qiáng)度等級均為C25，抗凍等級為F150，抗?jié)B等級為W6，閘門板均采用平板鋼閘門，啟閉機(jī)采用側(cè)搖螺桿式啟閉機(jī)。以中干2號(hào)閘一支渠1+048.5節(jié)制分水閘為例進(jìn)行計(jì)算，節(jié)制閘設(shè)計(jì)過閘加大流量0.81 m3/s，分水閘過閘流量0.20 m3/s。閘孔寬度計(jì)算公式如下:

式中:Q為過閘流量，m3/s；B0為閘孔總凈寬，m；σ為堰流淹沒系數(shù)；m為堰流流量系數(shù)，取0.385；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；H0為計(jì)入行近流速水頭堰上水深，m。

表4 各渠道水力要素表（糙率n=0.015；邊坡系數(shù)m干=1.75，m支=1.5）

閘孔尺寸計(jì)算成果表見表5。消能判定見表6，由表可知閘下水躍為淹沒式，下游不需要修建消能工。

表5 閘孔尺寸計(jì)算成果表

表6 消能判定表

本次改建水閘均為5級建筑物，結(jié)構(gòu)簡單，僅計(jì)算正常運(yùn)行工況的閘室穩(wěn)定性。正常工況最大過流0.81 m3/s，閘上游水位0.88 m，閘下水位0.80 m，基底摩擦角f=0.4，砼容重=24 kN/m3。上部荷載1為4.5 kN，上部荷載2為3.5 kN。根據(jù)閘室基底應(yīng)力計(jì)算公式:

閘室基底面抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式:

經(jīng)計(jì)算，閘室基底大小應(yīng)力比為1.34，小于允許值1.5，滿足要求；抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc=3.77，大于允許值1.20，滿足要求。

3.5.3 農(nóng)橋設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目新建、重建農(nóng)橋77座，橋所在道路屬于鄉(xiāng)村便道，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD 60-2004），設(shè)計(jì)荷載按公路二級80%折算。結(jié)構(gòu)型式采用鋼筋混凝土板式橋，橋墩基礎(chǔ)為重力墩結(jié)構(gòu)形式。農(nóng)橋跨度為2.5 m～6.0 m，農(nóng)橋橋面寬度根據(jù)相交道路寬度和通行對象確定，人行橋?qū)挾热?.5m～3.0 m，機(jī)耕橋?qū)挾热?.5 m～8.0 m，橋墩砼強(qiáng)度等級C25，橋面板和臺(tái)帽砼強(qiáng)度等級均為C30，抗凍等級為F150，抗?jié)B等級為W6。農(nóng)橋計(jì)算簡圖見圖2。

圖2 農(nóng)橋計(jì)算簡圖（尺寸單位：cm）

渠道沿線土對混凝土結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，對結(jié)構(gòu)中鋼筋具有中等腐蝕性。在建筑物混凝土表面與土接觸的結(jié)構(gòu)外側(cè)涂刷3 mm厚瀝青防腐層。

3.5.4 管護(hù)工程

50團(tuán)四個(gè)片區(qū)共有3處管理站房，分別位于東方紅片區(qū)二支渠起點(diǎn)、七連片區(qū)六支渠起點(diǎn)、夏河營片區(qū)二十一支渠起點(diǎn)，其中東方紅片區(qū)的管理站房年久失修，需拆除重建。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50288-2018），東方紅片區(qū)的管理站建筑物設(shè)計(jì)面積180.67 m2，建筑結(jié)構(gòu)形式為磚混結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用年限為二類50年，抗震設(shè)防烈度為7度2組，設(shè)計(jì)抗震類別為丙類。

本次改建干支渠中，在沿線無伴渠路或機(jī)耕道的渠道新建伴渠路，利用單側(cè)渠堤新建3.5 m寬伴渠路，伴渠路渠堤上鋪裝30 cm砂礫石墊層。新建伴渠路總長13.22 km，其中四支干渠2.47 km、中干2號(hào)閘一支渠2.65 km、中干2號(hào)閘二支渠4.72 km、中干二支渠3.38 km。

為達(dá)到精準(zhǔn)計(jì)量、自動(dòng)監(jiān)測，采取量水槽與自動(dòng)監(jiān)測站配合設(shè)計(jì)。考慮到現(xiàn)有斗渠縱坡較緩，渠水中含懸移質(zhì)泥沙，采用無喉道量水槽和磁浮子水位計(jì)，測量后利用網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，使用太陽能作為供電單元，做到自動(dòng)化量水。磁浮子水位監(jiān)測站安裝設(shè)計(jì)圖見圖3。

圖3 磁浮子水位監(jiān)測站安裝設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)論

本文通過對工程現(xiàn)狀和供需水量分析，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，進(jìn)行渠道、水閘、農(nóng)橋以及管護(hù)工程設(shè)計(jì)，通過采用無喉道量水槽和磁浮子水位計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)自動(dòng)監(jiān)測，最終形成了節(jié)水改造設(shè)計(jì)方案。通過對50團(tuán)灌區(qū)骨干工程節(jié)水改造項(xiàng)目方案進(jìn)行研究，為本次修復(fù)改建提供技術(shù)依據(jù)的同時(shí)，也可為本地區(qū)其它相似工程的修復(fù)提供設(shè)計(jì)思路。從50團(tuán)灌區(qū)骨干工程節(jié)水改造項(xiàng)目的實(shí)施效果來看，該方案是合理的。