北屯灌区渠道方案比选与设计分析

曹海涛

（新疆北屯市恒丰勘察设计开发有限责任公司，新疆 北屯 836099）

灌区工程建设是一项重要的民生工程，也是一项重要的生态改善工程。近年来国家投入资金进行灌区续建配套与节水改造，灌区灌溉条件得到明显改善，但仍有部分灌溉渠道存在渠岸坍塌、渠道断面不规则、杂草丛生、渠道流速缓慢、渗漏损失大等问题，造成灌溉季节地下水位不断升高、土地次生盐碱化，使得灌区水利工程与灌区经济发展不相适应[1]。

目前，充分利用地下水的综合防治措施、农田水利基础设施建设，对灌区渠道进行维修、改造或者重建，相应的提高防洪能力和灌区的用水效益，为经济可持续发展提供保障。受到现代技术、资金等条件限制，水利项目的施工技术标准、水利项目的建设质量也相对很低，维修费用、管理不到位、长期带病运行使水利工程设施严重老化。灌区存在的诸多问题，影响灌溉效益的正常发挥。因此，为确保水利灌区功能有效发挥，必须科学认识灌区存在的问题，对灌区的渠道进行改造。本文针对北屯区骨干水利工程设计进行分析。

1 工程现状

北屯灌区位于新疆阿勒泰地区福海县境内，地处阿勒泰地区经济核心中部，灌区有国道216线、省道318线和奎阿高速，是阿勒泰地区的交通枢纽。根据灌区续建配套与节水改造规划成果，结合灌区实际情况，确定改造干渠流量为7 m3/s～4.5 m3/s，依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017），确定工程规模为中型，工程等别为Ⅳ等。

2 渠道存在的问题

北屯灌区因土层薄，土层以下是透水性较强的砂砾石层，水量渗漏较大。渠道大多数为土渠或损坏严重的防渗渠，渠道杂草丛生，断面不规则，渠岸坍塌，渠道流速缓慢，渠床为砂砾石地基，渠道渗漏严重，造成部分区域渠道两侧沼泽、土壤盐渍化严重。通过渠道防渗改造，提高流速、减少渠道渗漏损失，提高水利用系数、节约水资源。

工程规划原则是实现灌区水资源可持续利用，为实现灌区经济的可持续发展打下坚实的基础，为北屯灌区农业发展提供可靠的水利保障设施。

3 渠道方案比选

选取典型的渠道防渗工程从渠线选择、渠道防渗结构型式两方面进行渠道工程方案比较。

3.1 渠线方案

工程属于灌区改造项目，现状渠道均已存在。以二干渠防渗渠为例，方案（一）为新渠线方案，即摒弃老渠线，重新选择一条渠线；方案（二）为旧渠线方案。

方案（一）：新渠线方案，摒弃旧渠线，重新选择一条新的渠线。二干渠末段新渠线选择的最主要问题是要占用大量耕地，根据实地踏勘，二干渠两侧均为耕地，新渠线只能选在耕地一侧，该渠线将占用大量耕地，初步估计新渠线及施工占耕地约3.7 hm2亩左右。

方案（二）：旧渠线方案，灌区现状渠系布置基本上是按照灌区总体规划修建的，经过多年的运行，从总体布置上看是合理的，只是局部渠段以土渠型式时弯曲较多，在进行防渗处理时，可根据实地情况适当截弯取直。因此涉及的渠道改造工程，渠线总体方案维持现状，只对局部不合理的渠线进行截裁弯取直。

3.2 渠道结构型式方案

渠道纵断面设计要考虑满足取水建筑物的取水水位要求，以此为依据设计渠道纵断面。

（1）渠道横断面结构型式比较。渠道横断面结构型式应根据工程区水文、气象、地质等条件，结合工程冲刷、冻胀等具体问题，参考灌区改造经验，进行方案比选后，确定最优方案。

根据规范要求及项目区已建相似工程，本工程拟采用弧形底梯形渠和梯形渠两个方案比较，见表1。

表1 渠道横断面型式方案比较

方案一弧形底梯形渠抗冻胀性能较好，但施工时间较长，与农业灌溉有矛盾；方案二抗冻胀性能相对较差，但易于施工、施工时间较短，同时参考北屯灌区已建相似工程，基本为梯形断面，冬季冻胀破坏不大，其施工、管理、运行良好，因此本可研推荐选用方案二梯形渠断面。

（2）渠道衬砌方案比较。根据本地材料与施工工艺，结合灌区近几年常见的渠道防渗型式，进行工程渠道结构型式方案比较，见表2。

方案一：现浇80 mm厚砼板衬砌结构型式

方案二：预制80 mm厚砼板衬砌结构型式

方案三：23 cm厚雷诺护垫衬砌结构型式

表2 渠道衬砌型式方案比较

根据上述分析，方案一单方投资较小，但施工需要时间相对较长，本方案工程量较大，农业灌溉结束后，用于施工的时间较短，两者有所矛盾；方案二预制、砌筑砼所需施工期短，相对工程量少，但单方造价较大。

按上述分析，根据具体工程需要，同时参考北屯灌区已建相似工程，二干渠末段采用预制砼+雷诺护垫衬砌型式。南关水库引水渠末段采用雷诺护垫衬砌型式。阿克达拉水库进水渠0+000～2+482段采用预制砼+雷诺护垫衬砌型式，2+482～3+505段采用雷诺护垫衬砌型式。

4 渠道设计

4.1 工程等别的划分

根据分析，3条干渠设计流量7 m3/s～4.5 m3/s，依据《渠道防渗工程技术规范》（GB/T 50600-2010），各渠道工程级别及工程规模，见表3。

项目区地震动峰值加速度g=0.05，相当于地震烈度Ⅵ度。

表3 各级渠道级别及规模统计表

根据上述确定本项目工程规模为中型，主要建筑物4级，次要建筑物5级。

4.2 渠道水力要素确定

梯形断面渠道水力计算采用《水力计算手册》上的有关公式进行计算：

式中：Q为渠道设计流量，m3/s；b为渠底宽度，m；h为渠道设计水深，m；m为渠道内边坡；i为渠道纵坡，渠道纵坡由现状渠底纵坡和地面而定；n为渠道糙率，根据渠道不同衬砌材料确定。计算过水断面值见表4～表6。

表4 北屯灌区二干渠末段水力要素表

表5 南关水库引水渠末段水力要素表

表6 阿克达拉水库进水渠水力要素表

4.3 渠道超高计算

根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288-2018）要求，4、5级渠道岸顶超高值：

式中：hb为渠道通过加大流量的水深。

通过上式计算渠道超高，同时考虑渠道采用砼预制板防渗，规范要求衬砌高度为0.3 m～0.8 m，结合衬砌砼板的规格等因素综合确定渠道超高。安全超高计算值见表4、表5、表6。

4.4 渠顶宽度确定

根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288-2018）要求，“万亩以上灌区干、支渠岸顶宽度不应小于2 m”、“渠道岸顶兼作交通道路时，其宽度应满足车辆通行要求”。

根据现状勘察，结合灌区规划，干渠渠堤有交通要求时，采用4 m堤顶宽，无交通要求时，堤顶宽度选择为2 m。

4.5 抗冻胀设计

根据本工程渠床取样颗粒分析，本工程渠道渠床粗粒土中粒径小于0.075 mm的土粒含量为3%～7.5%＜10%，为非冻胀土，不符合《渠道防渗工程技术规范》（GB/T 50600-2010）中的“三同时原则”的第一个条件，因此不作抗冻胀设计，采用灌区多年的防渗结构形式即可。

5 结语

本项目实施后，减少了北屯灌区渠道的渗漏和输水损失，对灌区因地下水位上升而引起的土壤盐渍化、沼泽化的现象也有极大改观，改善了灌区的供水条件，将节约的水资源用于灌区经济发展和灌区生态建设，有利于灌区水资源的可持续利用和灌区经济的可持续发展，符合国家农业可持续发展政策要求。