开都河渠道工程及横断面型式选择分析

司 猛

(巴州水利水电勘测设计院，新疆 巴州 841000)



开都河渠道工程及横断面型式选择分析

司 猛

(巴州水利水电勘测设计院，新疆 巴州 841000)

开都河渠道工程及横断面型式选择，工程就北岸南岸干渠方案进行比选，北岸干渠方案一作为设计方案，南岸干渠方案二作为设计方案。渠道设计方面就渠道的纵断面、横断面及内外边坡进行分析，衬砌、防冻胀形式选择也进行了方案比选，选择最优方案。

渠道；干渠；塑膜；防渗；灌区

开都河第二分水枢纽灌区骨干灌溉工程已成较完整的系统，能满足和控制当前的灌溉要求，渠道过水能力大部分干支渠均能满足要求，但也存在不少问题，主要表现在以下几个方面：①灌区内引水渠首均为无坝引水，灌溉引水保证率，引水渠首运行年限长，大都老化严重，给灌区的管理造成很大的困难；②干渠绝大部分为土渠，由于灌区土质轻，局部渠道存地冲刷和淤积，造成渠道塌坡，渠内长草，灌区群众每年都需进行维修清淤；③渠道渗漏严重，渠道水利用系数低,一方面造成水资源的浪费,另一方面致使灌区地下水升高；④渠系建筑物年久失修，老化严重，根据调查老化率达到50%以上，主要表现在建筑物上、下游连接段的冻胀破坏；闸门老化漏水严重，不能有效调节水量。需要对渠道进行工程布置。

1 渠道工程总布置

在初步设计阶段，对可研阶段确定的渠线同焉耆县城建、国土、水利等单位的领导和技术人员重新进行了选线、测量，北岸干渠同可研不变，南岸干渠可研阶段为减少占地渠线选在沿着开都河河堤外侧向下最后和团结渠龙口接上，本次初设阶段为和焉耆县城市及道路规划结合，渠线在黑疙瘩分水闸处(7+974)改线，渠线较可研阶段长了1km，由于改线增加的占地费用由县政府出资。

1.1 渠道

南北干渠分别布设在开都河两岸，沿河向下游延伸。由于枢纽距焉耆县城较近，两岸干渠很长一段要穿过县城，其余渠段均穿过县城附近的乡场，同时还要穿过南疆铁路、314国道、老314国道及待建的高速公路等重要交通建筑物，受这几个条件的限制，两条干渠渠线的选取范围非常有限。根据上述布线原则，技术人员经过多次踏勘，对两岸干渠局部作了几个方案比选，见表1、表2。

1.2 渠系建筑物

渠系建筑物除了合并原八个龙口外，由于两岸干渠有很长一段都占用了原有支渠，干渠两侧再没有位置去修支渠，故原支渠上的建筑物在能合并的前提下都需重新修建。

2 渠道设计

2.1 渠道纵坡设计

两岸干渠沿线地形较为平坦，没有大的起伏，所以干渠纵坡大都与地形或原渠道纵坡一致，在1/3000左右。在穿过铁路桥、314国道、老314国道等桥涵处，设计渠底高程在能满足过水要求及两岸支渠引水高程要求下，一般与原桥涵底高程一致或稍稍抬高、降低。在高程不受限制的段落，渠道尽可能作成填方渠道，以减少混凝土板防渗渠道的冻胀破坏。

2.2 横断面设计

根据渠道的纵坡情况、工程地质条件以及渠道防渗技术规范对各项设计指标的要求，同时考虑渠道大部分要穿过灌区及城区，穿灌区段要求渠道断面尽量少占地，在穿城区段和城市规划相结合，参考这几个方面来进行横断面的设计。

表1 北岸干渠方案比选表

表2 南岸干渠方案比选表

由方案比选可看出，投资方面北岸干渠方案二和方案一相差不大，但方案二、三要大量侵占农民的房屋、耕地、果园，对土地经济价值较高的焉耆县来说，损失是很大的，施工与灌溉的矛盾通过抢占工期、冬季施工等方法可以将矛盾降到最低，故北岸干渠方案一作为设计方案；南岸干渠方案二较方案一渠线长，投资多，但施工条件、城市发展空间上比较方案二更具有优越性，初设阶段推荐方案二作为设计方案。

2.2.1 渠道内外边坡设计

渠道沿线，多数渠段坐落在粉土层，根据《开都河第二分水枢纽两岸干渠工程地质勘察报告》及《渠道防渗工程技术规范》，渠道内边坡系数确定为1∶1.75，外边坡系数为1∶1.5。

2.2.2 渠道横断面

渠道横断面采用两种方案进行比选设计，方案一为弧形底梯形渠道，方案二为梯形渠道，按照Q=7.5m3/s来计算单位长度(1km)的工程量，两方案的横断面见图1，方案比选见表3。

图1 两方案渠道横断面表3 渠道横断面方案比选

项目方案一方案二单位投资/万元·km-1134.16133.28优点弧形底断面可大大减轻土壤冻胀开裂及消融时的滑塌破坏,适应冻胀变形的能力强,能在一定程度上减轻冻胀变形的不均匀性适应冻胀变形的能力一般缺点施工较难施工容易

注：上述方案比较，渠道的衬砌形式暂都按10cm混凝土防渗、8cm苯板防冻方案进行比较。

上述两方案都各有利弊。由工程地质部分，开都河第二分水枢纽两岸干渠现状地下水位较高，渠线地层均为冻胀土，在这种渠道上弧形底梯形渠道比梯形渠道更能适应冻胀变形，但由于塔河综合治理项目另一同开都河第二分水枢纽及两岸干渠同时开工的工程“开都河北岸水源地工程”位于焉耆县城，它的实施将使焉耆县的地下水位下降2-3m，故本工程在运行期地下水位对渠道的影响将基本消除。

两岸干渠有很长的渠线走在了灌区内已有支渠上，施工期必须较短才能不至于对农田灌溉造成太大的影响，在施工上梯形断面较弧形底梯形渠较易,故两岸干渠横断面最终采用梯形断面。

可研阶段设计中北岸干渠的9+360-12+860和南岸干渠的8+820-11+250要穿过城区，为减少渠道占地，这两段渠道采用矩形断面形式。本次初设对北岸干渠不做改变，南岸干渠改线后绕至城外，为减少投资南岸干渠全线均采用梯形断面形式。

2.2.3 渠道水力计算

采用水力计算公式为：

Q=AC(Ri)1/2

C=(1/n)R1/6

(1)

式中：R为水力半径，R=A/X；i为渠道纵比降；A为渠道过水面积，m2；n为渠道糙率系数，混凝土板衬砌，采用0.017；X为渠道湿周，m。

2.2.4 衬砌、防冻胀形式选择

1)防渗衬砌方案选择,工程设计对两种防身衬砌方案进行比选。

方案一：塑膜防渗。

本方案优点：施工工艺简单，质量易得到保证；材料本身抗冻胀，不存在冬季冻胀破坏的问题；投资较省，约为混凝土板方案的85%；只要干渠停水，即可施工，施工期对温度要求低，同时冬季对施工质量也几乎不产生影响。

缺点：由于本干渠纵坡较缓，虽然防渗膜的品种选择为抗拉强度高，不易为根系穿透的一种，但渠道糙率大，流速小，膜上的70cm厚的填土上一样会长草，加大渠道的水量损失，使本工程节水的效能大大降低；加大渠道的管理费用；由于防渗膜敷设于地下，不易进行损伤探测，工程的维护保养比较困难；渠道断面大，占用土地面积大。由于南北干渠大部分穿行在灌区内，此方案比混凝土板方案多占耕地13.89hm2，对灌区来说是巨大的损失。

方案二：混凝土板防渗方案。

优点：混凝土板表面光洁，糙率小，渠道内水的流速较大，充分发挥混凝土板的抗高流速作用；由于混凝土坚硬，在杂草盛长区，杂草不会穿板而出，混凝土板不易被破坏，其防渗效果好，而且经久耐用。如果安全使用，可运行30—40a；使用混凝土板衬砌，渠道整体性好，外形美观，同时可以减少或避免在渠道上乱开口子的现象。

缺点：由于干渠沿线的土质大多为粉土或粉质黏土，均属冻胀土，而且左右两岸均有耕地，地下水位高。如何避免冻胀，将是运行管理中的重点。一旦出现冻胀破坏，混凝土板的使用寿命将大大缩减；施工期较为紧张。由于南北干渠在灌溉季节无法停水，施工期只能在停水之后的10月底至次年的3月底之前，而此时正是冬季，给混凝土的施工带来一定的困难，也给混凝土的施工质量产生影响；施工复杂，投资大。

相当一部分学校的体育教师不敢让学生踢足球，怕出现伤害事故，他们做的最多的、也是做的最好的就是让孩子跑步、做操。笔者观摩过一些校园足球特色学校，教师按照教材传授运球、传球、颠球、射门，为了增加趣味性，一些教师融入了移动对传、运球绕杆、多部位颠球、射门比赛等教学形式。甚至一些教师用大量的时间让小学生做各种无球练习。唯一不常见的就是比赛。笔者曾经问一些教师：为什么不让学生在比赛中学习运球、传球和射门？为什么运球绕杆而不绕人？答案不言而喻，减少对抗，避免受伤。但显然，仅仅会运球、会传球、会射门，并不算会踢足球，即便是会颠球也不算。会踢球应该表现为能够在比赛中感受足球带来的快乐。

通过以上的方案比选，柔性材料防渗方案虽然投资省，施工较为容易，但从渠道的功能、水量的损失和今后运行管理上、工程的使用年限上、工程的美观上均不如混凝土板防渗方案，同时从工程的效益上看，工程运行管理费用上比混凝土方案大，占地较混凝土方案多。故本次开都河第二分水枢纽两岸干渠的防渗工程选用混凝土板衬砌的方案，混凝土板厚8cm，强度为C20，抗渗标号为W6，抗冻标号为F150。

2)渠道抗冻设计：

冻胀土地基渠道抗冻胀主要有渠基换填法和苯板保温法2种方法。

方案一：渠基换填法。

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》规定，“粒径小于0.05mm的土粒重量超过土样重量6%的土为冻胀土”，根据《渠道地质报告》，本工程渠道沿线均为冻胀土，需进行非冻胀土置换渠床原状土。

换填厚度按照《渠道防渗工程技术规范》及《渠系工程抗冻胀设计规范》计算：

Hn=εHd-δ0

(1)

式中：Hn为置换深度，cm；ε为置换比，按照《渠道防渗工程技术规范》及《渠系工程抗冻胀设计规范》，ε=70%；Hd为置换部位的工程设计冻深，Hd=Kp×Kd×Kz×H0；Kp为频率模比系数，为1.206；Kd为考虑日照及遮荫程度的修正系数，向阳面取1，遮荫面取1.3；Kz为地下水影响系数，取0.85；H0为工程地点的标准冻深，本工程为95cm；向阳坡H=97.4cm，遮荫坡Hd=127cm；δ0为衬砌板厚度，cm。

计算得：向阳坡Hn=60.2cm，遮荫坡Hn=80.9cm。

根据实际应用情况和实践经验，向阳坡换填厚度取60cm，渠底及阴坡换填厚度取80cm。

方案二：保温法。

保温法就是消除基土产生冻胀的负温因素。本工程采用混凝土板下铺设高密度聚苯乙烯泡沫板来解决冻胀问题。根据《渠系工程抗冻胀设计规范》，保温层厚度按工程设计冻深Hd的1/10-1/15取用，计算得7.4m，向阳坡厚度取6cm，渠底及阴坡厚度取8cm。

由于渠道沿线无可换填土产材料，根据计算，单位断面苯板投资为428元，戈壁垫层投资为535元，投资上苯板要稍省一些，且施工上苯板的质量易控制。在地下水较高部分由于苯板较轻，它的浮力易对其上的混凝土板造成顶托破坏。最后确定在地下水位高于渠底段采用戈壁垫层抗冻胀形式，地下水位低于渠底段采用苯板防冻胀形式。根据南北两岸干渠地质条件，北岸干渠0+000—5+000段地下水位均高于渠底，采用戈壁垫层抗冻胀形式，5+000—16+400段地下水位均低于渠底，采用苯板防冻胀形式；南岸干渠0+000—6+352段地下水位均高于渠底，采用戈壁垫层抗冻胀形式，6+352—12+848段地下水位均低于渠底，采用苯板防冻胀形式；根据《开都河第二分水枢纽两岸干渠工程地质勘察报告》，南岸干渠0+000-1+000、9+000-11+000段及北岸干渠的0+000-1+000、3+000-5+000段地下水中SO42-的含量较高，对混凝土及混凝土结构具有弱-强腐蚀性，渠道采用高性能混凝土。

3 结 论

开都河第二分水枢纽工程的兴建，将合并南岸三处、北岸五处的无坝引水渠首。工程建成后结合上述地下水工程共同运行，每年可置换地表水5 501 万m3，输向下游用于塔里木河流域生态用水。工程建设是可行的。

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1007-7596(2017)01-0105-04

2016-12-28

司猛(1983-)，男，江苏丰县人，工程师，从事水利设计工作。

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