莫索湾南干渠多泥沙侵害的分析与对策

王宏斌

(新疆石河子市玛纳斯河流域管理处，新疆 石河子 832000)



莫索湾南干渠多泥沙侵害的分析与对策

王宏斌

(新疆石河子市玛纳斯河流域管理处，新疆 石河子 832000)

根据莫索湾南干渠泥沙磨损严重情况，对莫索湾南干渠通过不同渠段和多种耐磨材料进行过水试验比较，提出该种流态特点渠道设计方案和对策。文章第一部分对索湾南干渠及进行介绍，第二部分介绍了莫索湾南干渠受到水流夹砂破坏主要情况。第三部分分析了不同渠底设计的实际运用效果，最后一部分对多泥砂河流在渠道设计进行思考和建议。

多泥沙渠道；泥沙侵害；破坏类型；渠底设计

新疆玛纳斯河中泥沙含沙量很大。特别夏汛期间渠道内泥沙混合物对水利设施的冲蚀非常严重，泥沙问题是莫索湾南干渠长期存在的问题之一。每到夏季汛期高速流动的水流夹带着带着大量的泥沙经过拦洪坝，水流以较高的流速流经建筑物时，表面遭受高速水流和含沙水流冲磨和气蚀破坏，对干渠内闸门边槽、干渠底板、泄洪排沙底孔、干渠溢流面等造成严重磨损，此种问题造成水工建筑物的安全没有保障，并且带来较多的维护费用问题。多年来泥沙对干渠磨损相关问题一直未能解决，致使国家每年都要投入大量的人力和财力对干渠关键部位进行修护。因此，分析和研究莫索湾南干渠泥沙磨损问题对减少经济损失和保护干渠设施有着深远的实际意义。

1 索湾南干渠概述

莫索湾总干渠兴建于20世纪50年代初，是当地灌溉区的主要水利工程。莫索湾南干渠线布置方式为南北垂向布置，渠道总长约61.4km，渠道设计流量为45m3/s，设计纵坡比为1∶38-1∶108之间，干渠为等腰梯形断面，渠道全程均为土渠道。1991年11月到1993年9月20日对达子路闸点以下进行防渗处理，改建混凝土渠道20.6km，设计流量22m3/s,渠道现状底宽2.1-5.5m，边坡1∶1.27，渠道净深2-3m。莫索湾南干渠工程级别为三级，属于挖方型大规模工程，引水量年均2.21 亿m3。总干渠设计纵坡较大，水流流速为每秒3.2-3.8m。

由于近几年玛纳斯河夹河子水库渠首拦砂库没有及时清理造成沉积淤泥过多，造成沉砂池也未能发挥其拦砂功能，在根源上就不能防止水源将泥沙带入干渠，且处于高速流态下对干渠底板与边部的冲蚀破坏。随着流速与流态的不断变化，对渠道造成冲击和撞击两种破坏方式，且破坏力较大、持续时间较长、破坏速度快等特点。泥沙在水流动状态下沿着干渠底板滚动、移动、跳跃和层移方式运动，破坏强度最大的是跳跃式冲击破坏。这种破坏导致莫索湾南干渠经常因渠道底板被磨穿而进行停水抢修，影响下游农业的生长和收成，仅维修费用就高达38万多元之多。

2 莫索湾南干渠受到水流夹砂破坏情况

2.1 垮渠的部位

莫索湾南干渠渠道底板设计为U形，渠道断面设计为等腰梯形断面，在水流运动过程中夹杂着砂石对干渠不断的滚动摩擦、跳跃式冲刷和层移方式的冲蚀，最终造成干渠底坡脚被磨穿，进而渠道边坡角砌石的掏刷造成干渠局部垮塌。

2.2 干渠破坏类型

2.2.1 悬移质破坏

随着水流在运动过程中的悬浮泥砂颗粒就是悬移质。对干渠内壁的冲蚀程度与水流流速、流态、流速、含沙量、颗粒大小和硬度系数等有关，但冲蚀破坏程度较推移质为小。根据相关调查数据说明，渠道内流速<10m/s时，碳素钢与C20混凝土表面五明显冲蚀迹象；但是渠道内流速≥16-18m/s时，在恒流状态下，碳素钢遭到破坏的同时，因水流冲蚀造成C20混凝土表面粗骨料裸露，使渠道表面形成冲蚀坑；当渠道内流速大于或等于26m/s时，恒流流速下2620h就能磨穿20mm的钢板。当渠道内含沙量在1.5-2.5倍时，C20混凝土磨损量随之增加6-10倍。

2.2.2 推移质破坏

水介质在干渠流动状态下沿着干渠底板滚动、移动、跳跃和层移方式运动的泥沙就叫做推移质。推移质随着水流流速的增快而增加移动速度，其流态呈现出滚动、移动和跳跃式前进。它对混凝土的破坏形式主要是冲击和撞击两种，且具有破坏强度明显和破坏时间较长等特点。跳跃式冲击对干渠的破坏程度最强，冲击强度随着冲击介质的质量和流速的增强而增强。滑动摩擦对干渠的破坏也非常明显，在泥沙颗粒与流速满足条件时干渠内壁面留下的沟槽与擦痕就是最好的证明。而滚动摩擦破坏力不仅涵盖了摩擦破坏力，而且破坏力更强[1]。

3 不同渠底设计的实际运用效果

在该干渠上分3段在不同纵坡上施工护脚坡，经过一年的运行观察效果较好。2006年新疆兵团勘测设计院实地勘察后，对该渠道进行了改造设计。本次改造在莫索湾南干渠各渠段上采用4种耐磨型材料进行试验。

3.1 施工硅粉混凝土试验

施工硅粉混凝土试验(1+300—13+500除橡胶轮胎和环氧树脂金钢砂外)中，如图1所示耐磨层施工标准横断面。

图1 耐磨层施工断面图

利用硅粉混凝土材料对莫索湾南干渠(1+300—13+500)段进行耐磨加固，采用强制式搅拌机进行对耐磨加固的材料搅拌，拌和时间5min30s左右，比普通混凝土延长90s。耐磨加固材料因材质原因从搅拌机出料后应尽量减少运输时间，振捣时间控制在普通混凝土振捣实践的一杯，要将耐磨加固材料内部的气泡完全排出。在振捣工作进行过程中，因地形或设备因素遇到无法振捣的部位，应安排施工人员以人工振捣的方式进行振捣工作，使其振捣密实。在浇注工作完成后，应立即用塑料薄膜将混凝土覆盖，以防止其塑性开裂，保证初期对水渠的浇筑养护。

该试验渠段通水试验一年时间中,大部分水渠底板中点65cm处的耐磨加固材料已被泥沙混合物冲掉,但水渠内的护脚坡处的耐磨加固材料表面浆皮被冲抹掉,虽然耐磨加固材料硅粉混凝土骨料露出，但其表面较为平整,这就说明在渠道纵坡上施工护脚坡能有效防止推移质对水渠道边的破坏。由于耐磨加固材料质量和抗磨强度之间有着直接关系，所以本次干渠渠段的试验结果，不能有效反映出耐磨加固材料硅粉混凝土的抗磨强度。具体见表1及图2。

3.2 施工环氧树脂金钢砂试验

表1 金刚砂耐磨层 MPa

图2 施工横断面

施工环氧树脂金钢砂试验(11+100-11+400)段中，由于施工工期紧张导致修补C25混凝土抗磨材料还没有完全凝固的情况下就进行了环氧树脂金刚砂耐磨层的施工，最终造成渠道局部内壁鼓起和环氧树脂金刚砂成片掉离的现象。发现此种情况后相关施工人员立即停止施工并纠正施工方法，首先采用高热量的喷灯对未凝固的硅粉混凝土进行烘干，然后再一次进行环氧树脂金刚砂耐磨层修补和施工，对环氧树脂金刚砂的配合比也进行了适当调整，以加速凝固。

在该渠段经过半年的通水试验后发现环氧树脂金刚砂与混凝土的黏接力达不到施工设计要求，主要原因是施工方法不当而造成渠道底部弧段环氧树脂金刚砂已被全部冲掉。

3.3 橡胶瓦试验段

通过两年的通水试验，只有混凝土渠底和橡胶轮胎渠底的效果较好。由于橡胶轮胎的铺设减小了水流介质对渠道底板的冲蚀破坏，C25混凝土抗磨材料基本上没有被推移质冲击的痕迹。但是由于橡胶轮胎规格大小不一致和橡胶轮胎自身的变形，不能充分对锚栓上的钢板进行保护，局部区域还是有有泥砂冲蚀过的痕迹。因总干渠渠底为弧形渠底，推移质泥砂磨损基本在渠道中部，因此，在安设橡胶轮胎过程中在渠道中部应尽量选择安装质量较好的轮胎，其余的水流方向可选择摩擦阻力较小的渠道两帮安设[3]。

3.4 施工C25抗压强度混凝土三级配试验

2007年在莫索湾南干渠13+500—17+050段施工中选用C25抗压强度的混凝土进行三级配试验。泄水流速、流态和水流方向等因素决定了泥砂对C25抗压强度的混凝土冲蚀破坏程度。经过长时间对该段水渠观察发现，泥砂流质对C25抗压强度的混凝土表面的冲蚀程度和泥砂对水渠内壁磨擦切削力的破坏作用，使C25抗压强度的混凝土表层逐渐被泥沙混合物所冲蚀。在流速作用下泥砂对水渠内壁的冲击力大于水渠内壁的材料强度时，水渠内壁的材料表层的分子与母子就会被冲击力所剥离，随继被水流冲走，致使水渠内壁耐磨材料表层逐渐在水流流速与泥砂混合物的冲击力下被冲蚀。若C25抗压强度的混凝土的粗骨料与细骨料同时选用一种石材，就能将C25抗压强度的混凝土看做是水泥砂石与骨料组成的复合材料。在水流介质稳定的情况下水泥石砂的抗冲击的强度比混凝土骨料要差，泥砂混合物将在冲击作用下将混凝土表面的水泥分子与母体剥离，使其暴露出水泥石的新表面，这样水泥石表面逐渐被冲击成凹坑，而由于混凝土骨料强度系数较高其表面随着水泥石表面的凹陷而逐渐凸起。泥沙混合物在水流流速作用下对两者的冲蚀破坏程度也不同，混凝土骨料承受冲蚀作用力大于水泥石，其渠道内壁也呈现出凹凸不平的现象，而随着渠道内壁水泥石的不断被冲刷，混凝土骨料与水泥石承受冲蚀的作用力对水渠表面凹凸程度不断增大，而混凝土骨料与水泥石冲蚀的速度相对减小，直至相同。水渠内壁表面凹凸不平的程度也逐渐稳定，随之混凝土的磨损速度也逐渐稳定，混凝土磨损程度随时间成正比而增加。经过一年的观察，水渠U型底板磨损较浅，没有严重的坑槽现象，防护效果较好。

4 多泥砂河流在渠道设计思考和建议

1)渠道断面设计方面，首先渠底设计为弧型护坡脚不易垮渠，而且易抢修。其次，渠底设计为平渠底时，窄断面比宽断面效果好，窄断面推移质主要磨损渠道中心，而且推移质互相撞击减少能量，减缓破坏；宽断面推移质左右移动，易造成边坡坡脚砸坏，垮渠现象不可避免。最后渠底设计为弧型护坡脚，面层采用橡胶铺设，效果最好。

2)多泥砂河流渠道应该尽量在上游考虑排砂设施，有条件的情况下设计如曲线沉砂池、漏斗、蜗管等排砂设施。渠道首部设计挡砂坎和排砂渠道等。

3)渠道上有跌水时，跌水上及其下游的消力池应考虑面层铺设钢板和橡胶轮胎避免严重破坏，造成跨渠。

4)渠底材料的选择：①底层为抛石混凝土，面层为橡胶轮胎，效果最佳。②采用三级配高标号混凝土；效果较好。③采用一级配混凝土浆砌卵石。

随着我国科学技术发展，新型材料和新型防止泥砂的方法的不断产生，相信一定会有更经济有效的设计和措施来解决泥砂对水工建筑物的破坏问题，以便更好地让水利为人类服务。

[1]钟姗姗.流域水电梯级开发项目累积环境影响作用机制及评价研究[D].长沙：中南大学,2013.

[2]姜鹏.黄土高原地区生态系统恢复模式研究[D].咸阳：西北农林科技大学,2015.

[3]杨俊杰.荒漠化灾害经济损失及防沙治沙工程效益评估[D].北京：北京林业大学,2006.

1007-7596(2017)02-0102-03

2017-02-16

王宏斌(1968-)，男，甘肃武威人，工程师。

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