玛纳斯河灌区渠道改造设计方案分析

司马震

（五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司，新疆五家渠 831300）

1 工程概况

玛纳斯河灌区隶属于新疆建设兵团第六师，规模属于大型灌区，总灌溉面积可达20.4万hm2，拥有4座大中型水库（总库容4.25亿m3），各类灌溉渠道1.7万km，其中干渠设计流量5～6 m3/s，支渠设计流量0.8～1.6 m3/s，灌区年引水总量可达12亿m3。由于大部分渠道修建于20世纪70年代，目前渗漏问题严重，部分渠段达不到设计流量的50%，水资源浪费严重。经实地考察，此次项目需改建18条渠道，改造总长137.04 km，其中干渠共改造3条，总长48.35 km；支渠共改造15条，总长88.7 km。

2 渠道改造方案设计

2.1 渠线设计

渠线设计的基本原则为：在满足自流灌溉的前提下，要尽量少占农田，少破坏天然植被。该项目区现有大部分渠道两侧均为耕地，因此在渠线设计时有2个方案可选：1）在老渠道上改建防渗；2）占用耕地新建防渗渠道[1]。对2种方案的优缺点进行对比，优点：方案一，1）老渠上改建土方工程量较少；2）在老支渠上改建，渠基安全可靠；3）对渠道周围的环境破坏程度较小；4）与干渠连接较为平顺,水流条件好。方案二，1）施工不存在抢修问题；2）施工方法简。缺点：方案一，施工复杂，所需工期较长，且质量不易保证；方案二，需占用耕地，破坏了渠道周围环境。

通过分析2种方案，方案一工程量小，渠基安全可靠，与支渠连接较方便；方案二虽然也有优点，但需占用耕地，所以方案一比方案二更合理。经比较确定选用方案一作为最终施工方案。

2.2 渠道纵坡设计

渠道纵坡设计应遵循的原则：1）保证设计输水能力、边坡稳定和水流安全通畅；2）渠道起点高程与上级渠道分水闸闸底高程保持一致；3）保证渠道之间平顺衔接；4）占地较少，工程量较小，施工管理方便；5）纵坡的制定要满足渠道的不冲不淤流速[2]。

由于干渠防渗改建后要满足支渠引水要求，支渠防渗改建后仍要满足斗渠口的引水高程要求，因此改建后渠道的闸口设计高程需满足下级渠道的引水要求，这是渠道纵坡设计的核心点。各渠口水位可按照式（1）推算确定[3]。经计算此次干渠设计纵坡为0.044‰～2.23‰之间，支渠设计纵坡为0.344‰～3.38‰之间。

式中：A0——渠道灌溉范围内控制点的地面高程，m；△h——控制点地面与附近末级固定渠道设计水位的高差，一般取0.1～0.2 m；Li——渠道比降；ψ——水流通过渠系建筑物的水头损失，m。

2.3 渠道横断面设计

2.3.1 渠道主要参数设计

1）糙率

该项目干渠和支渠防渗设计均采用“混凝土板加一布一膜”双防渗结构。渠道糙率直接影响水流速度和输水能力。渠道糙率n参考值见表1所示[4]。结合其他工程和相关规定，确定此次渠道设计糙率为0.016。

表1 渠道糙率n参考值

2）边坡

经调查，项目区渠道沿线土质多为低液限粉土粉土、低液限粘土，料场土质多为粉土粘土。根据相关规定：当渠道设计水深在1～2 m时，中壤土对应的渠道最小边坡系数内坡1.25，外坡1.0。此次项目结合渠道土质及灌区的实际运行经验，确定干渠内边坡系数为1.75，外边坡系数为1.5；支渠内边坡系数为1.5，外边坡系数为1.5。

3）渠堤宽度和超高设计

渠堤宽度和设计流量直接相关，具体参数见表3[5]。该项目干渠设计流量Q1≥5 m3/s，因此渠堤宽度取2.0 m；支渠设计流量Q2≤2 m3/s，渠堤宽度取为1.0 m。

表2 渠道设计流量和堤顶宽度取值

渠道超高F可按照公式（2）确定，计算得出干渠安全超高在0.42～1.16 m（干渠深1.1～2.7 m）；支渠的安全超高在0.31～0.47 m（支渠深0.7～1.2 m）。

式中：h加——加大流量水深，m。

2.3.2 横断面形状设计

此次工程沿线多数为填方渠道，部分为半挖半填方渠道，在横断面设计时要考虑流量、渗漏、冻胀、冲刷、投资、施工等因素。经考察，共有3种断面方案可供选择：

方案一：梯形混凝土结构。施工工艺简单，工期较短。但由于梯形断面边坡与渠底为折线突变，适应冻胀破坏能力稍差。

方案二：弧形底梯形混凝土结构。施工工艺相对难，受力均匀，抵抗冻胀能力较梯形好，但弧形底混凝土板不易预制，在施工进度方面稍差。

方案三：弧形坡脚梯形断面混凝土结构。适用于宽浅式渠道，抗冻性能适中。弧形坡脚混凝土板不易预制，施工工艺稍难。

考虑弧形底梯形断面适用于较大流量渠道，且投资和施工难度小，因此干渠渠道设计采用弧形底梯形断面；支渠渠道由于对抗冻胀性要求不高，设计采用梯形断面（见图1和2）。由于现浇混凝土投资低、整体性好，此次设计选用现浇混凝土板方案。混凝土强度等级为C20，抗渗等级W6，抗冻等级F200。

图1 干渠设计断面图

图2 支渠设计断面图

2.3.3 抗冻胀设计

抗冻胀性是新疆地区渠道工程需要考虑的重要问题。经实地考察，该项目渠道沿线地下水埋深小于1.5 m，大部分属于Ⅲ级冻胀。梯形断面混凝土板护坡允许法向位移值0.5～1.0 cm；弧形底梯形断面混凝土板护坡允许法向位移值1.0～3.0 cm。所以无论采用哪种断面形式，冻胀量都大于法向位移值，需进行防冻胀设计。

置换冻土层是提高渠道防冻胀性的重要途径，需置换垫层厚度Zn的计算见公式（3）[6]，经计算Zn范围在0.8～1.5 m范围。

式中：ζ——置换比，%；Zd——置换部位的设计冻深；δ0——衬砌板厚度，干渠为10 cm，支渠为8 cm。

3 结语

大型灌区是当前集约化农业发展的代表，也是减少灌溉用水的重要途径。渠道系统是灌区的基础，直接决定了农作物的灌溉质量，进而影响灌区的经济效益。由于灌区发展及年久失修，很多渠道出现输水能力不足、渗漏严重等问题，必须进行改造。而渠道设计参数包含线路、糙率、纵坡、断面形状、抗冻设计等内容，是一项综合性很强的工程。玛纳斯河灌区作为新疆在自治区大型灌区之一，渠道设计按照“高标准、严要求”进行设计和施工，有效地保证了灌区的健康发展。