新疆北疆某渠道设计在实际中的应用

张 建 梁小璇

(新疆兵咨工程项目管理咨询有限责任公司,新疆乌鲁木齐 830002)

1 地理位置

新疆北疆某干渠位于新疆生产建设兵团农七师奎屯灌区。奎屯灌区位于天山北麓奎屯、乌苏、独山子“金三角”地带,地处准噶尔盆地西南缘,奎屯河流域奎屯河中下游冲积、淤积平原上。地理坐标为 :东经 84°33′～ 85°15′, 北纬 44°18′～ 45°10′。灌区包括123、126、127、128、129、130、131七个大型农牧团场和137团泉沟分场及乌苏市车排子镇。总灌溉面积113.13万亩。

2 气候条件

奎屯灌区年平均气温6.5℃,1月、7月平均气温分别为 -18.8℃和 26.7℃,极端最低气温-42.3℃,最高气温 42.1℃。年平均降水量161.5mm,年蒸发量 1785mm,为年降雨量的14.6倍,冬季积雪厚度最大36cm。多年平均无霜期163d,历年最早冻结日期11月5日,历年最晚解冻日期4月10日,最大冻深1.4m。全年盛行西北风、静风,年平均风速1.8m/s,最大风速17m/s,瞬时风速25m/s。

3 地质概况

渠系线路位于奎屯河冲积平原中部,冲洪积平原地貌单元,渠系地层岩土以粉土及粉砂为主,局部见粉砂透镜体,以冲洪积平原地貌为主,地层分布较单一。

岩土具有含盐量稍高、含水量较大等特点,由于受地下水水位季节性的波动及毛细水上升的影响,岩土物理性质季节性差异及随深度变化较为明显,易产生冻胀破坏,因此施工时,根据实际的工程地质条件采取相应的应对措施,以免不良地质造成对渠体的破坏。

4 工程现状

新疆北疆某干渠工程始建于1959年,1963年续建,全长22.068km,渠道走向为南北向,渠道结构为土渠,设计流量 20m3/s,实际过水能力13.5m3/s。

由于渠道为土渠结构,未防渗,渠道渗漏严重,经过50年的运行,渠道及建筑物破损严重,渠道坍塌、淤积,过水能力已明显不足,由于渠道两侧的渗漏,耕地地下水位逐年上升,土壤产生次生盐渍化,渠道两侧耕地作物减产弃耕。

5 工程设计

5.1 工程级别和标准

5.1.1 工程级别

干渠全长22.068km,控制灌溉面积30万亩,渠道设计流量20m3/s,加大流量 25m3/s,根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288—99),确定工程级别为4级,渠系建筑物工程级别确定为4级,临时建筑物为5级。

5.1.2 工程设计标准

灌溉设计保证率:本地区属干旱、水资源紧缺地区,以旱作物为主,灌溉方法为地面灌溉。根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288—99),灌溉设计保证率采用75%。

地震烈度:根据 《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)可知,本地区地震动峰值加速度为0.15g,基本烈度为Ⅶ度。按 《水工建筑物抗震设计规范》(SL203—97)的有关规定,干渠渠系建筑物抗震设计按Ⅶ度设防。

5.2 渠线位置

根据渠道现场勘察情况及比较,干渠防渗改建工程渠线位置位于渠右侧,顺延老渠右岸,防渗渠与原土渠渠线相距30～50m。

5.3 渠道工程设计

5.3.1 渠道设计流量

根据 《灌溉与排水工程设计规范》 (GB 50288—99),由灌区的设计灌水率,防渗改建后渠系水利用系数以及各分段的控制灌溉面积,确定设计流量20m3/s,加大流量25m3/s。

5.3.2 渠道横断面设计

结合农七师及北疆地区近年来在渠道防冻胀措施方面的经验,渠道断面采用弧形底梯形断面,较梯形断面抗冻胀性能好。因此,该干渠防渗改建工程渠道断面按弧形底梯形断面结构设计。

5.3.3 渠道设计

(1)渠道纵坡设计。根据实地测量资料,在满足引水水位和渠道不冲不淤的条件下,同时参照渠道沿线建筑物底板高程及各分水口引水高程等条件控制和调整各渠段的渠道纵坡。确定渠道纵坡为0.00037～0.00092。

(2)边坡的确定。干渠沿线土质为粉土,根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288—99)6.1.22条规定,当渠道设计水深为1～2m时,填方渠道的最小内边坡系数为1.5。根据灌区多年修建防渗渠经验,此次设计渠道内边坡系数取1.75,外边坡系数取1.5。

(3)糙率。根据 《渠道防渗工程技术规范》(SL18—2004)规定,本工程混凝土衬砌渠道为现浇护面,现浇混凝土糙率n=0.015。

(4)渠堤宽度的设计。根据 《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288—99)6.1.24条规定,万亩以上灌区干、支渠岸顶宽度不应小于2m,结合实际情况及考虑工程运行管理方便,设计采用渠道右堤宽4.0m,左堤宽2.0m。

(5)渠堤超高及渠深。渠道超高根据 《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288—99)的公式计算:

式中:Fb为渠道超高;hb为渠道通过加大流量时的水深,m。

(6)弧形渠底及边坡设计。渠道为了增加抗冻胀能力,渠底采用弧形现浇混凝土板,板厚120mm,渠道边坡混凝土厚120～80mm,混凝土强度等级为C20,抗冻标号为F200。

(7)渠道水力要素计算。弧形底梯形断面的水力计算公式如下:

过水断面面积:

过水断面湿周:

过水断面的水力半径:

流量:

式中:h为水深,m;θ为渠道边坡和水平面的夹角;i为渠道纵坡。

渠道水力要素见表1。

表1 渠道水力要素表

(8)复合土工膜选择。随着近几年的工程实践证明,用复合土工膜作为防渗材料,可以起到很好的防渗效果,而且使用寿命较长,已得到广泛认可,因此,本次渠道工程采用一布一膜 (200g/m2PE0.3mm)作为防渗材料。

(9)伸缩缝设计。根据 《渠道防渗工程技术规范》(SL18—2004)中5.6.1条规定,现浇混凝土板缝间距为3～5m,此次设计每隔3m设一道伸缩缝,伸缩缝宽度20mm,缝内上部30mm为胶泥,下部为苯板。

(10)渠道混凝土板防冻胀设计。防冻胀的设计是渠道此次设计的主要任务之一,也是干渠能否正常运行的关键。根据当地 《地面气候资料》可知,本地区最大冻深为1.4m。由地质及测量资料可知,渠道沿线渠基土为冻胀性土,渠道走向为南北向。根据 《水工建筑物抗冰冻设计规范》 (SL 211—2006),结合以上因素,计算渠基土的冻胀量。

1)工程设计冻深按下式计算:式中:Zd为设计冻深,m;Ψd为日照及遮阴程度影响系数;Ψw为地下水影响系数;Zm为实测历年最大冻深,取1.4m;Ψi为日照及遮阴程度修正系数,由图查得,边坡值取 1.15,底部取 1.15;a由 《水工建筑物抗冰冻设计规范》(SL211—2006)表B1.1.1-1查得。

式中:β为系数,查表为0.63;Zwo为当地或临近气象台的地下水位深度,m;Zwi为计算点的地下水位深度,m。

设计冻深计算见表2。

表2 设计冻深计算表

2)防冻胀计算。根据相关规范要求,在这种寒冷地区防冻胀结构措施可采用渠基换填措施或保温措施。在本地区,渠道防冻胀措施一般采用较多的是渠基换填的方法,换填材料为砂砾石,经过多年运行,实践证明可以有效地防止渠道冻胀破坏,是一种较好的防冻胀措施。

防冻胀换填层厚度计算根据 《渠道防渗工程技术规范》(SL18—2004)计算换填层厚度,采用下面公式:

式中:ε为置换比,根据 《渠道防渗工程技术规范》(SL18—2004),当地下水埋深Zw＜Zd+1.0～2.0m时,对于粉土,坡面上部取50%～60%,坡面下部、底部取60%～80%;Zd为设计冻深;δ0为防渗层厚度,边坡衬砌板厚度0.12～0.08m,底板0.12m。

换填厚度计算结果见表3。

表3 换填厚度计算结果表 单位:cm

6 结论

本次新疆北疆某干渠防渗改建工程横断面具体结构型式为:

弧形渠底:自上而下依次为12cm现浇混凝土板、一布一膜 (200g/m2PE0.3mm)、70cm砂砾石垫层。

边坡:自外向里依次为:12～8cm现浇混凝土板、一布一膜 (200g/m2PE0.3mm)、70～30cm砂砾石垫层。

渠堤内边坡系数m=1.75,外边坡系数m=1.5,右侧堤顶宽4.0m,左侧堤顶宽2.0m。

混凝土板强度等级C20,抗渗标号W6,抗冻标号为F200。

[1]SL18—2004渠道防渗工程技术规范 [S].

[2]GB50288—99灌溉与排水工程设计规范[S].

[3]SL211—2006水工建筑物抗冰冻设计规范[S].

[4]刘肇玮,朱树人.中国水利百科全书灌溉与排水分册[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

[5]何武全,邢义川.渠道防渗抗冻新材料与新技术[J].节水灌溉,2003,(1):4-6.

[6]GB5029—98土工合成材料应用技术规范[S].