过河涵洞改造研究——以新疆玛河流域灌区东岸大渠为例

张金强

(新疆玛纳斯河流域管理局,新疆 石河子 832000)

1 工程概况

新疆维吾尔自治区玛纳斯河流域位于天山北坡经济开发区核心地带，地处准噶尔盆地南缘，东至塔西河，西至巴音沟河，南至依连哈尔尕山，北至古尔班通古特沙漠，地理位置范围东经84°58′～86°24′，北纬43°54′～45°01′，玛河流域海拔在366.0～407.2 m，地势南高北低。

东岸大渠起始于红山嘴渠首进水闸，先后流经玛河四级电站、五级电站、312国道等，终点位于玛纳斯县兰州湾乡，东岸大渠全长17.2 km。渠道纵坡范围0.5%～2%，年输水量9.4亿m3。工程竣工于1959年，该渠道8.0 km过河涵洞段损坏和老化严重，跨玛河段的涵洞，其顶部被冲出，涵洞下游与玛河衔接处被下切成1～2 m的陡坎，过河涵洞不能正常运行，将威胁到灌区的2.0万hm2耕地，因此，玛河流域管理局每年都要花费大量经费来修理和维护。

2 工程现状及存在问题

2.1 现状

东岸大渠总长17.2 km，已改造完成8.91 km，其中，桩号1+151～2+151段在2001—2002年完成改造，桩号8+900～17+200段在2009—2012年完成改造，目前，上述两段渠道现状均运行良好。本期改建桩号8+030.71～8+855.10段，渠道采用干砌石结构，渠道左侧为河漫滩，渠道右侧为石红公路，路面宽约6.00 m。

2.2 存在问题

东岸大渠过河涵洞始建于1959年，其断面采用2孔拱形，净高2.5 m，净宽2.7 m，设计流量23 m3/s，结构采用浆砌石结构。涵洞分两段，第一段穿过东岸大渠段长30余米，第二段穿过铁路导流堤并横穿玛河段长630余米，该涵洞经过近50年的运行，存在卵石松动、剥落以及渠道淤积等现象，老化损坏十分严重。

由于过河涵洞原设计流量为23 m3/s，现实际流量仅为8～9 m3/s，因此不能满足兵团第八师的供水要求。流域管理局每年需投入大量的经费和专人负责维护，但是随着时间的持续，渠道下切的深度在不断加大，由于工程老化，后续问题不断出现。

主要存在如下问题：(1)渠道磨损破坏十分严重，多处见大面积干砌石剥落现象；(2)渠道正在变形，随着变形量的积累致使底板凸凹不平；(3)复核计算表明，桩号8+030.71～8+855.10段渠道超高不够，存在安全隐患。

3 过河涵洞改造设计

3.1 路线比选

(1)路线区工程地质条件。0+000～1+140段：卵石混合土，天然密度2.06 g/cm3，含水率2.6%，黏聚力5 kPa，内摩擦角35°，承载力400 kPa，变形模量35 MPa。1+140～1+472段：第①层低液限粉土，分布在1+140～1+270段，天然密度1.75 g/cm3，天然含水率13.1%，承载力值120 kPa，变形模量6.0 MPa；第②层卵石混合土：天然密度2.05 g/cm3，含水率2.2%，承载力400 kPa，变形模量35 MPa。改建渠段位于玛河东侧的河漫滩上，局部地段位于一级阶地上，揭露地层岩性均为第四系冲积堆积卵石，青灰色，内摩擦角35°，承载力值280 kPa，变形模量20 MPa。

工程区最大冻深1.47 m。渡槽引水渠段1+140～1+270段场地粉土为冻胀土，冻胀等级Ⅰ级；其余线段为非冻胀性土，冻土不具有盐胀性。地表水对混凝土不具腐蚀性，同时对钢筋混凝土结构中钢筋不具腐蚀性，但对钢结构有弱腐蚀性。东岸大渠段地下水位埋深大于6.0 m；东岸大渠8.0 km 过河涵洞段地下潜水位埋深大于50.0 m，渗透系数5.0×10-2cm/s，渠水补给地下水。

混凝土骨料位于东岸大渠9.0 km分水闸南1.0 km 玛河河漫滩上，另外距本工程区20.0 km处有商品混凝土厂；东岸大渠填筑料用量位于渠道8+000处的玛河西岸，料场内地形平坦，为当地建筑用商业砂砾石料场，储量丰富，交通便利。

(2)线路选择。根据现状涵洞和玛河西岸总干渠的高程关系，线路采用两个方案比较，方案一在原址下游50.0 m新建；方案二在原址下游900.0 m处新建。由于受引水口、投入口和玛河河床底高程的限制，方案一适宜的建筑物型式是涵洞，方案二适宜的建筑物型式是渡槽。

方案一：原址下游约50.0 m新建

现状的涵洞虽然存在诸多的险情，但还在为下游灌区服务，如果在原址改建，一方面过流能力不足，破坏严重，维修麻烦，拆旧量大；另一方面如果在原址改建，没有施工期。因此考虑在其下游重建，由于受玛河东岸五级电站尾水渠回水和玛河西岸石河子总干渠的影响，改造过河涵洞进口位置拟定在现有涵洞下游50.0 m处，与现有涵洞平行布置。

涵洞设计流量15 m3/s，其中0+000～0+030段和0+160～0+800段为涵洞，0+030～0+160段为明渠。

方案二：在原址下游900.0 m处新建

东岸大渠8+900处现状为节制分水闸，分水闸的功能是退水，其设计退水流量为40 m3/s，且退水时间均在非灌溉期，本次结合东岸大渠8+900节制分水闸及退水渠，在原址下游900.0 m修建跨玛河渡槽，将东岸大渠的水输送到石河子总干渠。

渡槽设计流量为15 m3/s。跨河输水方案由明渠和渡槽两部分组成，其中0+000～0+750段和1+100～1+280段为明渠，总长为930.0 m；0+750～1+100段为渡槽，长度为350.0 m。

从投资角度来比较，方案一的建筑投资为687.00万元；方案二的建筑投资837.18万元，因此，方案一优于方案二。但是，经现场踏勘，在平行于一支干渠的右侧，已经建了一条宽20.0 m的市政道路，拟建跨河渡槽之后的渠道和道路相交，需要修建路下涵洞才能将水投入石河子一支干渠；同时涵底高程和路面高程仅仅相差1.0 m，如果修建涵洞，需要抬高路面高程，为了减少渠系建筑物以降低投资，最终选择渡槽往河道上游移动，渡槽后的渠道投入点改在市政道路跨石河子总干渠桥的上游。线路布置见图1。

图1 线路方案选择示意图

3.2 渠道横断面比选

在满足渡槽槽底进出口的条件下，渠道大部分为填方渠道，且填筑材料为河道非冻胀性的卵石混合土，为减少填方量，渠道可采用宽浅式的梯形断面和弧底梯形断面。

方案一：梯形断面

0+000～0+750段，梯形断面，渠道边坡取1∶1.75,渠道底宽2.0～3.0 m，渠深2.4～3.0 m；1+100～1+280段，梯形断面，渠道边坡取1∶1.75,渠道底宽1.5 m，渠深2.1 m。梯形渠道水力计算示意图见图2，具体水力计算结果见表1。

图2 梯形渠道水力计算示意图

表1 梯形断面水力计算表

方案二：弧底梯形断面

0+000～0+750段，弧底梯形断面，渠道边坡取1∶1.75,弧底半径3.0 m，渠深2.9～3.5 m；1+100～1+280段，弧底梯形断面，渠道边坡取1∶1.75,弧底半径2.5 m，渠深2.2 m。弧底梯形水力计算示意图见图3，具体水力计算结果见表2。

表2 弧底梯形断面水力计算表

图3 弧底梯形渠道水力计算示意图

两方案的主要工程量及建筑投资对比见表3，在技术条件一致的情况下，从投资方面比较，梯形断面比弧底梯形断面的渠道少15.89万元，故本工程推荐方案一梯形断面。

表3 两方案的主要工程量及建筑投资

4 结 语

本文通过对玛纳斯河灌区东岸大渠改建工程的研究，由于工程建设初期基础资料短缺，在经过近50年的运行使用后，随时间推移出现了各种问题。虽然经过多次小规模改造和维修，但由于资金等方面原因不能从根本上解决问题，实践认为东岸大渠过河涵洞的节水改造能有效改变这一现状，并推动灌区经济、工农业生产的可持续发展。