三屯河灌区西干渠跨河倒虹吸及渡槽比选方案分析

2021-01-16滕毅

水利科学与寒区工程 2021年4期

滕毅

(乌鲁木齐市水利勘测设计院(有限责任公司)，新疆乌鲁木齐 830001)

1 工程概况

三屯河灌区经过40年的水利建设，现已建成三屯河水库、东西两大引水枢纽为主体的灌区配套工程，灌溉面积4.8万hm2。三屯河水库位于昌吉市以南32.0 km，是一座以灌溉为主，结合防洪的中型水库,兴利库容2600万m3，防洪库容3500万m3。20世纪70年代，三屯河灌区中下游还修建有平原水库数座，总库容1480万m3，均为土坝。现除芨芨庙水库仍发挥效益外，其余平原水库长年干枯或已废弃。芨芨庙水库库容600万m3，均质土坝，坝长3.5 km，坝高4 m，灌溉面积0.3万hm2。西干渠首位于三屯河水库下游22.0 km河道上，1962年竣工,已于2005年完成改建。东干渠首位于三屯河西干渠下游5.0 km，1965年动工修建，1966年开始运行。西干渠建于1961—1962年，位于三屯河西岸，全长达20.8 km。东干渠建于1965—1966年，位于三屯河东岸，全长15.5 km。盘山渠位于西干渠首以上5.0 km，依三屯河西岸山坡盘山而建，全长9.3 km。三屯河灌区干渠、支渠防渗共计189.9 km，其中干渠防渗36.3 km，防渗率为79.6%，支渠防渗153.4 km，防渗率为78.4%。干渠、支渠的桥、闸、涵、渡槽共计300座。

2 跨渠方案比选分析

根据两个方案工程布置形式，方案一采用倒虹吸方案，方案二采用渡槽方案，以下从工程布置、防冲防渗性能、河道过洪能力、泥沙淤积问题、运行管理、工程施工、建筑材料和工程投资等方面进行综合比较[1-2]。

2.1 工程布置

从工程布置上来讲以上两种方案都可以实现且无技术难点，方案一采用倒虹吸的形式需将老建筑物拆除重建，方案二采用渡槽的形式是在原建筑物上游20 m处重新选线新建，两个方案在工程现场的布置上均是可行的，工程现场场地开阔对两个方案的建筑物布置均无不利影响，对施工总布置也无不利影响[3-5]。

2.2 抗冲、防渗性能

方案一倒虹吸管采用PCCP管，管内计算流速为3.25～3.93 m/s在所选管材的抗冲流速范围内，因此PCCP管在本工程的应用中抗冲防腐性能较好，PCCP管采用承插式接口防渗性能较差，且由于工程建成后管道将一直处于深埋状态，因此管道一旦产生渗漏问题检修维护将十分困难[6]。

方案二渡槽方案的槽内流速为4.66～4.96 m/s 均处在混凝土的抗冲流速范围内，因此渡槽的抗冲性能较好，渡槽接缝止水采用橡胶止水施工工艺成熟、质量可靠，防渗性能较好，且由于渡槽为露天建筑物，因此检修维护十分便利。

2.3 河道过洪能力

在输水工程与河流相交时必须考虑所建建筑物对河道洪水宣泄所产生的影响，方案一倒虹吸方案由于倒虹吸管从河道底部通过因此不影响河道正常过洪要求。方案二渡槽方案由于原跨河涵洞进出口的高程较低，如按此高程修建渡槽则槽身距河道最低点高程仅为1.8 m左右，严重影响了河道的泄洪，因此需将原河床下挖2.0 m左右已保证该处泄洪要求，而下挖河床势必对原河道的河势进行大的调整和改动，这是跨河建筑物建设中需尽量避免的不利因素；鉴于以上问题，结合西干渠纵坡较陡的特点(跨河涵洞上游渠道纵坡1/85)本次渡槽设计在渠道上游约300 m处重新选线新建渡槽上游渠道，新建渠道位于原渠道右岸约20 m处，新建渠道纵坡为12/1000至渡槽处渠底高程将比原建筑物进口高程高2.0 m，将渡槽升高后仅需对渡槽底部部分河床进行平整即可，无须改变原河道河势，因此渡槽底部过洪通道高度为3.5 m，跨河渡槽处河道设计洪水标准为30年一遇，洪峰流量为478.1 m3/s，校核洪水标准为100年一遇，洪峰流量为728.2 m3/s，完全满足三屯河100年一遇洪水的过洪要求。目前河道在原跨河涵洞处下切严重，主要原因是下游新建数十处采沙场将河沙开挖后用于商品混凝土骨料，由于沙场的不断开挖致使下游河床越来越低，导致上游河道下切严重，目前原跨河涵洞底部已完全被河水淘出严重影响了建筑物的安全运行，针对以上情况本次两个方案的设计中都考虑了跨河建筑物在河道下游防冲的问题，但由于在河道内采砂带来的弊端较多因此很多河道均以采取措施禁采(如头屯河已禁采)，因此如果三屯河也采取措施禁采则该处河道在禁采多年后下游逐渐抬升有可能造成上游开始淤积，因此渡槽方案底部的过洪通道可能会逐渐减小而影响河道过洪[7]。

2.4 泥沙淤积问题

由于三屯河泥沙含量较大，尤其在洪水期悬移质泥沙甚至推移质泥沙均可进入西干渠，原跨河涵洞以上渠道纵坡较陡(平均约为1/100纵坡)，泥沙基本不在渠道内淤积，因此在通过原跨河涵洞时由于倒虹吸水头损失较大，且原跨河涵洞进出口均无控制闸无法控制倒虹吸内流速，造成泥沙在倒虹吸内大量淤积，目前原三孔倒虹吸管已有一孔彻底淤死无法工作，综上分析本次跨河输水建筑物的建设需重点考虑泥沙淤积问题[8]。

方案一倒虹吸方案设计原理与原跨河涵洞相同，因此也存在水头损失大，管内流速低泥沙容易淤积的问题，因此针对以上问题在方案一的设计中重点突出了防止泥沙淤积的工程措施主要有以下三点：

(1)在倒虹吸进口上游设置沉沙池，沉沙池采用直线型机械清沙式沉沙池，在洪水期可以保证推移质不进入倒虹吸管，但由于三屯河泥沙含量大，因此沉沙池的运行周期较短，洪水期清沙次数较多、费用较高，运行管理难度较大。

(2)在倒虹吸进出口均设置控制闸门，根据来流量的大小通过闸门调节来对三条管道进行调度运行，枯水期减小运行管道的数量，并尽量采用小管径的管道输水，这样可以最大限度地保证管内流速不低于泥沙的启动流速，以减少管道淤积的风险，但这样的同时将增加运行管理的难度，需同时调度进出口闸门对运行管理人员的素质要求较高，且需实施监控渠首的引水流量并迅速调整运行方式

(3)本次方案一仍采用三根管的设计方案，但对管道直径进行了调整，采用两根1.8 m直径的大管和一根1.4 m直径的小管，这样可以根据进出口至闸门流量的大小选用合适的管道过水以保证管内有较大的流速来预防泥沙淤积。如果通过以上工程措施倒虹吸管内仍产生淤积则清淤将非常困难。

方案二渡槽方案采用3.7 m净宽的开敞式矩形渡槽，渡槽纵坡1/150，槽内流速较大泥沙不易淤积，且渡槽底部平坦，宽度较大，一旦槽内淤积可采用机械清沙方式，方便快捷。

2.5 运行管理

方案一的运行管理主要由3部分组成：

(1)沉沙池的运行管理，包括沉沙池进口闸门的调度运行和机械清沙的组织运行。

(2)倒虹吸进出口闸门的调度运行，该运行需配合引水渠首的引水量进行综合调度。

(3)管道淤积后的清理问题。

方案二的运行管理非常简单包括两部分：

(1)渡槽的运行维护。

(2)槽身内淤积泥沙的清理问题。

通过以上对比分析，渡槽方案的运行管理比倒虹吸方案将大为简化，对运行管理的要求和人员素质均较低。

2.6 工程施工

方案一倒虹吸方案的设计是老建筑物拆除重建，因此为避免施工期于灌溉期的矛盾需在上游修建导流渠以保证下游1.87万hm2农田的灌溉需求，同时由于倒虹吸管道采用PCCP管因此施工周期较短，施工难度较小，无冬季施工问题，质量较易控制。

方案二渡槽方案是在老建筑物上游约20 m处重新选线新建建筑物，老建筑物不拆除作为施工导流建筑物使用，因此本方案不存在施工导流的问题，但由于本方案渡槽基础采用灌注桩基础，因此施工周期相对较长，施工复杂难度较大，由于不存在施工期与灌水期的矛盾因此施工时间的选择较灵活，不存在冬季施工的问题，施工质量较易控制。