金沟河金安渠渠道改建设计的思考

白西辉

（新疆金沟河流域管理处 新疆沙湾 832100）

1 工程概况

金沟河流域位于新疆塔城地区沙湾县境内。介于东经85°22＇～85°44＇，北纬43°55＇～44°28＇之间。东接石河子，西临奎屯市，312国道、乌奎高速公路及北疆铁路横贯本区，交通十分便利。

金安引水渠始建于1966年，自总干渠1＋442处引水，全长15.6km，属于金沟河管理处管理的渠段为0＋000～5＋014，主要向元兴宫乡和142团31连供水，冬季向安集海水库调水。渠床为戈壁，原渠道为全挖方断面。

改建前渠道断面形式为梯形，衬砌材料为现浇混凝土。该段渠道存在的主要问题是前淤后冲，老化、磨损破坏严重，0＋000～1＋625段，混凝土板已基本被冲毁，大部分已变为土渠。1＋625～5＋014段，基本垂直等高线，渠道纵坡较大，渠底磨损严重，混凝土板由于设计标准低，且多次冻融老化，大片面积的混凝土板开始剥落，变薄，被磨穿，在设计流量下，经常发生垮渠现象。造成渠道边板厚薄不一，凸凹不平，增加了渠道糙率，限制了渠道引水流量。另外渠道长期冬季输水，结冰严重，导致过水断面不够，闸门无法启闭。

2 渠道破坏的形式、原因及过程

由于灌区灌溉的需要，灌区每年都需进行很长时间的冬灌，其间，渠道内的水体将发生不同程度的冻结。开始，两侧形成岸冰，随着严寒的深入，冰层逐渐加厚，对两岸衬砌体产生冰压力，为了不形成冰坝，运行管理人员进行冬季打冰，长期以往，造成防渗体表面发生剥离破坏。

渠道防渗体具有一定的吸水性，在材料输水的过程中，材料内总是含有一定的水分，这些水分在负温的作用下冻结成冰，体积发生膨胀。当这膨胀产生的应力大于防渗材料的强度时，将导致防渗材料的冻融破坏，多次反复作用后，造成防渗体表面发生冻融、剥离破坏。

二十世纪50年代设计的混凝土抗冻标号低，同时，工程运行40多年，经过无数次的冻融循环，工程老化，混凝土标号降低了，抗冻标号也随之降低，所以，渠道混凝土在年复一年的冻胀作用下发生了剥离破环。

3 改建工程设计

针对本渠道存在的主要问题，经过断面的仔细符合，对渠道分两段分别设计。

3.1 0＋000～1＋625段

由于0＋000～1＋625段靠近金沟河渠首，从上游带下来的卵砾石对边板磨损、碰撞，大约40%的段落已出现大面积断裂，破损，60%的段落已变为土渠。该段渠道地质情况为砂砾石地基，由于渠道多年的运行，表层土粒在边板水流的带动下，部分粉细颗粒已进入原渠砂砾石垫层中，导致砂砾石垫层失去防冻作用。本次设计由于受金安引水渠进水口底板高程和1＋630分水闸底板高程的限制，在保持原有纵坡的情况下，拆除旧混凝土板，根据设计渠底高程开挖，置换30cm垫层。

3.1.1 渠道衬砌型式的选择

本段渠道长1.625km，衬砌型式的选择结合本工渠的地质、地形、天然建筑材料等分布情况，选择混凝土衬砌、浆砌石衬砌比较。

根据两种材料的选择，对渠道水力计算见表1。

浆砌石衬砌方案：根据计算，渠道深1.65m，衬砌厚度采用35cm，底板下垫0.3m的砂砾石垫层。

混凝土板衬砌方案：根据计算，渠道深1.40m，底板厚15cm，边板由10cm变为8cm。

表1 水力计算表

混凝土衬砌渠道具有良好的防渗、抗冲性能，对于金沟河多泥沙河流，浆砌石渠道具有更好的耐磨作用，但本工程区砼骨料储量丰富，无浆砌石，所需浆砌石须到距本工程区80km处的玛河料场拉运。本段渠道纵坡相对比较缓，且受引水口与1＋630处的分水闸底板高程限制，渠道只能保持现状纵坡，也就是不能直接在现状渠道上垫砂砾石和衬砌材料。由于浆砌石衬砌量大于砼板衬砌量，因此土方开挖量也相对增加。

经投资比较，浆砌石衬砌方案投资113万元，砼板衬砌方案投资77.3万元。前者比后者建筑工程投资大53.7万元。因此推荐砼板衬砌方案。

3.1.2 混凝土板衬砌渠道设计

现浇混凝土指标均为C20、W6、F200，底板厚15cm，边坡板由下部的10cm变至上部8cm，渠堤顶设30cm宽8cm厚的封顶板。渠道衬砌板分缝设计，纵向缝在两边坡角和渠坡中部约1／2渠深处错缝设置，横向缝每2m设一道，缝宽1.5cm，缝内填闭孔塑料板，顶部1.5cm采用原浆封口，封顶板横向缝每2m设一道。

渠堤顶宽考虑右侧管理通车要求，渠顶宽设为4.0m，左侧渠堤顶宽不考虑通车要求，仅从运行安全方面考虑，设为2.0m，外边坡设为1∶1。

3.2 1＋625～5＋014段

此段相对于前段纵坡大，破损更严重，且冬季渠道结冰，造成断面过水能力不够，常常花费人力去破冰提闸。

由于渠道冬季输水，形成大气与水之间的热量交换，当水面负温时，即开始结冰，经过冰絮、岸冰、流冰，封冻、解冻等过程，冰体对两岸衬砌边板产生冰压力和冰推力造成衬砌体破坏或将砌体被推上坡；当水面封冻时，上游的浮冰源源不断而来，钻到冰面以下或以上，浮冰和冰块在建筑物前（如桥、闸）或渠道拐弯处积累，减小过水断面，逐渐封堵形成冰塞、冰坝，导致过水能力不足。当解冻以后，边板下的细颗粒从板的裂缝被带出，进一步造成相邻板的塌陷破坏，造成恶性循环。同时导致渠道输水糙率变大，过水能力受阻，渗透量加大。

现状此段渠道纵坡1／42左右，设计流速4.18～4.8m／s，针对此段渠道存在的问题，做了两个方案比较。

方案一：基本保持原有纵坡，采用梯形、矩形复合断面形式。

拆除原有所有混凝土板，原垫层不拆除，考虑梯形渠道抗冻胀性优于矩形渠道，矩形渠道相对于梯形渠道不易挂冰的特点，采用矩形断面挡土墙式结构渠道与梯形断面渠道相结合的结构形式。

在原垫层上铺设砂砾石垫层30cm，表面衬砌现浇混凝土15cm，边墙为重力式结构。具体结构见下图。

图1 渠道横断面设计图

方案二：修建跌水，调整纵坡，采用梯形断面。

拆除所有的原渠道所有混凝土板，在原渠道的垫层上铺设砂砾石垫层30cm，表面衬砌现浇混凝土10cm，断面结构形式为梯形，边坡为1∶1.5。此段渠道首尾落差为72m，如果按1／145的纵坡调整，需修建跌差为2.2m的跌水21座，跌水最短间距107m，最长间距为290m。跌水消力池池深2.6m，池宽2.3m。经消能计算，跌水消力池长11.6m，边墙为重力式混凝土墙，消力池坎高0.7m，混凝土底板厚0.4m，消力池前接3.0m的浆砌石扭面，后接5m的浆砌石扭面，扭面底板厚30cm。

通过经济比较，方案一工程投资170.2万元，方案二工程投资350万元。方案一的比方案二工程直接投资小179.8万元；

从安全考虑，方案一优于方案二，由于跌水相距太近，水流还未进入稳流状态，就进入下级跌水，这样不但不能降低流速，反而造成紊流，流态更加不好，同时也影响建筑物的正常引水；

从实际运行考虑，方案一较方案二的的渠道不易挂冰，易打冰。因此选择方案一。

方案一，现浇混凝土指标均为C20W6F200。渠道衬砌板纵向缝在两边坡角和渠坡中部约1／2渠深处错缝设置，横向缝每2m设一道，重力墙每6m一道。缝宽1.5cm，缝内填闭孔塑料板，顶部1.5cm采用原浆封口。

考虑梯形渠道抗冻胀性优于矩形渠道，矩形渠道相对于梯形渠道不易挂冰的特点，采用矩形断面挡土墙式结构渠道与梯形断面渠道相结合的结构形式。

此段渠堤顶宽考虑到原渠道右侧伴行路宽已满足管理通车要求，本次设计渠堤顶宽不考虑通车要求，仅从运行安全方面考虑，设为2.0m，外边坡设为1∶1。

4 效果评价

本渠道防渗采用现浇混凝土单防，断面采用半挖半填、下半部为梯形、上半部为矩形的复合断面。主要表现为一是渠道下半部为梯形、上半部为矩形，冬天引水流量稳定，水位线都在矩形断面上，减少了结冰量，相应减少了冻胀破坏；二是渠道半挖半填、下半部为梯形、上半部为矩形，冬天运行打冰方便，矩形渠道比梯形渠道便于操作，有利于工作安全。

本工程自2006年建成自今，职工的冬季打冰每年只有1－2次，在保证安全的情况下，大大降低了职工的工作劳动强度，发挥了较好的作用。