新疆藏桂乡支渠防渗设计中主要参数问题研究

田林钢，努尔曼古丽·艾尔肯，阿不力米提

(1.华北水利水电学院，河南郑州450045;2.和田地区水利水电勘测设计院，新疆和田848000)

渠道防渗工程技术就是杜绝或减少由渠道渗入渠床而流失水量的各种工程技术和方法.常用土料、水泥料、石料、膜料、混凝土和沥青混凝土等材料建立渠道防渗层，以达到防渗目的.渠道防渗工程除具有防渗作用外，还有防冲、防淤、防坍塌、稳定渠道、保证输水安全的作用.防渗渠道设计时，应满足不冲、不於条件才能确定各参数值.笔者以实际工程设计为例，对新疆藏桂乡支渠进行了防渗设计.

1 工程概况

新疆藏桂乡支渠位于新疆昆仑山北麓，塔克拉玛干沙漠南缘，地理坐标东经 78°58'42″，北纬37°31'50″，位于皮山县以东 65 km，315 国道以北3 km处，东邻皮亚勒玛乡，西接木吉乡，南北被戈壁滩、沙漠包围，是块独立的绿洲.藏桂乡地处内陆腹地，热量丰富，降水稀少，蒸发强烈，无霜期长，昼夜温差大，为暖温带干旱荒漠气候.其特点:四季分明，夏季中午炎热，早晚凉爽，日温差极大;冬季寒冷;春季升温快，多风;秋季降温快;多年平均气温11.9℃，多年平均降水量48.2 mm，多年平均蒸发量2 450.0 mm，无霜期多年平均217 d.灌区全年盛行西北风，多年平均风速1.6 m/s，多年平均最大风速14.0 m/s，多年平均浮尘天气 30.4 d.

新疆藏桂乡支渠防渗配套建设工程位于冲积平原过渡地带，属于单一的冲积平原地貌单元［1］.灌区水利工程多为二十世纪五、六十年代建设，工程建设标准普遍偏低，渠道老化过于严重，过水能力只有原来的70%.虽然年年投入人力、物力进行修补，但由于经济等因素，总是不能彻底改建，设施也无法配套完善，加之渠道没有采取防冻胀及防渗措施，灌区每年都有一部分农田不能适时灌溉.这次实施藏桂乡支渠防渗改造总长度为11.952 km，设计过水流量为 0.8 m3/s.

2 渠道工程设计

2.1 工程级别与标准

藏桂乡渠道总控制灌溉面积2.4 km2，据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2000)［2］和《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288—99)［3］，确定工程规模为小(2)型，其工程等别为V等［2］.

按照《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288—99)［3］中的规定，干旱地区以旱作物为主的地面灌溉设计保证率P=50% ～75%［3］，确定各水平年灌溉保证率P=75%.

2.2 渠线位置

渠道沿线分布着居民点，农田就分布在渠线两侧，东侧布置有砾石道路伴随，因此支渠原渠线比较合理，不宜调整.

2.3 渠道设计流量

按照《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288—99)中的规定［3］及防渗改造后渠系水利用系数和各分段的控制灌溉面积，确定藏桂乡支渠设计流量为0.33 ～0.88 m3/s、加大流量为 0.430 ～1.144 m3/s.

3 防渗渠道设计

藏桂乡支渠防渗配套建设工程防渗改造设计原则是在保证输水安全的同时，选择因地制宜、就地取材、技术简单、耐久性强、工程量少、造价低、运行管理方便的方案.为提高渠道防渗及防冲能力，渠道采用预制混凝土板衬砌，沿渠道轴线方向每隔50 m设置一道宽50 cm、厚36 cm的C20现浇混凝土隔墙，故渠底宽取0.4 ～0.6 m.

3.1 防渗渠道断面形式

原渠道为梯形，现设计仍采用梯形断面.

3.2 设计参数选择

3.2.1 边坡系数

该渠道渠基土为粉土，因为是老渠，挖填方量都很少，基本为修坡.根据《渠道防渗工程技术规范》(SL 18—2004)的规定［4］，支渠的内边坡系数取1.5，外边坡系数取 1.0.

3.2.2 糙 率

据《渠道防渗工程设计规范》(SL 18—2004)规定［4］，混凝土预制板渠道糙率可取 n=0.017.

3.2.3 渠堤超高

根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288—99)规定［3］，有

式中:Fb为渠堤超高，m;Hb为渠道通过加大流量时的水深，m.

3.3 渠道断面设计

3.3.1 渠道纵断面设计

该次设计渠线不变，渠道纵坡的选择应利用原有纵坡并兼顾各分水闸现有底板高程，综合考虑渠道与渠系建筑物水面连接和沿线分水闸对渠道高程的要求，使分水闸平顺分水，满足不冲、不淤流速的要求，并使工程量尽量小，确定合适的纵坡.

1)流速控制.渠道流速应控制在不淤、不冲流速之间.渠道不淤流速为

式中:Q为渠道的设计流量，m3/s;Co为根据渠道泥沙性质确定的系数，取 Co=0.2.计算可得平均V不淤=0.114 ～0.188 m/s.该次支渠设计平均流速为0.85 ～1.74 m/s，满足不淤流速要求.

《渠道防渗工程技术规范》(SL 18—91)的第2.1.10条规定:允许不冲流速为 3 ～ 5 m/s［5］.混凝土预制板衬砌渠道加大流速为1.87 m/s，小于允许不冲流速.

2)纵坡控制.渠道纵坡的控制在满足经济合理的基础上，还应注意以下几点:①流速控制在不淤、不冲流速之间，保证渠道安全;②根据不同地形和设计断面选择的纵坡应尽量保证工程量最小;③为保证该段渠道两端建筑物底板高程的衔接，此次渠道防渗改造设计渠道纵坡坡降仍然采用原渠道纵坡坡降，即渠道纵坡 i=0.001 62 ～0.009 30.

3.3.2 渠面宽度设计

该灌区属小型灌区，且为挖方渠道，为了减少工程量及造价，渠面宽度取1.0～1.5 m.

3.3.3 渠底宽确定

根据改造渠道的现状底宽、设计流量、渠道防渗形式及经济比较，渠底宽确定如下［1］.

一支渠:0+000～3+500段渠底宽0.6 m;3+500～3+746.7段渠底宽0.4 m.

二支渠:0+000～1+750段渠底宽0.6 m;1+500～4+023.5段渠底宽0.4 m.

三支渠:0+000～4+181.4段渠底宽0.6 m.

3.4 渠底与边坡底板衬砌设计

渠道断面为梯形，为了增加渠道抗冻胀能力，渠道底板采用60 mm现浇混凝土，边坡采用厚度为60 mm预制混凝土板衬砌.混凝土板下设置戈壁料垫层.混凝土强度等级为C20，抗冻标号为F150.

3.5 渠道水力计算

渠道横断面尺寸根据明渠均匀流公式确定，计算公式为:

式中:Q为渠道设计流量，m3/s;A为渠道过水断面面积，m2;C为谢才系数;R为水力半径，m;B为渠道底宽，m;m为渠道边坡系数;H为渠道水深，m;i为水力坡降，即渠道纵坡;n为糙率系数.

渠道水力要素计算结果见表1.

表1 渠道水力要素表

根据表1的计算结果，在满足灌溉和保证渠道安全的条件下，支渠的渠深确定为1.058～0.948 m.

3.6 伸缩缝设计

根据《渠道防渗工程设计规范》(SL 18—2004)［4］，混凝土板渠道每 7.2 m 设 1 道横向缝，缝宽平均2 cm.缝口上部填沥青砂浆，厚2 cm，下部填中密度苯板.

4 渠道抗冻胀设计

为防御渠道防渗工程受基土冻胀作用的破坏，季节冻土地区标准冻深大于10 cm的衬砌渠道必须进行防冻胀设计.当地历年最大冻土深度0.69 m.据当地地质测量资料可知，渠线粉土层为冻胀性土.

4.1 设计冻深

根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》(SL 211—2006)［6］附录 B，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;ψi为日照及遮阴程度修正系数，根据规范查图可得ψi=1.15 m;ψw为地下水影响系数;Zm为实测历年最大冻深，取0.69 m.由《水工建筑物抗冰冻设计规范》(SL 211—2006)［6］表 B1.1.1 －1 得

式中:β为系数，查表得β=0.79;Zwo为邻近气象台(站)的地下水位深度，取8.0 m;Zwi为设计点地下水位深度，取3.0 m.

设计冻深计算见表2.

表2 设计冻深计算表

4.2 防冻胀计算

根据相关规范要求，这种夏季炎热、冬季寒冷的地区防冻胀结构可以采用渠床置换法或设保温层法.置换法施工成本低，投资较小，因此确定该工程全渠段防冻胀采用置换法.采用戈壁料置换渠基土.

置换厚度Zn为

式中:ds为基础板厚，渠底为0.06 m，渠坡为0.06 m;ε为置换比.根据《渠道防渗工程技术规范》(SL 18—91)［5］，当砂壤土地基大于(Zd+1.0 m)时，对于轻壤粉质土 ε取 0.4～0.5，这里取 ε=0.42.经计算，渠底 Zn=24.6 mm，渠坡 Zn=24.6 mm.

5 结语

对新疆藏桂乡支渠防渗设计工程从材料性能、施工、投资等方面进行比较，设计过程中选择最优参数和方案，得到了可行的最优设计结果.

渠道工程上选择较多的动力渠道是梯形断面渠道，所以这里的渠道也采用了梯形断面.为提高渠道防渗及防冲能力，渠道面板采用预制混凝土板并取得了良好的设计效果.

［1］和田地区水利水电勘测设计院.和田地区皮山县藏桂乡支渠防渗改建工程初步设计报告［R］.和田:和田地区水利水电勘测设计院，2012.

［2］长江勘测规划设计研究院.SL 252—2000水利水电工程等级划分及洪水标准［S］.北京:中国水利水电出版社，2000.

［3］中华人民共和国水利部.GB 50288—99灌溉与排水工程设计规范［S］.北京:中国计划出版社，1999.

［4］中国灌溉排水发展中心.SL 18—2004渠道防渗工程设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2004.

［5］中华人民共和国水利部农村水利水土保持司，科技教育司中华人民共和国能源部，水利部水利水电规划设计总院.SL 18—91渠道防渗工程技术规范［S］.北京:水利电力出版社，1991.

［6］中水东北勘测设计院有限责任公司.SL 211—2006水工建筑物抗冰冻设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2006.