新疆塔城錫伯圖中型灌區干渠改造設計分析

馬小甜

(塔城地區水利水電勘察設計院，新疆 塔城 834700)

灌區現有水利工程大部分始建于20世紀70～80年代，在2008年～2012年進行過兩次局部段維修改造，骨干工程經數十年運行，干支渠沿線均有不同程度的老化、破損，嚴重影響到渠道正常運行且現狀有局部渠道為土渠無法滿足現代化灌溉要求[1-2]。

錫伯圖灌區主干渠水源為錫伯圖河，現狀從錫伯圖渠首進行引水。主干渠全長23.15 km，設計引水流量為12 m3/s，采用渠底弧形、邊板為梯形的復合斷面，襯砌材料渠底主要采用漿砌石，邊板主要采用砼板，平均縱坡0.0103～0.0250。由于水源泥沙較大且縱坡較陡，在渠道樁號0+000～3+685、8+649～21+722兩段渠道底板的沖刷破壞非常嚴重，渠道樁號21+722～22+655段由于不均勻沉降，發生淤積現象，影響渠道正常運行，干渠作為灌區的龍頭，直接影響下游灌區灌溉保證率同時也影響下游渠道的運行安全。

1 灌區基本概況

錫伯圖灌區地處塔城市東北部。該灌區始建于1966年，灌溉面積目前已發展為28.85萬畝(其中高效節水灌溉面積20.85萬畝)，是塔城市重要的糧食生產基地。

錫伯圖灌區的水源主要來自于發源于塔爾巴哈臺山東段南坡的錫伯圖河，由《塔城市錫伯圖河水文分析計算報告》可知錫伯圖河集水面積180 km2，河長29.2 km，多年平均徑流量6621×104m3；水源補給主要為降水、融雪和泉水；區內汛期短暫，徑流量相對集中在4月～6月，占到年徑流量的58%，枯季徑流時間持續較長，徑流量小。

根據卡瑯古爾水文站的資料分析，多年平均氣溫3.6℃，極端最低氣溫-40.5℃(1974年)，極端最高氣溫35.0℃(1974年)，氣溫年較差和日較差都較大。多年平均降水量為472.7 mm，多年平均最大風速17 m/s，瞬時最大風速40 m/s，多年平均水面蒸發量為1685.7 mm，實測最大凍土深1.46 m。

2 干渠條件分析

(1)渠道凍脹問題

根據顆分資料，渠道沿線分布的卵石混合土粒徑小于0.075 mm的顆粒含量小于10%，屬非凍脹土，且該土層滲透性好，地下水位低于設計渠底高程，無凍脹問題；渠道沿線分布的粉土粒徑小于0.075 mm的顆粒含量大于10%，屬凍脹土，設計須考慮抗凍脹問題[3]。

(2)渠道滲漏問題

渠道沿線分布的卵石混合土層，其滲透系數為2.3×10-2cm/s，屬強滲透性土層，存在渠水滲漏問題，因此，渠道應全斷面防滲[4]。

(3)渠道抗沖問題

渠道沿線出露地層巖性主要為卵石混合土、粉土，其抗沖蝕能力均較差，渠道須進行抗沖處理。

根據對灌區干渠、支渠工程的現狀評價，本次對評價為c類、d類的渠道進行改造。渠道改造總長度47.31 km(不包括渠道管道化部分)，其中改造干渠17.69 km，改造支渠8條，共29.63 km。改造內容見表1。

其二，地震法。在應用地震法的過程中，具體在勘查地質狀況的過程中應用地震波，深入分析地震波所呈現出的形式，對礦產資源的分布狀況進行深入的了解，結合地震波所表達的信息數據，來研究各層次的土壤，結合信息圖像來研究礦產的含量，這樣才能充分了解這一礦區的實際狀況。結合地質結構的設計狀況來進行礦產勘查，有著極高的精準性，因此，該方法在目前的礦產勘查工作者有著極為廣泛的應用。

表1 干支渠改造統計表

3 干渠設計

本次干渠選線考慮新建復線和沿用老渠線兩種方案。

新建復線渠線施工位于空曠地段，條件比較好，大大降低了施工難度，施工直接開挖或回填至設計斷面，工藝簡單，但開挖方量大，且后期涉及諸如占地等多方面問題，施工成本高。同時，灌區渠床目前已處于相對穩定狀態，若較大幅度調整縱坡，將會破壞渠床的穩定性，對周邊環境的安全造成危害。而采用老渠線時渠道施工需先清淤，對原渠底表面即將脫落的砼要鑿除，在將渠底沖洗干凈后，直接在渠底上加砌細粒砼砌卵石，施工方量小，投資低。

綜上所述，本工程宜采用老渠線方案。

(1)0+000～3+685設計方案比選

現狀干渠樁號0+000～3+685段，縱坡較陡，最大縱坡為0.035，底板沖刷嚴重，本次設計選定三種方案進行比選。

方案一：在現狀基礎上，利用現有邊板，渠底直接加砌0.3 m厚左右的C25F200W6細粒砼砌卵石進行防沖處理，建筑工程投資350萬元。

方案二：在現狀基礎上，利用現有邊板，底部在原底板基礎上，設0.2 m厚砼，在砼上插石進行防沖處理。插石長度約0.2 cm，插入砼2/3，外漏1/3，建筑工程投資650萬元。

方案三：3.68 km渠道，總落差72 m，拆除現狀渠道，總共需設置跌水18座，每級跌水跌差4 m，消力池寬4 m，池長15 m，池深0.6 m。建筑工程投資1000萬元。

方案二施工工藝較為復雜，需人工撿集符合尺寸的插石，撿集完成后，先澆筑砼，再人工交叉布置插石，對施工技術人員要求較高，施工質量不易控制。

方案三跌水方案，大挖大填，占地面積較大，現狀錫伯圖干渠0+000～3+685右岸即為與哈薩克斯坦第三道邊界線，且右岸為傍山段，施工范圍受限，跌水施工對原渠線的縱坡改變較大，因此會造成沿線渠線的高程銜接困難，跌水施工較為困難[5]。

綜合考慮，干渠樁號0+000～3+685段，采用方案一進行防沖處理。

(2)渠道流量確定

干渠控制灌溉面積18.73萬畝(其中錫伯圖灌區17.73萬畝，兵團166團灌區1萬畝)，對現狀渠道和渠系建筑物破損較嚴重部位進行維修和改造。

設計流量Q設灌=18.73×0.32/0.72=8.32 m3/s，加大流量Q加=1.25，Q設=1.25×8.32=10.4 m3/s。(其中：干渠樁號2+247處(地方與兵團分水節點，兵團分水量為0.44 m3/s)本次設計干渠18.28 km(樁號0+000～3+685和8+649～22+655段——干渠樁號0+000～3+685設計流量為8.32 m3/s，樁號8+649～22+655段設計流量為2.49 m3/s～0.28 m3/s。

(3)渠道斷面形式確定

由于本項目區渠道破壞主要在于底部沖刷嚴重，上部邊板基本完好，本設計借鑒本市其他灌區的實踐經驗[6]，干渠樁號0+000～3+685、8+649～21+722選用在渠底直接加砌C25F200W6細粒砼砌卵石的方案解決流速問題，使流速控制在4.63 m/s以內。干渠樁號21+722～22+655選用底部砌C25F200W6細粒砼砌卵石，上部接梯形砼板渠復合斷面襯砌型式使流速控制在1.15 m/s以內。

干渠樁號0+000～3+684.63段,流速為2.96 m/s～4.29 m/s，為了渠道運行安全，每50 m設一道隔墻，隔墻深度為1.0 m，隔墻寬度為50 cm。共設計隔墻74個。渠道旁設伴渠路，渠堤需考慮通車要求，故取為5 m，外邊坡1∶2。

(4)渠道橫斷面設計

本工程干渠樁號0+000～3+685、8+649～21+722段采用渠底加砌細粒砼砌卵石襯砌設計，邊坡與原渠道相同。根據《渠道防滲工程技術規范》(SL 18-2004)的相關規定，工程中細粒砼砌卵石渠底糙率和現澆砼邊坡糙率分別取0.024和0.016，渠道糙率采用綜合糙率，計算公式[7]：

nr=(n1×χ1+n2×χ2)/(χ1+χ2)。

根據《渠道防滲工程技術規范》(SL 18-2004)，干渠樁號0+000～3+685、8+649～21+722以渠底采用加砌細粒砼砌卵石防滲；干渠樁號21+722～22+655以細粒砼砌卵石作為底部防滲材料，邊板采用砼襯砌的復合斷面形式[8]。

(5)抗凍張設計

因干渠道同處錫伯圖灌區內，抗凍脹設計以干渠原設計斷面為例進行詳細說明計算。

本項目區屬于中溫帶氣候，最大凍土深度1.5 m，干渠部分的渠段地基土為低液限粉土，按重量比，粒徑d<0.075 mm的土粒占總土重的65.1%～67%，具有凍脹性，且考慮春季融雪水下滲等因素，需對渠道襯砌結構進行抗凍脹設計[9]：

Zd=ψdψwZm

ψd=α+(1-α)ψi

式中：ψd為日照及遮陰程度影響系數；ψw為地下水影響系數；Zm為歷年來最大凍土深度，為1.5 m；ψi為典型斷面某部位I的日照及遮陰程度修正系數，本工程取ψi=1.05；α為系數，查表3.1.4取0.51～0.52；β為土類系數，按表3.1.5取0.79。Zw0為鄰近氣象臺站地下水位深度，取3.0 m；Zwi為相應計算點地下水位深度，m。

表3 節水灌溉工程設計成果表

本工程設計凍深見表2(按渠道走向)。

表2 項目區渠道設計凍深計算表

4 結語

渠道防滲工程的實施，可減少渠系滲漏從而減少地下水補給量，對降低地下水位、減輕區域土壤次生鹽漬化、改良灌區土壤會產生積極作用。

本項目建成后，隨著足水灌溉面積的增加，渠道防滲工程的建設將大大減少渠道滲漏，提高灌溉水利用系數，促進灌區水資源的有效利用，對項目區社會經濟產生一定的有利影響，應嚴格結合實際情況進行工程設計，并通過優化工藝、嚴格管理等手段提高工程建設質量。