五家渠灌区渠道防渗改建工程设计

李 斌

（阜康市九运街镇农业（畜牧业）发展服务中心，新疆 阜康 831501）

1 工程概况

五家渠灌区地处天山北麓、准噶尔盆地南缘、乌鲁木齐河下游冲积洪积平原，是新疆20世纪50年代开发建设的大型灌区之一，总面积9.09万hm2，灌溉面积2.16万hm2，灌区总人口10.76万人。本次五家渠灌区规划改建渠道6条，总长18.97km，配套建筑物40座，其中闸33座，涵7座，控制灌溉面积0.72万hm2。 渠道设计流量1.08～0.32m3/s。渠道工程级别5级，其建筑物工程级别为5级。

2 工程地质条件

经实地勘察，改建渠道沿线地层岩性基本由低液限粉土、低液限黏土和粉土质砂组成。由于渠线位于冲洪积平原中下游，沉积环境与沉积作用的交替变化，导致渠道沿线地层岩性存在一定变化。

2.1 地基土地层描述

以猛进干渠103团十四连输水支渠段为实例，其地基土层主要分以下两种：

（1）粉土质砂，位于地表之下，层厚1.8～2.5m，该层呈土黄色，稍密～中密，稍湿～饱和，大于2mm粒径含量大于50%。

（2）低液限粉土层，该层层顶埋深2.0～2.5m，最大厚度4.5m，土黄色～灰褐色，湿，中密～密实，刀切面粗糙，干强度和韧性低，摇震反应迅速。

主要土工试验统计数据如表1。

表1 土工试验统计数据

2.2 其他性质

2.2.1 场地土腐蚀性评价

经对各段场地土易溶盐含量试验分析，得出其对混凝土结构腐蚀性呈弱性，对混凝土结构中钢筋腐蚀性呈中性。渠道沿线0.5m以下土有机质含量较低，可不考虑影响。

2.2.2 盐胀性、溶陷性、湿陷性评价

根据分析报告，场地土中硫酸钠含量小于1%，可不考虑土的盐胀性[2]；据本区以往大量工程建筑经验，本场地无溶陷性土，故不用考虑；根据室内土工试验结果，各土层湿陷系数均小于0.015，不具有湿陷性。

2.2.3 冻胀性评价

根据地质资料，改建渠道沿线标准冻深1.5m，属季节性冻土，土中粒径小于0.075mm颗粒含量大于总土重10%，可判定属于冻胀性土，必须做好应对措施。

3 渠道防渗改建设计

3.1 渠道横断面设计

渠道横断面设计需要满足的条件：

（1）渠道有足够的过水能力，以满足相应的灌溉面积要求。

（2）渠床和边坡稳定，不发生冲刷、淤积、滑坡、坍塌等问题。

（3）尽量降低工程量和施工难度，具有较好的经济性[3]。

3.1.1 渠道水力计算

本项目渠道横断面尺寸是根据渠道通过设计流量Q的明渠均匀流公式计算而得[4]，尺寸应在水力最佳断面范围内。

式中 A为渠道过水断面面积（m2）；I为水力比降，即渠道纵坡，取值0.02%～0.04%；C为谢才系数。

渠堤超高Fb根据规范大水深计算如式（2）[5]。

式中 Fb为渠道堤超高（m）；h加为渠道加大水深（m）。

在此以猛进干渠103团十四连输水支渠段为对象，经计算得出该段渠道水利要素数据，如表2（部分）。

表2 渠道水力要素

3.1.2 横断面结构方案比选

结合本项目渠道纵坡、流量、地基等条件，确定了梯型断面最适合，具体以下横断面结构方案有两种可供选择。

3.1.2.1 现浇混凝土板衬砌+砂砾石防冻层（方案1）

渠底和边坡均采用C20现浇混凝土板，其中渠底浇筑厚度设计10cm，边坡设计8cm。两侧内外边坡坡度设计均为1∶1.5。渠底和边坡现浇混凝土板下部均设计砂砾石防冻层（断面结构如图1）。

图1 方案1渠道横断面结构

渠底和边坡每隔3.0m设计1道横向伸缩缝，缝宽2cm，深度设计8cm。其中上部分2cm深度采用聚氨酯砂浆填缝（聚氨酯和砂浆各占50%）；下部分6cm深度采用高压闭孔板填缝。

3.1.2.2 渠底现浇混凝土板衬砌+边坡预制混凝土板+砂砾石防冻层（方案2）

渠底设计为C20现浇筑混凝土板10cm，边坡设计为C20预制混凝土板6cm（尺寸规格：长×宽=60cm×40cm），两侧内外边坡坡度设计均为1∶1.5。渠底和边坡现浇混凝土板下部均设计砂砾石防冻层 （断面结构如图2）。

图2 方案2渠道横断面结构

预制混凝土板之间缝隙宽度设计2.0cm，深度6cm，其中上部分2cm深度采用聚氨酯砂浆填缝（聚氨酯和砂浆各占50%）；下部分4cm深度采用高压闭孔板填缝。渠底横向伸缩缝设计同方案1。

两方案优缺点对比如表3。

表3 渠道断面结构两方案对比

综合分析，方案2施工速度快，且综合造价低，使用寿命长，利于日后管理和维修，因此施工方案最终采用方案2。

3.2 渠道防渗设计

渠道防渗是本项目改建的重点问题之一，方案2设计的混凝土面板防渗效果较差，且随着混凝土板裂缝增加，其防渗性必然降低，因此本项目设计采用“混凝土板+塑膜”双防渗结构[6]，即在渠道混凝土板下方铺设厚度为聚乙烯塑膜，采用塑膜规格为：厚度0.3mm；抗拉伸强度≥13MPa，伸长率≥150%；幅宽3.0m。具体施工步骤如下：

3.2.1 塑膜加工

剪裁按照铺膜方式分为两种：

（1）当采用纵向铺膜时，每段长度控制在30～50m；

（2）横向铺膜时，根据两侧护坡和渠底尺寸设计，要求比实际尺寸大5%。

本项目采用横向铺膜方式。塑膜接缝处理法包括：搭接法、焊接法、黏结法，通过实际对比，本项目最适合采用电熨斗焊接法施工，要求焊接搭接宽度不小于10cm，确保缝口密闭性良好。

3.2.2 塑膜铺设

塑膜铺设形式可分为：全铺式、半铺式、底铺式3类，本项目防渗采用全铺式。塑膜两端埋入渠堤60cm，并用回填土压实。铺设时横向由一侧铺设，纵向顺水流方向，上段压下段铺设，保证铺设整体性。拉展时应均匀预留些许小褶皱，使其适应较大变形量。

3.3 渠道防冻胀设计

本次五家渠改建渠道沿线冻深1.5m，设计采用换填法处理地基。主要涉及置换深度和置换材料两方面设计内容。

3.3.1 置换深度

置换深度Z0直接影响了渠道防冻胀效果及地基换填投资，其计算公式如（3）。式中 ε为置换比，边坡0.253，渠底0.267；Zd为标准冻深，取1.5m；δ0为上覆混凝土板厚度，边坡6cm，渠底10cm。

经计算，边坡需要置换深度32cm，渠底置换深度30cm。

3.3.2 置换材料选取

一般渠道抗冻胀置换材料可选取砂砾石或聚苯乙烯板，两种置换材料的优缺点对比如表4。通过分析，本次五家渠改建渠道设计寿命超过20年，聚苯乙烯板满足不了这一硬性指标，所以排除。最终设计改建渠道边坡铺设砂砾石防冻层32cm，渠底铺设30cm。

表4 抗冻胀置换材料比选

本项目要求砂砾石垫层压实度不小于0.96，并逐层压实；砂砾石垫层中粒径小于0.075mm的土含量不应大于总戈壁量重的10%；同时砂砾石中尖角砾石含量不能超规范。

4 结语

（1）通过以五家渠灌区原有渠道工程为基础，重新设计了断面和衬砌形式、防渗方案，增加了抗冻胀措施，改建渠道投入使用后应用效果良好，各方面参数均达到设计要求。

（2）渠道改建应尽量依托原来的工程基础，满足输水量情况下尽量杜绝肆意扩大规模，各项设计方案紧密结合当地实际条件，就地取材，在满足使用的基础上降低造价。