三屯河灌區西干渠跨河倒虹吸及渡槽比選方案分析

滕 毅

(烏魯木齊市水利勘測設計院(有限責任公司)，新疆 烏魯木齊 830001)

1 工程概況

三屯河灌區經過40年的水利建設，現已建成三屯河水庫、東西兩大引水樞紐為主體的灌區配套工程，灌溉面積4.8萬hm2。三屯河水庫位于昌吉市以南32.0 km，是一座以灌溉為主，結合防洪的中型水庫,興利庫容2600萬m3，防洪庫容3500萬m3。20世紀70年代，三屯河灌區中下游還修建有平原水庫數座，總庫容1480萬m3，均為土壩。現除芨芨廟水庫仍發揮效益外，其余平原水庫長年干枯或已廢棄。芨芨廟水庫庫容600萬m3，均質土壩，壩長3.5 km，壩高4 m，灌溉面積0.3萬hm2。西干渠首位于三屯河水庫下游22.0 km河道上，1962年竣工,已于2005年完成改建。東干渠首位于三屯河西干渠下游5.0 km，1965年動工修建，1966年開始運行。西干渠建于1961—1962年，位于三屯河西岸，全長達20.8 km。東干渠建于1965—1966年，位于三屯河東岸，全長15.5 km。盤山渠位于西干渠首以上5.0 km，依三屯河西岸山坡盤山而建，全長9.3 km。三屯河灌區干渠、支渠防滲共計189.9 km，其中干渠防滲36.3 km，防滲率為79.6%，支渠防滲153.4 km，防滲率為78.4%。干渠、支渠的橋、閘、涵、渡槽共計300座。

2 跨渠方案比選分析

根據兩個方案工程布置形式，方案一采用倒虹吸方案，方案二采用渡槽方案，以下從工程布置、防沖防滲性能、河道過洪能力、泥沙淤積問題、運行管理、工程施工、建筑材料和工程投資等方面進行綜合比較[1-2]。

2.1 工程布置

從工程布置上來講以上兩種方案都可以實現且無技術難點，方案一采用倒虹吸的形式需將老建筑物拆除重建，方案二采用渡槽的形式是在原建筑物上游20 m處重新選線新建，兩個方案在工程現場的布置上均是可行的，工程現場場地開闊對兩個方案的建筑物布置均無不利影響，對施工總布置也無不利影響[3-5]。

2.2 抗沖、防滲性能

方案一倒虹吸管采用PCCP管，管內計算流速為3.25～3.93 m/s在所選管材的抗沖流速范圍內，因此PCCP管在本工程的應用中抗沖防腐性能較好，PCCP管采用承插式接口防滲性能較差，且由于工程建成后管道將一直處于深埋狀態，因此管道一旦產生滲漏問題檢修維護將十分困難[6]。

方案二渡槽方案的槽內流速為4.66～4.96 m/s 均處在混凝土的抗沖流速范圍內，因此渡槽的抗沖性能較好，渡槽接縫止水采用橡膠止水施工工藝成熟、質量可靠，防滲性能較好，且由于渡槽為露天建筑物，因此檢修維護十分便利。

2.3 河道過洪能力

在輸水工程與河流相交時必須考慮所建建筑物對河道洪水宣泄所產生的影響，方案一倒虹吸方案由于倒虹吸管從河道底部通過因此不影響河道正常過洪要求。方案二渡槽方案由于原跨河涵洞進出口的高程較低，如按此高程修建渡槽則槽身距河道最低點高程僅為1.8 m左右，嚴重影響了河道的泄洪，因此需將原河床下挖2.0 m左右已保證該處泄洪要求，而下挖河床勢必對原河道的河勢進行大的調整和改動，這是跨河建筑物建設中需盡量避免的不利因素；鑒于以上問題，結合西干渠縱坡較陡的特點(跨河涵洞上游渠道縱坡1/85)本次渡槽設計在渠道上游約300 m處重新選線新建渡槽上游渠道，新建渠道位于原渠道右岸約20 m處，新建渠道縱坡為12/1000至渡槽處渠底高程將比原建筑物進口高程高2.0 m，將渡槽升高后僅需對渡槽底部部分河床進行平整即可，無須改變原河道河勢，因此渡槽底部過洪通道高度為3.5 m，跨河渡槽處河道設計洪水標準為30年一遇，洪峰流量為478.1 m3/s，校核洪水標準為100年一遇，洪峰流量為728.2 m3/s，完全滿足三屯河100年一遇洪水的過洪要求。目前河道在原跨河涵洞處下切嚴重，主要原因是下游新建數十處采沙場將河沙開挖后用于商品混凝土骨料，由于沙場的不斷開挖致使下游河床越來越低，導致上游河道下切嚴重，目前原跨河涵洞底部已完全被河水淘出嚴重影響了建筑物的安全運行，針對以上情況本次兩個方案的設計中都考慮了跨河建筑物在河道下游防沖的問題，但由于在河道內采砂帶來的弊端較多因此很多河道均以采取措施禁采(如頭屯河已禁采)，因此如果三屯河也采取措施禁采則該處河道在禁采多年后下游逐漸抬升有可能造成上游開始淤積，因此渡槽方案底部的過洪通道可能會逐漸減小而影響河道過洪[7]。

2.4 泥沙淤積問題

由于三屯河泥沙含量較大，尤其在洪水期懸移質泥沙甚至推移質泥沙均可進入西干渠，原跨河涵洞以上渠道縱坡較陡(平均約為1/100縱坡)，泥沙基本不在渠道內淤積，因此在通過原跨河涵洞時由于倒虹吸水頭損失較大，且原跨河涵洞進出口均無控制閘無法控制倒虹吸內流速，造成泥沙在倒虹吸內大量淤積，目前原三孔倒虹吸管已有一孔徹底淤死無法工作，綜上分析本次跨河輸水建筑物的建設需重點考慮泥沙淤積問題[8]。

方案一倒虹吸方案設計原理與原跨河涵洞相同，因此也存在水頭損失大，管內流速低泥沙容易淤積的問題，因此針對以上問題在方案一的設計中重點突出了防止泥沙淤積的工程措施主要有以下三點：

(1)在倒虹吸進口上游設置沉沙池，沉沙池采用直線型機械清沙式沉沙池，在洪水期可以保證推移質不進入倒虹吸管，但由于三屯河泥沙含量大，因此沉沙池的運行周期較短，洪水期清沙次數較多、費用較高，運行管理難度較大。

(2)在倒虹吸進出口均設置控制閘門，根據來流量的大小通過閘門調節來對三條管道進行調度運行，枯水期減小運行管道的數量，并盡量采用小管徑的管道輸水，這樣可以最大限度地保證管內流速不低于泥沙的啟動流速，以減少管道淤積的風險，但這樣的同時將增加運行管理的難度，需同時調度進出口閘門對運行管理人員的素質要求較高，且需實施監控渠首的引水流量并迅速調整運行方式

(3)本次方案一仍采用三根管的設計方案，但對管道直徑進行了調整，采用兩根1.8 m直徑的大管和一根1.4 m直徑的小管，這樣可以根據進出口至閘門流量的大小選用合適的管道過水以保證管內有較大的流速來預防泥沙淤積。如果通過以上工程措施倒虹吸管內仍產生淤積則清淤將非常困難。

方案二渡槽方案采用3.7 m凈寬的開敞式矩形渡槽，渡槽縱坡1/150，槽內流速較大泥沙不易淤積，且渡槽底部平坦，寬度較大，一旦槽內淤積可采用機械清沙方式，方便快捷。

2.5 運行管理

方案一的運行管理主要由3部分組成：

(1)沉沙池的運行管理，包括沉沙池進口閘門的調度運行和機械清沙的組織運行。

(2)倒虹吸進出口閘門的調度運行，該運行需配合引水渠首的引水量進行綜合調度。

(3)管道淤積后的清理問題。

方案二的運行管理非常簡單包括兩部分：

(1)渡槽的運行維護。

(2)槽身內淤積泥沙的清理問題。

通過以上對比分析，渡槽方案的運行管理比倒虹吸方案將大為簡化，對運行管理的要求和人員素質均較低。

2.6 工程施工

方案一倒虹吸方案的設計是老建筑物拆除重建，因此為避免施工期于灌溉期的矛盾需在上游修建導流渠以保證下游1.87萬hm2農田的灌溉需求，同時由于倒虹吸管道采用PCCP管因此施工周期較短，施工難度較小，無冬季施工問題，質量較易控制。

方案二渡槽方案是在老建筑物上游約20 m處重新選線新建建筑物，老建筑物不拆除作為施工導流建筑物使用，因此本方案不存在施工導流的問題，但由于本方案渡槽基礎采用灌注樁基礎，因此施工周期相對較長，施工復雜難度較大，由于不存在施工期與灌水期的矛盾因此施工時間的選擇較靈活，不存在冬季施工的問題，施工質量較易控制。

2.7 工程投資

方案一工程投資較大，直接費為1108萬元，方案二投資較小，直接費為820萬元，但方案一中運行管理費用較大，僅沉沙池每年的機械清淤費用就是一筆不小的開支，因此從工程直接投資與運行管理成本上分析，方案二均較方案一為優。

綜合以上分析結果推薦方案為方案二,即渡槽方案為推薦方案。

3 結 論

結合三屯河灌區西干渠老倒虹吸運行過程中存在的問題，本文針對跨三屯河的倒虹吸和渡槽方案，從工程布置、防沖防滲性能、河道過洪能力、泥沙淤積問題、運行管理、工程施工、建筑材料和工程投資等方面進行綜合比較，渡槽方案為跨河建筑物的最佳方案，故推薦采用渡槽方案為西干渠跨三屯河建筑物方案。