新疆金沟河灌区骨干工程改建设计

2011-04-14雷正龙

水利技术监督 2011年3期

雷正龙

(新疆水利厅金沟河流域管理处,新疆沙湾 832100)

金沟河流域位于新疆塔城地区沙湾县境内,是以冰川融雪补给为主的河流,河系年均径流量3.49亿m3。金沟河灌区位于该流域中下游冲洪积扇倾斜平原及冲积平原上,年平均最大冻土深度1.47m;灌区骨干工程主要包括一座费尔干式引水渠首,54km引水干渠,14座分水闸及渠系建筑物。灌区工程结构在运行40多年后,主要存在的问题包括有渠首泥砂淤积严重、防洪标准偏低、干渠结构老化冻胀磨损严重,部分工程不堪重负,无法满足灌区经济发展对水资源的需要。

1 改建前存在的问题

1.1 金沟河渠首

(1)结构老化,引水率偏低[1]:金沟河渠首随着运行年份的推移,河床纵坡改变,进水闸前淤积严重,引水率逐年下降;同时,灌区灌溉面积的逐渐增加,使得渠首已严重低于引水要求。

(2)防洪标准偏低[1]:该渠首已运行40多年,引水弯道淤积,弯道底部逐渐抬高,过水断面逐渐减小,过水能力逐渐减弱,导流堤高程已明显不能满足防洪的要求,渠首溢流堰难以发挥防洪效果,防洪标准下降。

(3)上下游河床泥沙淤积严重[1]:该渠首位于此段河道上,上下游河床泥沙淤积严重,上游整治段河床平均淤高3m,下游也已抬高约2m;由于原始设计参数选取相对保守,设计流量固定,加之金沟河泥沙含量大,在运行过程中很难解决好冲砂和引水的矛盾。

1.2 引水干渠

金沟河引水总干渠从渠首进水闸至14#闸,全长37.48km,采用浆砌石或混凝土防渗。总干渠经过40多年的运行,结构老化、破损较严重;且随着引水需求加大,大量推移质进入总干渠,渠道磨损非常严重。3#闸以上7km渠底混凝土20cm,每年都被磨穿;1#钢筋混凝土大渡槽槽底多处被磨透;4#闸至14#闸之间,由于渠道引水的长期不间断性,加之春季融雪水在渠道两侧的入渗,渠道结构冻胀破坏极为严重。

1.3 分水闸及渠系建筑物

渠道沿线节制、分水闸经过40多年运行,闸墩及底板混凝土大面积磨蚀,磨蚀厚度在3～10cm之间。3#、5#闸为潜孔式闸门,由于渠道停水时间较晚,导致闸门结冰,需人力破冰提门;另外,门槽变形导致闸门止水不严,工作桥破损,桥面出现裂缝,启闭设备严重锈蚀,都是急需改善解决的问题。

2 工程改建方案的设计与研究

金沟河灌区自1998年被列入全国大型灌区续建配套与节水改造规划以来,在灌区骨干工程的改建设计过程中,结合灌区水利工程现状及运行特点,充分考虑引水、防洪、排砂、运行管理等各方面因素,注重新技术及新工艺在节水改造项目中的应用,使改造工程取得了较好效果。通过对灌区骨干工程的分期改建,金沟河灌区工程状况有了明显改观,运行条件有了较大改善,并积累了相关的设计经验。

2.1 考虑与防洪相结合

金沟河灌区骨干工程改建设计注重与防洪相结合,主要体现在渠首改建和总干渠西移两个方面。

(1)渠首改建:渠首冲砂闸原泄洪标准相对较底,金沟河流域防洪预案中渠首冲砂闸泄洪标准设置为160m3/s,还不到当地10年一遇的水平(10年一遇标准为170m3/s,20年一遇标准为253m3/s)。渠首改建是在冲砂闸上游150m处,原来三孔叠梁闸的位置新建成泄洪闸,叠梁闸下游26m溢流堰改成导流堤,同右岸冲砂闸导流堤形成一个整体,以提高冲砂闸的泄洪能力;泄洪闸以上62m的溢流堰保持不变,作为大于设计洪水以上洪水标准的泄洪通道。改建后的冲砂闸设计洪水流量253m3/s,泄洪闸设计洪水流量103m3/s。单是冲砂闸的泄洪标准提高到20年一遇,冲砂闸与泄洪闸联合运用,设计洪水标准可超过30年一遇。金沟河渠经改造后,已成功抵御2003年7◦17洪水,说明渠首改建的成功性。

(2)总干渠西移:1#闸至大渡槽原引水总干渠布置在金沟河河滩上,与防洪堤平行。由于河床淤积的严重抬高,当渠首泄洪流量超过50m3/s,部分地段就有漫堤现象,严重威胁渠道的安全,一到汛期还需调用大量的人力、物力进行巡护,但仍不能保证安全度汛。将此段渠道西移到二级台地上进行新建,渠道运行安全得以保证,同时解决了老渠道严重磨损老化的问题。

2.2 考虑与泥沙处理相结合

金沟河渠首的泥砂淤积问题长期得不到解决,加之金沟河总干渠的纵坡坡度相对较大,水流流速相对较快,流经的泥沙对渠道结构及周边建筑的磨损相对严重。通过实地考察与摸索,已分期建成了大闸、涡管、漏斗三级排砂处理工程设施[2],干渠的泥砂淤积问题基本得以解决。

一级排砂是费尔干式渠首大闸排砂,金沟河大闸1988年进行改建后冲砂闸、进水闸均有预留高程,在满足进水闸引水要求和冲砂闸泄洪能力的前提下,设计时保持泄洪闸底高程不变,将进水闸闸底标高整体提升1.25m预留值,使得闸前形成临时性的泥砂沉积,利用渠首的人工弯道进行一级排砂处理。

二级排砂处理是在总干渠进口处修建相应的涡管排砂设施。金沟河总干渠被西移到二级台地后,其与老干渠产生的相对较大的水流落差,为涡管排砂方法的实现提供了地形条件。涡管水流是螺旋流形式的一种,螺旋流将落入涡管的推移质泥沙颗粒卷扬悬浮起来,随水流排出。金沟河3#及4#涡管耗水量0.7m3/s,日排砂量超过1250m3。

三级排砂处理是在涡管后的总干渠上修建相应的排砂漏斗设施,漏斗直径设计为14m,进水闸轴线与干渠轴线之间的夹角设置为16°,使水流成顺时针方向产生涡管流。采用漏斗原理进行排砂的水流损失流量约为0.7m3/s,当水流中的泥沙含量相对较大时,应与其它的排沙方法联合运用,才能确保将涡管中未处理干净的泥砂彻底处理。

金沟河通过三级排砂处理,大大降低了泥砂对干渠的磨损,延长了其使用寿命,同时也减轻了灌区土地沙化的现象。

2.3 考虑工程的运行管理要求

(1)改建与水情自动测报系统同步进行:金沟河流域水情自动测报系统和办公局域网系统的安装实施,有效提高了改建项目的运行管理水平,减轻了技术人员的现场监测劳动强度,同时,对检测项目的测配精度也获得了大幅提升。

(2)充分考虑渠道冬季运行破冰安全:金沟河渠道在有冬季引水要求的区段,一直存在水流结冰的现象。在设计有冬季引水要求的渠道区段时,应充分考虑结构冻胀磨损和渠道运行管理的方便,将该区段的渠道断面设计为底下梯形、上部矩形的复合式断面结构[3]。

(3)渠道消能与测流断面整治同步考虑:在金沟河灌区骨干工程改建设计时,将渠道消能与测流断面整治充分结合,充分发挥节制闸后扩散段的地形优势,修建了相应的梯形消力池,再与测流控制断面连接。梯形消力池的设置,既消除了渠道水流的大量冲去能,又对测流断面进行了相应的整治,同时还有效消除了偏流现象。

(4)消除冲淤断面:金沟河金安渠测流断面淤积变化严重,不利于运行管理。为使改建后的金沟河灌区渠道的冲淤现象能够有效控制,在不减弱引水能力的前提条件下,对渠道断面形式进行相应的改进,将渠道调整成底宽束窄型,以消除渠道冲淤情况。

(5)渠道改建与道路整治同步:在渠道改建中,将渠堤整修、沿渠伴行交通道路平整、绿化带治理相结合,在路旁设有绿化带,既可防止水土流失,减轻对生态环境的破坏,又能美化环境。

2.4 推行采用新技术

金沟河灌区骨干工程的总干渠结构冻胀现象普遍都非常严重。在渠道工程改建设计过程中,充分考虑引起结构冻胀的因素,采取保留原有渠道的混凝土底板,并直接在该底板结构上用戈壁砂砾石垫高,最大程度的利用原有结构。改建后,原有的混凝土底板结构既可作为渠床基础,又可作为水流防渗层以阻断耕地渗水进入垫层,可有效减弱河床基土的含水量,使其冻胀量大幅减少;在渠底垫层下设置相应的排水管道,将垫层渗水及时收集排出;在边板结构的中部增设相应的横向缝,以适应混凝土结构的断裂拉力作用。上述新技术或措施的采用,有效消弱了结构冻胀现象,减弱了结构的冻胀变形的不利影响。

工程实施过程中,还采用了橡胶瓦、硅粉混凝土、纤维混凝土等抗磨抗冲技术,这些新新技术、新材料的应用,确保了金沟河灌区骨干工程的整体改建效果,延长了水工结构的使用年限,充分发挥了改建工程的社会效益。