克拉瑪依引水工程西干渠維修改造工程研究

周從明

(新疆克拉瑪依市水務有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834000)

1 引言

引水工程在長期使用過程中會出現不同程度的損毀現象，將限制工程輸水效益的發揮[1-4]。引水工程渠道工程距離長、地質條件復雜，極易出現破損現象。結合克拉瑪依引水工程西干渠，分析渠道問題處理方法。

西干渠東起頂山分水閘，西至風城水庫，全長217.184 km。主要由輸水明渠和無壓輸水隧洞組成，其中明渠長207.164 km，無壓隧洞長10.02 km。工程設計標準為國家大(2)型水利工程，主要建筑物為2級，次要建筑物為3級。主要建筑物包括引水渠、隧洞、水閘和大型排洪建筑物，次要建筑物包括排洪、擋洪建筑物、公路橋等。西干渠于2000年8月1日試水，2001年5月1日正式通水運行。西干渠工程首段至末段設計流量為30 m3/s～61 m3/s，加大流量36 m3/s～73 m3/s，年輸水量6.8×108m3/a。西干渠沿線向阿勒泰黃花溝灌區分水1.3×108m3/a，控制灌溉面積18萬畝；向兵團184灌區分水1×108m3/a，控制灌溉面積14萬畝；向塔城地區和豐縣分水0.5×108m3/a，控制灌溉面積8萬畝；每年向克拉瑪依地區輸送工業用水1.9×108m3/a、農業用水2.1×108m3/a，控制灌溉面積50萬畝。

圖1 西干渠遙感影像圖

2 西干渠現狀問題分析

2.1 部分渠道超高不滿足加大流量輸水要求

2013年5月，西干渠進行了兩次分段加水試運行，以分析西干渠工程在高水位運行時存在的主要問題以及現狀情況下西干渠分段最大過水能力。根據調試結果，渠道以下3段存在渠道超高不足的問題。

①西干渠樁號213+100～213+380(原設計樁號H118+615～H118+895)，5號閘往下放水36.3 m3/s～36.6 m3/s時，該段渠道安全超高0.3 m～0.6 m，不滿足要求。

②西干渠樁號148+550～148+800，5號閘往下放水36.3 m3/s～36.6 m3/s時，該段渠道安全超高0.48 m～0.65 m。安全超高不足，同時渠壁變形比較嚴重、局部渠堤有明顯塌陷。

③西干渠樁號151+400～151+500，5號閘往下放水36.3 m3/s～36.6 m3/s時，該段渠道安全超高0.53 m～0.75 m，安全超高不足。

2.2 部分地段渠道“三脹”問題嚴重

西干渠原渠道建設時土方開挖采用大會戰形式，由于歷史原因，原渠道設計沒有對地基進行換填處理，有些渠基地層巖性以泥巖為主，含較多的膨脹土類礦物(如伊利石、蛋白石、蒙脫石等)遇水膨脹變軟；有些渠基戈壁土粉粘粒(<0.075 mm)含量>10%，渠道凍脹破壞嚴重；還有少部分渠段堤基含鹽量超過30%，溶解塌陷滲漏嚴重。渠道經過17年運行，基礎泥巖反復膨脹和凍脹變形，造成砼板斷裂、隆起、塌陷，降低了基礎承載力和渠道襯砌結構的強度，增加渠道滲漏，使渠道運行過程中維修量增加，風險增大。

2.3 5#隧洞超高不滿足要求

在西干渠運行時間不能延長或增加天數有限的情況下，要使整個西干渠達到原設計總輸水量，必須將設計引水流量加大。而控制整個西干渠通過加大流量的關鍵是輸水隧洞。根據供水公司提供的試運行測量資料，在設計流量46 m3/s條件下，5#隧洞入口超高0.6 m，出口超高1 m。在低流速無壓隧洞中，若通氣條件良好，在恒定流條件下，洞內水面線以上的空間不宜小于隧洞斷面面積的15%，且高度不應小于400 mm。假設橫斷面無水面梯度，隧洞馬蹄形斷面超高不應小于0.93 m。現5#隧洞入口實際超高遠小于設計規范要求值，不能長期安全運行。同時超高不足限制了渠道的輸水能力，需要對5#隧洞進行改造。

3 維修改造工程設計

3.1 西干渠加高設計

根據西干渠3段渠道安全超高不滿足加大流量輸水要求的情況，需對此3段渠道進行加高設計，保證加大流量輸水時渠道超高滿足要求；根據《灌溉與排水工程設計規范》(GB 50288-99)關于4、5級渠道岸頂超高的規定，其超高計算值至少為0.8089 m、0.8674 m，而對于2級渠道岸頂超高應按土石壩設計要求經論證后確定。根據《碾壓土石壩設計規范》(SL 274-2001)壩頂安全超高應為最大風浪在壩坡上的爬高與最大風壅水面高度和安全加高三者之和，2級建筑物的安全加高設計為1.0 m，校核為0.7 m，考慮西干渠加高后將經常以加大流量輸水，因此渠道安全超高統一取1.0 m。

根據2013年5月西干渠兩次分段加水試運行數據，主要加高渠道有以下幾段：

①干渠樁號213+100～213+380(原設計樁號H118+615～H118+895)，該段渠道在加大流量時安全超高為0.3 m～0.6 m，需加高0.4 m～0.7 m；

②西干渠樁號148+550～148+800，該段渠道在加大流量時安全超高為0.48 m～0.65 m。需加高0.35～0.52 m；

③西干渠樁號151+400～151+500，該段渠道在加大流量時安全超高為0.53 m～0.75 m，需加高0.25 m～0.47 m。

渠道加高在不改變原渠道斷面尺寸情況下進行，通過在渠邊增加“L”型直擋墻形式加高，擋墻采用C25現澆混凝土結構，擋墻豎向高出0.25 m～0.7 m，厚200 mm，水平向長400 mm～600 mm，厚300 mm。擋墻背坡采用砂礫石土填筑壓實。

3.2 西干渠5#隧洞漸變段維修

5#隧洞改造分為以下6部分內容。

(1)渠道反坡段：將平底梯形段改造成坡度為-0.0834的渠段，反坡段長5.0 m，底寬3.40 m，渠深4.60 m，底板厚0.30 m護坡為C20現澆混凝土，下部厚度0.30 m，上部厚度0.10 m，基礎換填0.6 m厚砂礫料，設置兩布一膜防滲，膜厚0.5 mm，布重250 g/m2。

(2)扭面段：扭面長度為50 m，由反坡段梯形渠道斷面向矩形段矩形斷面平順過渡，縱坡0.008，扭面末端為重力式擋土墻結構，根據規范要求，每隔10 m設置結構縫。

(3)矩形渠段：矩形段是向城門洞段過渡的結構，結構形式，為C25鋼筋混凝土結構，底寬4.30 m，渠深4.60 m，底板厚0.60 m，邊墻厚0.60 m～0.40 m，抗凍抗滲指標為F200W6，渠道縱坡0.0153，為增加矩形渠穩定，在渠道上部設置連系梁，梁間距2.50 m，連系梁尺寸450 mm×350 mm(高×寬)，兩段矩形渠中間設置橡膠止水帶，結構縫用2 cm高壓閉孔板填縫，上部用聚氨酯密封膠，深度5 cm。

(4)導流墻：根據實驗研究報告結果，在矩形段兩側設置導流墻，與渠深同高，寬度3.0 m，厚度0.25 m，采用預留插筋做法，插筋φ14@200布置。

(5)5#隧洞出口消力池處理：根據實驗研究報告結果，將5#隧洞出口消力池用C30混凝土回填。

(6)監控設施布置：為提高工程運行安全，在5#隧洞處設置監控系統。在隧洞出口地勢較高處配置一臺激光夜視儀及一套廣播喊話系統；利用伴渠光纜傳輸圖像和音頻信息，在黃旗壩監控中心顯示圖像及遠程喊話。

3.3 渠段“三脹”問題治理

根據西干渠沿線地質資料，沿線部分地段渠道坐落在膨脹土上，膨脹土是一種含一定數量親水礦物質(蒙脫石、伊利石、高嶺石或混層結構)且隨著環境的干濕循環變化而具有顯著的干燥收縮、吸水膨脹和強度衰減的粘性土，有的裂隙很發育，且液限和塑性指數較大，壓縮性偏低，在天然含水量狀態下較堅硬。膨脹土遇水膨脹、失水收縮的變形特性及其邊坡浸水后強度衰減的特性對渠道及底板極大的破壞作用，并且構成的破壞是不易修復的。

由于歷史原因，原渠道設計沒有對地基進行換填處理，渠基地層巖性以紅色泥巖為主，遇水膨脹變軟，導致渠道嚴重變形。渠道經過17年運行，基礎泥巖反復膨脹和凍脹變形，造成砼板斷裂、隆起、塌陷，降低了基礎承載力和渠道襯砌結構的強度，增加渠道滲漏，使渠道運行過程中維修量增加，風險增大。由于西干渠主要承擔向克拉瑪依和渠道沿線兵團和地方輸水的任務，是克拉瑪依工業和生活用水的生命線，保障西干渠安全正常運行非常重要，一旦運行期間出現問題，較長時間的停水維修會嚴重影響克拉瑪依及西干渠沿線地區的生活和工農業生產，甚至影響社會穩定。

因此必須盡快對存在安全隱患的渠道進行維修改造。對于膨脹土地段渠道治理一般均采用換填法、封閉包圍法、土工織物加筋法、夾層法、抗滑樁法等。針對西干渠情況，結合以往經驗，本次膨脹土治理擬采用戈壁土換填加渠底排水的結構形式。根據統計，目前西干渠坐落在膨脹土地段渠道且凍脹塌陷嚴重的共有9段，設計對該部分渠道進行大修，根據膨脹土深度及溶陷性不同，渠道基礎換填800 mm～1500 mm厚戈壁土墊層，同時為增強渠道抗凍脹性能，渠底采用135條石鋪砌成弧形，并在渠底設排水體。渠壁采用C20F200預制混凝土塊襯砌，預制塊厚度不低于70 mm。渠道每10 m設一道伸縮縫，縫寬2.5 cm～3.0 cm，伸縮縫采用環保型聚氨酯填縫，渠頂壓板采用60 mm厚C20混凝土板，寬度600 mm，具體樁號長度見表1。

表1 渠道“三脹”問題需要維修的內容

4 結論

(1)西干渠部分渠道加高及塌陷整治，同時對影響過水的5#隧洞進行改造，工程實施后可保證西干渠超高滿足規范要求，能夠保證短時期加大流量輸水需求，對提高風城水庫入庫水量具有一定保障。

(2)干渠改造實施后，能夠有效降低渠道沿線滲漏及沖刷下切，同時能夠大幅減少進入水庫的泥沙量，保證水庫有效庫容。對于提高下游凈化水廠的用水保證率、提高引水工程調水的需求、滿足水庫多年調節的任務等具有積極作用。