弧底梯形明渠在某中型灌区续建与改造中的应用

李向春，黎雪君

（新疆石河子职业技术学院,新疆 石河子 832000）

1 工程概况

某中型灌区于1971 年开工建设设备老化,超期运行,提水量达不到设计要求；另一方面是由于缺乏维修资金等造成大部分干渠、支渠和渠系配套建筑物严重老化变形,渠道渗漏损失严重,灌溉水利用率较低,水量浪费较大。灌区自2000 年以来,进行了灌区续建与节水改造、泵站及配套改造等,总干渠改造已基本完成。文章主要从灌区内1#～4#干渠存在的问题出发,进行灌区节水改造建设。

2 干渠现状及存在的问题

2.1 渠道现状过流能力不足

灌区内1#干渠原设计流量范围为1.54 m3/s～0.84 m3/s,2000 年灌区续建改造中,大泵改造后设计流量为1.47m3/s～0.84 m3/s,加大流量为1.9 m3/s～1.05 m3/s[1]；2#干渠原设计流量范围为2.89 m3/s～1.0 m3/s,大泵改造后设计流量范围为2.93 m3/s～0.93 m3/s,加大流量范围为3.81 m3/s～1.25 m3/s[2]；3#干渠现状设计流量范围为1.38 m3/s～0.6 m3/s,大泵改造后设计流量范围为1.39 m3/s～0.73 m3/s,加大流量范围为1.81 m3/s～0.98 m3/s；4#干渠原设计流量2.45 m3/s,大泵改造后设计流量为2.77 m3/s,加大流量为3.39 m3/s。各干渠现状流量与大泵改造后流量对比见表1。

表1 工程各干渠流量对比表

由表1 可知,各干渠原设计流量均小于大泵改造后加大流量,经复核计算,现状渠道超高均不满足,为满足大泵改造后各干渠过流能力,总干渠及1#～4#干渠均需改建。但因本次续建配套资金所限,加上总干渠在2009 年灌区续建配套中已改建,现状渠系运行较好,本次仅对1#～4#干渠中,破损严重、影响工程正常运行的渠道进行改建,改建各干渠设计的引水流量与大泵改造后流量相匹配,以此进行渠道及渠系建筑物断面尺寸拟定。

2.2 1#～4#干渠病险现状

本次续建配套和节水改造中,相关人员对1#～4#干渠沿线进行现场调查,对干渠病险现状梳理如下：

（1）1#干渠：明渠总长19.199 km,断面形式为平底梯形,采用C15 砼预制块衬砌,渠线布置于野糜沟两岸阶地上,渠基岩性为洪积黄土和马兰黄土,渠道沉降严重,大部分渠段沉降量达80 cm～100 cm,局部预制板已滑落失效,大多数明渠原防渗材料腐烂变形,失去防渗作用,再加渠道淤积严重,部分渠段淤积深度达60 cm～80 cm 左右,严重影响干渠安全正常运行。根据现状渠道破损及淤积状况,明渠拆除重建9.48 km。

（2）2#干渠：明渠总长10.55 km,断面形式为平底梯形,渠线通过的主要地层岩性为第四系风积马兰黄土和人工堆积素填土,其主要工程地质问题是地基土的湿陷性问题与渠道的渗漏、冻胀问题,该段渠道运行40 多年来沉降量较大,约60 cm～80 cm,部分渠道冻胀破坏、预制板块滑落,泥沙淤积严重,淤积深度达50 cm～60 cm。根据现状渠道破损及淤积状况,本次选择明渠拆除重建0.735 km。

（3）3#干渠：平底梯形渠总长19.87 km,渠线布置于关川河左岸Ⅱ、Ⅲ级阶地上,经过40 多年的运行,渠道已有不同程度的冻胀破坏变形、老化,渠线通过的主要地层岩性为第四系洪积黄土状土、冲洪积砂砾石、坡洪积黄土状土、人工堆积等,干渠主要工程地质问题是地基土的湿陷性问题与渠道的渗漏、冻胀问题。本次选择改造干渠13.715 km 拆除重建。

（4）4#干渠：平底梯形明渠总长12.82 km,渠线布置于祖厉河右岸Ⅲ级阶地前缘与Ⅱ级阶后缘的交汇部位,主要工程地质问题是地基土的湿陷性与渠道的渗漏、冻胀问题,特别是东西向渠道的冻胀破坏问题尤为突出。2002 年～2009 年续建项目中已全部改造,但由于受资金限制,仅仅是简单的翻衬,对渠道基础未进行彻底处理,经过10 多年的运行,桩号3+013.0～4+665.9 m 段已严重破坏,不能正常使用,本次选择拆除重建该段,长1.65 km。

3 干渠改造方案

本文对灌区内4 条干渠破损严重段及其建筑物进行拆除改建,其中1#干渠9.48 km、2#干渠0.735 km、3#干渠13.715 km 及4#干渠1.65 km。

3.1 改造原则

该灌区经多年运行,现状骨干渠系较为完整,渠系布置基本合理。本次实施方案以灌区节水为目标,以解决工程安全运行为根本,对灌区骨干渠道参照工程设施调查评价结果,分段确定改造任务,解决灌区“卡脖子”问题。根据研究现状渠道的破损机理,查找渠道破损的具体原因,初步拟定在维持现有渠系布置、渠线不变的前提下,以原址拆除重建为主。

3.2 弧底梯形明渠断面尺寸

为适应冻胀和湿陷变形等因素引起的渠道变形,此次改建设计将原平底梯形断面改为弧底梯形断面,该种断面具有水力条件好,适应冻胀变化较均匀的显著特点,省内改建工程中普遍推广采用,该中型灌区在2002 年～2009 年的续建节水改造项目中翻衬的渠道断面全部采用了这种形式,目前运行较好。

依据现状明渠断面尺寸,初步拟定弧底梯形明渠底弧半径R=100 cm,边坡系数1.5,砼预制板衬砌渠道糙率取n=0.017,同时确保与已改造渠道的上下游水面线平顺连接,按照上述参数用明渠均匀流公式计算各段渠道断面的水力要素。1#～4#干渠部分断面结构尺寸见表2。

表2 1#～4#干渠部分断面结构尺寸表

3.3 安全超高计算

渠道安全超高计算依据《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288-2018）的规定的渠道安全超高公式进行计算[3]。经计算,1#干渠改建段弧底梯形渠道安全超高为0.45～0.48,2#干渠改建段弧底梯形渠道安全超高为0.49～0.52,3#干渠改建段弧底梯形渠道安全超高为0.37～0.42,4#干渠改建段弧底梯形渠道安全超高为0.58。

3.4 堤顶宽度确定

渠道在运行中既要考虑运行安全,也要考虑方便管理,因此设计人员在渠道设计时要考虑足够的堤顶宽度,堤顶宽度按下式计算：

式中：D 为堤顶宽度,m；hj为渠道通过加大流量时的水深,m。

经计算1#干渠改建段弧底梯形渠道堤顶宽度为1.46 m～1.58 m,2#干渠改建段弧底梯形渠道堤顶宽度为1.49 m～1.8 m,3#干渠改建段弧底梯形渠道堤顶宽度为1.18 m～1.32 m,4#干渠改建段弧底梯形渠道堤顶宽度为2.04 m。

3.5 横断面设计

根据冻胀要求和实际运行经验确定衬砌型式为：弧底砼板厚8 cm～10 cm,渠坡采用混凝土预制板,厚度为63 mm,其下依次为30 mm 厚M10 水泥砂浆（主要作用是找平层）,复合土工膜（一布一膜,膜材厚度0.2 mm,单位面积质量200 g/m2）,砂砾石垫层厚400 mm～600 mm,渠顶两侧设300 mm 宽、63 mm厚的现浇C20 砼封顶板[4-5], 每5 m 设置一道伸缩缝, 缝宽3 cm,缝内上部填塞3 cm 厚聚氯乙烯胶泥,下部填注锯末水泥砂浆[6]。弧底梯形渠改造典型横断面设计图见图1。

图1 弧底梯形渠改造典型横断面设计图

3.6 基础处理

从灌区已实施改造段的施工开挖情况看,个别砂碎石渠基存在灌溉回归水回渗问题,局部基坑渗水量较大,可达0.2 L/s～0.5 L/s,个别渠基土软化。根据原地质勘探,地下存水仅为灌区灌溉水,含水量仅仅和砂岩上部的砂碎石厚度有关,但局部对地基承载力和施工影响较大,施工时必须处理。处理方法是：先铺一层厚50 cm 的大块石,用振动碾将块石压入软土中,然后用小一点的块石用振动碾碾压入挤入,每次30 cm 厚,根据挤密效果决定挤入层数,最后块石层上面用30 cm 厚砂碎石覆盖,然后反复碾压；要求砂砾石相对密实度≥0.65。根据已施工段经验,块石层一般厚度在1.1 m 左右,施工时按照具体处理情况调整。

3.7 冻胀问题处理措施

灌区处于寒冷区,负气温及冻结指数相对较小,总干渠大部分渠段土壤地下水埋深大,无地下水补给,冻结期运移的水分仅是渠基土壤储存水分,运移量少,运移范围小。由于补给相对较小,容易通过排水措施降低含水率。因此,渠道的抗冻胀改造,主要通过降低渠基土壤含水率进行,通过对渠基土壤进行砂砾石置换,增强排水能力,降低了渠基含水率。同时,砂砾石在各类土中冻胀性最弱,置换还大大降低了渠基对冻胀的敏感性。通过对灌区内已改造工程的了解,渠道进行砂砾石换基后,起到了明显的抗冻胀效果,实施十几年来,相关渠道未发生冻胀破坏。本次改造也将积极参考一、二期已改造渠道的经验,东西走向的渠道,阴坡的冻深会明显大于阳坡,坡面温度也更低,改造方案将加强阴坡换填厚度。

4 结论及建议

节水改造工程中渠道的改造完成,将能提高灌区运行的安全性,提高渠道的输水效率,减少水量及能源的消耗,满足灌区农业生产发展和人民生活用水增长的需要,推动和加快灌区农村、农业建设的进程、促进生态环境的改善等方面起到非常重要的作用。渠道改造工程于2022 年5 月完工,改造后效果显著,后期将为灌区农业灌溉节水提供重要保障。