新疆墨玉縣瑪奎牙干渠防滲改建工程設(shè)計(jì)分析

毛廣彬

（新疆瑞祥農(nóng)牧工程咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

瑪奎牙干渠灌區(qū)地處歐亞大陸腹地，農(nóng)業(yè)對(duì)灌溉系統(tǒng)的依賴(lài)較強(qiáng)，對(duì)灌區(qū)輸配水渠道的過(guò)水能力要求較高，現(xiàn)有渠系建筑物多為上個(gè)世紀(jì)中葉至上世紀(jì)末所建，大部分建筑物被沖刷、風(fēng)化及老化破壞嚴(yán)重，基本失去或部分失去工程職能，大部分分水閘閘門(mén)失調(diào)、啟閉設(shè)備老化。由于灌區(qū)內(nèi)渠道年久失修、且長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，致使渠道沖刷破壞更加嚴(yán)重，這樣的惡性循環(huán)使得灌區(qū)內(nèi)渠道輸配水能力不斷下降，農(nóng)作物灌溉保證率下降。本文圍繞新疆墨玉縣瑪奎牙干渠防滲改建工程展開(kāi)設(shè)計(jì)分析。

1 工程現(xiàn)狀

瑪奎牙干渠從躍進(jìn)總干渠末端的墨玉縣總閘口引水閘引水，始建于60年代，總長(zhǎng)42.0 km，本次防滲改造樁號(hào)15+000～31+550，其改造段長(zhǎng)度為16.55 km，現(xiàn)狀灌溉面積14.88萬(wàn)畝。15+000～31+550段干砌卵石渠道（過(guò)水流量為11.79 m3/s～3.35 m3/s，設(shè)計(jì)流量9.43 m3/s～2.85 m3/s）。干渠現(xiàn)狀共有渠系建筑物80座，其中節(jié)制分水閘10座、分水閘42座、木橋及砼橋共28座。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，需要重建節(jié)制分水閘9座、保留改造節(jié)制分水閘1座、重建分水閘42座、重建農(nóng)橋17座、保留農(nóng)橋11座。

（1）春旱缺水

灌區(qū)農(nóng)業(yè)為完全灌溉型，河道來(lái)水量在年內(nèi)變化較大，洪枯懸殊，年內(nèi)分配極不均勻，雖有南坪水庫(kù)可以調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)庫(kù)容過(guò)小，無(wú)法解決季節(jié)性缺水問(wèn)題，致使灌區(qū)春季缺水矛盾突出。

（2）工程老化、配套差

灌區(qū)內(nèi)大部分渠道為土渠，骨干工程修建年代過(guò)長(zhǎng)，由于當(dāng)時(shí)受技術(shù)、資金等條件的限制，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)普遍低，加之經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，許多工程年久失修，建筑物配套跟不上。大部分已襯砌渠道由于運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，很多渠段沖毀或因老化破壞而漏水，渠道、建筑物工程老化，使其性能及效益衰減加之管理不到位，造成水利用系數(shù)低、灌溉效益差。

（3）渠道老化失修，輸水能力降低

由于原襯砌形式為干砌卵石防沖，下設(shè)較薄的塑模防滲，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，塑模已超使用年限，老化破壞，沒(méi)有防滲效果，導(dǎo)致滲漏損失大，渠道水利用系數(shù)低，有效利用率低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。渠道不能達(dá)到設(shè)計(jì)過(guò)水能力，直接影響了灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉增產(chǎn)、增效。

2 干渠防滲改建設(shè)計(jì)

2.1 渠道縱斷面設(shè)計(jì)

在滿(mǎn)足灌區(qū)灌溉要求的前提下，結(jié)合上下游渠道已建節(jié)制及分水閘閘底板高程、渠道沿線(xiàn)地形及地質(zhì)揭露的地層巖性、地下水埋深、建筑材料分布現(xiàn)狀及水力條件和渠系建筑物布置等因素，盡量減少渠道改建工程量，且投資經(jīng)濟(jì)合理，在確保渠道防凍脹及安全運(yùn)行的前提下，以滿(mǎn)足渠道防滲改建施工、防沖防淤、防凍脹各項(xiàng)要求。同時(shí)，盡量避免地下水位的影響，控制渠道設(shè)計(jì)流速等，在此基礎(chǔ)上合理確定各渠道的縱斷面的縱坡設(shè)計(jì)[1]。

2.2 渠道橫斷面設(shè)計(jì)

本次干渠防滲改造工程的主要目的是解決現(xiàn)狀渠道中存在的滲漏問(wèn)題，同時(shí)綜合考慮襯砌、抗凍脹等要求。渠道是在老渠道基礎(chǔ)上進(jìn)行改建，應(yīng)結(jié)合老渠實(shí)際的橫斷面選擇合理的橫斷面，并在保證渠道安全輸水的前提下做到工程量較小。綜合考慮渠道的水力條件和施工條件等因素，渠道橫斷面型式采用梯形斷面。

2.2.1 渠道橫斷面形式比選

瑪奎牙干渠現(xiàn)狀為干砌卵石防滲渠道，橫斷面為梯形渠道，渠底寬4 m～8 m，渠深2 m～2.2 m左右，邊坡1∶1.5。灌區(qū)經(jīng)多年運(yùn)行，底寬與設(shè)計(jì)施工時(shí)的情況有了一定的變化，僅僅按照公式去計(jì)算，設(shè)計(jì)出的渠道有時(shí)并不是最為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的，恰當(dāng)?shù)倪x取渠道設(shè)計(jì)斷面，會(huì)使渠道從結(jié)構(gòu)上顯得更加合理、經(jīng)濟(jì)上有所節(jié)約、施工中有所方便。

本次對(duì)奎瑪牙干渠設(shè)計(jì)選取2種斷面形式進(jìn)行比較:①原梯形渠道橫斷面；②原梯形渠道底寬縮窄橫斷面。

（1）原梯形渠道橫斷面

該斷面不改變?cè)菪吻罊M斷面，只是在原干砌石渠道上現(xiàn)澆10 cm厚的混凝土板，因渠道已經(jīng)運(yùn)行多年，邊坡砌石缺失較多且局部有樹(shù)木存在，底寬與設(shè)計(jì)施工時(shí)的情況出現(xiàn)一定變化，局部渠段渠道底寬較大，瑪奎牙干渠渠道底寬為4 m～8 m。對(duì)渠道邊坡原有砌石挖除并修坡后現(xiàn)澆混凝土板，對(duì)存在凍脹性渠段換填厚度30 cm的砂礫石后進(jìn)行襯砌；渠底保留干砌石，并在其上部現(xiàn)澆混凝土板，因渠底不規(guī)則需要局部增加混凝土找平。

該方案工程量較小，可以很好地利用原設(shè)計(jì)斷面，但設(shè)計(jì)斷面底寬較大，由于瑪奎牙均已改建完成，且完建段渠道橫斷面均采用原渠道斷面方案，因此本方案可與下段完建渠道順利對(duì)接；同時(shí)該方案可在渠道停水期快速施工，施工周期較短，能較好減少對(duì)灌溉的影響，此方案瑪奎牙干渠每公里渠道建筑工程投資221.58萬(wàn)元，投資均較少。

（2）原梯形渠道底寬縮窄橫斷面

該斷面將原梯形渠道橫斷面底寬縮小，因渠道已經(jīng)運(yùn)行多年，底寬與設(shè)計(jì)施工時(shí)的情況有了一定的變化，局部渠段渠道底寬較大，考慮渠道實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面水力學(xué)要素，其中瑪奎牙干渠將底寬縮小至5 m，在底寬大于5 m的渠段，在渠道兩側(cè)邊坡內(nèi)回填土方，填筑至需要的底寬時(shí)，再進(jìn)行混凝土板的襯砌，渠底局部也需砂礫石填筑及混凝土找平。

該方案使渠道從結(jié)構(gòu)上顯得更加合理，但土方填筑工程量較大，兩側(cè)土方填筑施工難度較大，局部渠段需要人工碾壓，施工周期相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)灌溉的影響較大，且該方案渠道斷面與下段已完建渠道斷面相差較大，對(duì)灌區(qū)內(nèi)部調(diào)配水影響較大。此方案奎牙干渠每公里渠道建筑工程投資286.74萬(wàn)元，投資均較高。

通過(guò)比選，本階段推薦采用方案一。

2.2.2 渠道橫斷面襯砌防滲方案確定

干渠中選用三種方案進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 渠道橫斷面襯砌防滲方案比較表

根據(jù)以上特點(diǎn)，考慮到工程投資以及施工技術(shù)難度等因素，推薦現(xiàn)澆砼板防滲方案。

2.3 渠道抗凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)資料，引水渠渠基為低液限粉土層，粒徑小于0.075 mm的土粒含量大于《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 23-2006）3.3.1規(guī)定的10%，屬于凍脹性土。由于渠道需要冬季運(yùn)行，本渠道有渠床凍脹條件，需要進(jìn)行抗凍脹設(shè)計(jì)。常用凍脹土基的處理方法有置換法和設(shè)保溫層法[2]，本工程對(duì)這兩種方法進(jìn)行比較。

（1）渠床置換法

采用砂礫石置換渠基土。置換厚度Ze按下式計(jì)算:

式中：ε為置換比，%，地下水深度Zw＞Zd+100，含細(xì)粒土砂，因此渠道的渠底、坡面上部采用40%～50%，ε值取為45%；δ0為襯砌板厚度，為10 cm。

經(jīng)計(jì)算，渠道陰陽(yáng)面（渠道的渠底、坡面上部）置換層厚度分別為29.5 cm、22.40 cm、27.35 cm。渠道置換層厚度按置換層厚度按最大值來(lái)確定，因此，干渠置換層厚度取為Zn＝30 cm。

（2）設(shè)保溫層法

渠基設(shè)聚苯乙烯泡沫塑料板保溫層。聚苯乙烯泡沫塑料板的厚度按（SL 23-2006）中公式（A.0.2）計(jì)算:

式中:δx為聚苯乙烯泡沫塑料板厚度，m；R0為工程保溫基礎(chǔ)設(shè)計(jì)熱阻值，m2·℃/W，R0＝0.06I00.5ψd，I0為工程地點(diǎn)的凍結(jié)指數(shù)，℃·d，根據(jù)氣象資料，本工程區(qū)I0=117℃·d;αw為聚苯乙烯泡沫塑料板的導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)，查表A.0.2選取。δc為基礎(chǔ)砼板厚度，m；λx為聚苯乙烯泡沫塑料板在自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)；λc為基礎(chǔ)砼板的導(dǎo)熱系數(shù)。

計(jì)算得:δx=0.043 m，取為 5 cm。

（3）方案比較

本工程從材料性能、施工、投資等方面進(jìn)行比較：通過(guò)方案比較，置換法施工成本低，投資較小，因此確定本工程全渠段防凍脹采用置換法，即在渠底、渠坡墊30 cm厚砂礫石防凍層。要求砂礫石級(jí)配良好，有足夠的砂粒充填礫石空隙，以保證基土顆粒不會(huì)穿透到砂礫石層中，以防止置換層被淤塞。要求砂礫石中最大粒徑不大于50 mm，小于0.05 mm顆粒含量不超過(guò)6%,含砂量20%～40%,有機(jī)質(zhì)含量小于5%,水溶鹽含量小于3%（按重量比計(jì)）。

3 結(jié)語(yǔ)

瑪奎牙干渠防滲改建工程通過(guò)減少渠道滲漏，提高水資源利用率，節(jié)約水資源，可彌補(bǔ)枯水期因水量不足對(duì)農(nóng)作物的影響，為提高作物產(chǎn)量，增加農(nóng)民收入創(chuàng)造有利條件。項(xiàng)目實(shí)施后，避免了由于渠道滲漏而引起的地下水位上升，減輕了土壤的次生鹽堿化，有利于土壤生態(tài)環(huán)境的改善，有利于保持和提高土壤肥力，提高土地生產(chǎn)力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向良性發(fā)展。

節(jié)約的水量可用于發(fā)展果林業(yè)，以達(dá)到涵養(yǎng)水源，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡的目的，對(duì)改善改善灌區(qū)內(nèi)區(qū)域小氣候、降低灌區(qū)內(nèi)風(fēng)速、減小風(fēng)災(zāi)損失、減輕霜凍及干熱風(fēng)危害有重要的意義。