奎屯河上游渠首改造方案探析

陈黎明

1 工程概况

奎屯河流域位于天山北麓准噶尔盆地西南缘，流域东以巴音河流域为界，西以古尔图河和托托河为界，南以伊犁喀什河流域为界，北以奎屯河以北的沙漠为界，流域总面积2.83万km2。其中山区1.19万km2，平原区 1.64万 km2。本项目完成新建渠首1座，新建渠首最大泄洪流量76.9 m3/s，最大引水流量2.5 m3/s。渠首原设计形式为拦河加滚水坝式，渠首工程主要包括滚水坝、冲砂闸、引水闸和上、下游整治段组成。

2 工程存在问题

2.1 原渠首

奎屯河上游现有一座引水渠首，始建于1975年，渠首设计引水能力为1.5 m3/s，因缺乏专业管理人员，且交通不畅，无相关维护费用，运行至今，渠首水毁严重，滚水坝已不复存在，现在只有一条简易浆砌石挡水墙，现状渠首实际引水能力仅为0.7m3/s，每年五六月遇山洪突袭，当地政府组织村民上山防洪，但无法从根本解决问题，由于引水量达不到要求，直接影响村民定居下来，被迫迁徙。

2.2 渠系建筑物

灌溉区内渠堤建筑质量差，渠系安全无保证。建筑物始建于20世纪70～80年代，水闸基础设施坐落在低液限粉土层上，因基础处理不完善，施工质量达不到设计标准等原因导致水闸破损严重，同时由于年久失修，闸门变形严重，启闭设备也不配套，闸门漏水甚为严重，已不能起到节制调控流量作用，闸前闸后渐变段已基本破损,有明显沉降变形,渗漏严重。

3 渠首改造方案

3.1 引水渠首规模

设计引水流量为1.92m3/s，加大引水流量为2.5m3/s。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000，渠首工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级，设计洪水标准为10年一遇，校核洪水标准为30年一遇。天然河道洪水10年一遇洪峰流量为46 m3/s，30年一遇洪峰流量为76.9m3/s。

3.2 渠首总布置

根据河道功能控制水位和灌区所需用水量，通过现场勘测,提出两种方案，方案一拦河坝式渠首,方案二拦河闸式渠首。

3.2.1 方案一：拦河坝式渠首

滚水坝式渠首由滚水坝、冲砂闸、引水闸和陡坡段及抛石坑组成。引水闸布置在左岸，与冲砂闸平行布置，引水闸闸孔净宽2.0 m。冲砂闸布置在引水闸和溢流坝之间，闸孔净宽3.0 m、两孔闸。溢流坝坝长25 m,坝高3.4 m，地面以上高1.9 m，滚水坝末端设15m长的陡坡段，设4.5m深的抛石坑。

3.2.2 方案二：拦河闸式渠首

拦河闸方案主要由泄洪闸、冲砂闸、引水闸、海曼段及上游连接段组成。泄洪冲砂闸垂直于河道布置，其中泄洪闸为4孔净宽5 m的梯形闸门，冲砂闸紧靠引水闸布置，为净宽3.0 m的平板钢闸门。引水闸位于渠首左岸，闸孔净宽2.0 m，泄洪冲砂闸后接海曼段及防冲段。

经过对比,拦河闸方案较滚水坝方案冲砂闸效果要好，拦河闸方案要求管理水平较高，洪水期要求专人开启闸门。项目区位于山区，现状没有管理站所驻扎此地，无法按设计要求管理闸门。而滚水坝方案是自由溢流，可减少管理投入，更适合本地实际情况。拦河闸方案和滚水坝方案都有可建条件，经方案比选，拦河闸方案较滚水坝方案多22万元左右投资，结合工程投资本次选择滚水坝方案。

引水渠首工程布置在原老渠首位置，建议主要包括冲砂闸、引水闸和滚水坝、上、下游连接段组成。上游进口段长20 m宽55 m，底板采用C20F200细粒砼砌筑，边墙长24 m采用C20F200细粒砼砌筑。根据水文资料，30年一遇洪峰流量为76.9 m3/s，渠首最大泄洪流量也为76.9 m3/s，其中滚水坝最大泄流能力为34.46m3/s，冲砂闸最大泄流能力42.44m3/s。滚水坝宽25 m，垂直于河道布置坝型为梯形实用堰，为满足河道冲砂要求，在滚水坝左端设冲砂闸，冲砂闸为2孔，闸孔净宽为3.0 m。引水闸位于滚水坝左岸，其轴线与滚水坝轴线成16°角。引水闸为1孔，闸孔净宽2.0 m，最大引水流量2.5 m3/s，采用平面铸铁闸门控制。下游海漫段长15m底板用0.5 m现浇板浇筑，左岸边墙为钢筋混凝土，右岸边墙为C20F200细粒砼砌筑。出口段下游接抛石坑抛石粒径d≥0.7 m。

表1 渠首方案比选

3.3 滚水坝坝顶高程和溢流段长度的确定

滚水坝为壅水建筑物其坝顶高程和滚水坝段长度的确定与许多因素有关，其中主要是：a.满足设计引水位的要求，保证渠系和引取所需的供水流量；b.上游洪水位不超过允许的高程，以避免造成过大的淹没损失。洪水采用30年一遇校核洪峰流量引水闸为76.9 m3/s，灌区设计最大引水流量为2.5 m3/s[1]。

4 稳定验算及技术参数

根据新疆特殊的地理环境,渠系主要是冻胀破坏,施工现场天然冻土层冻胀量可依据《渠系工程抗冻胀设计规范》SL23-2006查图3.2.2-2，冻前地下水位Zw=2.0 m,经查表，干渠N-S方向最大地表冻胀量为2.6 cm,经计算基础结构下冻土层产生的冻胀量为2.43cm[2]，查表3.3.2得地基土的冻胀性级别为Ⅱ级。

4.1 抗滑稳定安全验算

渠首地层属第四系上更新统-全新统洪积堆积物砂卵（砾）石层，其厚度大于60m，表层有较薄的冲洪积粘土，低液限粘土，透水性强，厚度大，结构密度，干燥，磨圆度较好，呈亚圆形，内磨擦角为 32°，允许承载力 32t/m2，渗透系数 2.32×10-2～7.52×10-3cm/s，本段渠线地下水埋深大于10 m，稳定性验算达到要求,处理深度应满足水流抗冲刷深度。

4.2 抗冻胀稳定性验算

渠系衬砌结构的冻胀位移值渠系基土的冻胀量确定，根据《渠系工程抗冻胀设计规范》SL23-2006表（4.2.2）规定，混凝土衬砌防渗的梯形底梯形渠系允许位移值为1～3 cm，干砌卵石做浆衬砌防渗的梯形底梯形渠系允许位移值为2～5 cm。梯形底渠系底部的基土冻胀量小于规范规定的允许冻胀量，所以不用采取防冻胀措施，但梯形底渠系边坡和梯形段渠系冻胀量大于规范规定的允许冻胀量，需进行置换，以防止渠系发生冻胀破坏。

4.3 砂砾石含量

实际工程经验：通过对奎屯河灌区的渠系破坏情况的调查与分析，垫层设20 cm～30 cm不会发生破坏。综上所述，本次设计渠系渠底和边坡采用6 cm厚C20F200预制砼板衬砌，下部铺30cm厚的砂砾石垫层,渠系填方部分设计干容重rd≥1.70g/cm3。砂砾石垫层的技术要求为：最大颗粒粒径不超过40 mm,小于0.075mm的颗粒质量含量不超过6%，小于7.5mm颗粒质量含量不超过40%，相对密度不小于0.75。

4.4 灌溉水利用系数

根据实地的调查，现状该渠系干渠进行了防渗处理，现状干渠由于渠线较陡，已建的砼衬砌渠系冲毁严重，渠系全长6.0km，其中毁坏90%以上毁坏。经实际调查现状地面灌渠系水利用系数0.58，田间水利用系数0.9，灌溉水利用系数为0.52，无高效节水，见表2。

表2 灌溉水利用系数表

根据《灌溉与排水工程设计规范》GB50288-99，渠系水利用系数等于各级渠系水利用系数之乘积，在无实测资料时，可采用下列公式计算：

式中，η为渠系水利用系数；σ为渠系单位长度水量损失率，%·km；L为渠系长度，km。

式中，k为土壤透水系数，3.4；m为土壤透水指数，0.5[3]；渠系衬砌之后，渠系单位长度水量损失率σ可用下式修正：σ0=ε0σ，砼板防渗：ε0取 0.1。

根据上述公式，计算干、支、斗、农四级渠系的渠系水利用系数，参照灌区的部分实测资料并考虑到的管理水平和蒸发损失，将渠系水利用系数作适当调整，见表3。

表3 渠系水利用系数

5 结论

通过本工程除险加固后的渠首，以灌溉为主，结合养殖、改善和保护生态环境为一体的水利工程。工程项目经过两年的运行及冻融期，水流走向通畅，闸门开启灵活，渠首改造工程通过竣工验收,工程质量合格;当地村民反映良好。产生很好的社会经济效益，国民经济评价是可行的。节余水量可用于灌区内及周边天然植被的灌溉，改善本灌区的生态环境。该工程具有较好的经济效益、社会效益和生态效益。

[1]新疆农七师水利水电勘测设计研究院.新疆奎屯河渠首工程初步设计报告[R].奎屯：新疆农七师水利水电勘测设计研究院，2012.

[2]SL 211-2006，水工建筑物抗冰冻设计规范[S].北京：人民邮电出版社,2006.

[3]GB 50288-99，灌溉与排水工程设计规范[S].北京：中国水利水电出版社,1999.