浅谈三屯河灌区佃坝渠渠道防渗方案分析

李金栗

【摘 要】新疆三屯河灌区续建配套与节水改造工程佃坝渠采用现浇混凝土板衬砌基础防护，在施工过程中，严格执行质量规范标准，避免出现施工质量问题。

【关键词]】渠道：混凝土衬砌：防渗方案分析

1工程概况

三屯河流域位于天山北麓准噶尔盆地南缘，界于东经86°24'～87°37'，北纬43°26'～45°20'之间。流域范围：东以头屯河流域为界，西至呼图壁河流域，南以天山山脉的阿斯克达板山脊为界，北至古尔班通古特沙漠。南北长约260km，东西宽约31km，流域面积7964km2。佃坝渠（4+730～5+900）该段为预制砼板梯形断面渠道，砼板断裂、破损严重，砼板局部脱落为土渠，渠道局部段淤积严重，过水断面不足，渠道边坡杂草丛生，影响渠道过流能力，渠系建筑物破损严重。

2基本资料

2.1气象

三屯河流域深居欧亚大陆腹地，属中温带大陆性半荒漠干旱气候。（1）气温及日照：据昌吉气象站（海拔577.2m）1958年至1980年23年观测资料分析，三屯河流域多年平均气温在6.1℃，年较差在42.1℃，南部高山区多年平均气温在-5.2℃，中低山区多年平均气温在2.1℃。（2）降水及蒸发：本流域降水极不均匀，降水量在100-600mm之间；山区年降水量为524.1mm，平原地区降水量为181.7mm；据水文站和气象站资料分析，山区年蒸发量为1587mm，平原地区蒸发量为1739.1；均为20cm蒸发器蒸发量。（3）冻土：三屯河灌区冻结期为五个月，冻结初日10月23日，终日4月5日，最大冻土深度1.4m。

2.2水文

三屯河上游由大、小屯河组成，在努尔加牧业村附近汇合，由南向北汇入各山间支流，形成三屯河的主流。水汽来源主要是由于西风环流带来大量的水汽，这些水汽在山区受地形等因素的影响，形成较多的降水。这些降水在高山区形成积雪和冰川，源源不断的补给地表和地下水，此外在中低山区尚有部分泉水补给地表水。高山区冰雪融水和中低山区降雨是河川径流的主要补给源。径流在河流出山口后，流经山前砾石戈壁冲积扇地带，绝大部分被灌溉引用。

三屯河径流的年际变化比较小，径流变差系数Cv值为0.14而Cs/Cv=2，说明三屯河年径流受冰川影响较大，调节能力较强。

2.3工程地质条件

佃坝渠地层单一，主要为第四系洪积低液限粉土和低液限粘土层，地下水位埋深1.5～2.0m左右，低于设计渠底线。该段渠道以半填半挖为主，挖深0.2～1.0m，渠基土以低液限粉土为主，粒径0.075mm颗粒含量>10%，属冻胀土，需采取换填砂砾料等防冻胀措施，渠道开挖边坡1：1.5，允许承载力140Kpa。对土层内分布粗大植物根系应清除，半填段应清除表层0.5m厚含植物根系较多土层，并压密处理后进行填筑。佃坝渠设计渠深1.0～1.2m，渠道挖深0.8～1.0m，砼底板厚8cm，下设40cm厚砂砾石抗冻垫层，渠道基础挖深0.58～0.79m。根据试验结果，低液限粉土液限26%，塑限12%，塑性指数9.6，天然含水量19%，天然干密度1.53～1.62g/cm3，飽和状态下，摩擦角φ=21.5°，孔隙比0.81，压缩系数0.43Mpa-1，湿陷性系数在0.0018～0.0021之间，属非湿陷性土层。建议渠道开挖边坡1：1.5，允许承载力140KPa。应清除表部0.5m厚的含植物根系较多土层，并压密处理后进行填筑。

3.工程设计与方案分析

3.1工程总体布置

据所选的渠线布置方案，综合考虑渠道沿线的地层岩性、地下水埋深、建筑材料分布和渠系建筑物布置等因素，在确保工程安全可靠、便于管理的前提下，使渠道工程量最小，工程投资最经济。

3.1.1渠道横断面设计

渠道横断面为未进行防渗防冲衬砌（或衬砌结构已损坏）的宽浅式梯形断面，因此为了减少渠道的开挖和填筑土方工程量，渠道横断面仍采用梯形断面。

（1）边坡系数及坡角：按《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288—99）表6.1.19、表6.1.22规定，并参考已建工程，渠道内边坡系数取为l：1.5，外边坡系数取为1：1.5。

（2）糙率 ：根据规范，砼现浇板衬砌，糙率取为n=0.017。

（3）渠道宽深比：根据水力学推导，梯形渠道水力最优断面的宽深比α最优=b/h=2×（ -m），当m=l：1.5时，α=0.605。根据渠道现状底宽与最优断面复核，根据各段渠道的流量和纵坡并结合原有渠道底宽设计确定。

（4）渠道超高：渠道为5级渠道，渠道岸顶超高计算依据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288—99）6.1.23第1条公式：

Fb= hb+0.2

式中：Fb—渠道岸顶超高（m）； hb—渠道通过加大流量时的水深（m）。

根据各段渠道加大水深，并综合考虑便于施工等因素，确定各渠道超高，各渠道超高见水力要素表。各渠道各段超高均满足规范要求。

（5）渠顶宽度：根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99），万亩以上灌区干、支渠岸顶宽度不应小于2m，斗农渠不宜小于l.0m，各渠道一侧考虑运行检修及灌区道路要求，故各渠道两侧渠顶宽度为2m。

（6）现浇砼衬砌板：依据《渠道防渗工程技术规范》（GB/T 50600-2010）5.5.2条，“渠道流速小于3m/s时，梯形渠道混凝土等厚板的最小厚度应符合表5.5.2规定；流速为3m/s～4m/s时，最小厚度宜为10cm；流速为4m/s～5m/s时，最小厚度宜为12cm。”

（7）板缝设置：现浇砼板板厚10cm的佃坝渠（4+730～5+900）段，横向伸缩缝间距采用3m；。伸缩缝采用高压闭孔板嵌缝，表层2cm采用聚氨酯砂浆闭缝。

（8）不淤流速、不冲流速：1）不淤流速：根据规范，不淤流速采用黄河水利科学研究所的不淤流速计算公式进行验算：

式中：v不淤—渠道不淤流速（m/s）；R—水力半径（m）；C0—根据渠道泥沙性质确定的系数，本次选取C0=0.4。2）不冲流速：根据规范，现浇砼砌筑渠道的允许不冲流速为3～5m/s。

3.1.2渠道水力计算成果

梯形渠道横断面尺寸根据规范，通过设计流量时的明渠均匀流公式计算而得，计算公式为：

Q=

式中：Q—渠道设计流量（m3/s）；

ω—渠道过水断面面积（m2）：ω=（B+mH）H；

B—渠道底宽（m）；

m—渠道边坡系数；

H—渠道水深（m）；

R—水力半径：R=

i—水力坡降，即渠道纵坡；

n—糙率系数。

3.2渠道工程防渗方案分析

3.2.1横断面衬砌型式方案分析

本渠道方案衬砌形式为：当渠道流速υ<3m/s时，边坡由表及里依次为8cm厚现浇混凝土板、40cm砂砾石防冻层：渠底由表及里依次为8cm厚现浇混凝土板、40cm砂砾石防冻层；当渠道流速3m/s<υ<4m/s时，边坡由表及里依次为10cm厚现浇混凝土板、40cm砂砾石防冻层：渠底由表及里依次为10cm厚现浇混凝土板、40cm砂砾石防冻层。采用现浇砼板衬砌，渠道防渗、抗冲效果好，耐久性强，渠道糙率较小，现浇板施工用水需购买拉运，在不影响灌溉用水的情况下，工期较紧。

3.2.2采用此方案优点

此方案提高了渠道的输水能力和防渗漏标准，增强了渠道抗冲能力，加大了渠道水流流速，减少了地下水补给，控制了地下水位和防治土壤盐渍化。