新疆塔城锡伯图中型灌区干渠改造设计分析

马小甜

(塔城地区水利水电勘察设计院，新疆 塔城 834700)

灌区现有水利工程大部分始建于20世纪70～80年代，在2008年～2012年进行过两次局部段维修改造，骨干工程经数十年运行，干支渠沿线均有不同程度的老化、破损，严重影响到渠道正常运行且现状有局部渠道为土渠无法满足现代化灌溉要求[1-2]。

锡伯图灌区主干渠水源为锡伯图河，现状从锡伯图渠首进行引水。主干渠全长23.15 km，设计引水流量为12 m3/s，采用渠底弧形、边板为梯形的复合断面，衬砌材料渠底主要采用浆砌石，边板主要采用砼板，平均纵坡0.0103～0.0250。由于水源泥沙较大且纵坡较陡，在渠道桩号0+000～3+685、8+649～21+722两段渠道底板的冲刷破坏非常严重，渠道桩号21+722～22+655段由于不均匀沉降，发生淤积现象，影响渠道正常运行，干渠作为灌区的龙头，直接影响下游灌区灌溉保证率同时也影响下游渠道的运行安全。

1 灌区基本概况

锡伯图灌区地处塔城市东北部。该灌区始建于1966年，灌溉面积目前已发展为28.85万亩(其中高效节水灌溉面积20.85万亩)，是塔城市重要的粮食生产基地。

锡伯图灌区的水源主要来自于发源于塔尔巴哈台山东段南坡的锡伯图河，由《塔城市锡伯图河水文分析计算报告》可知锡伯图河集水面积180 km2，河长29.2 km，多年平均径流量6621×104m3；水源补给主要为降水、融雪和泉水；区内汛期短暂，径流量相对集中在4月～6月，占到年径流量的58%，枯季径流时间持续较长，径流量小。

根据卡琅古尔水文站的资料分析，多年平均气温3.6℃，极端最低气温-40.5℃(1974年)，极端最高气温35.0℃(1974年)，气温年较差和日较差都较大。多年平均降水量为472.7 mm，多年平均最大风速17 m/s，瞬时最大风速40 m/s，多年平均水面蒸发量为1685.7 mm，实测最大冻土深1.46 m。

2 干渠条件分析

(1)渠道冻胀问题

根据颗分资料，渠道沿线分布的卵石混合土粒径小于0.075 mm的颗粒含量小于10%，属非冻胀土，且该土层渗透性好，地下水位低于设计渠底高程，无冻胀问题；渠道沿线分布的粉土粒径小于0.075 mm的颗粒含量大于10%，属冻胀土，设计须考虑抗冻胀问题[3]。

(2)渠道渗漏问题

渠道沿线分布的卵石混合土层，其渗透系数为2.3×10-2cm/s，属强渗透性土层，存在渠水渗漏问题，因此，渠道应全断面防渗[4]。

(3)渠道抗冲问题

渠道沿线出露地层岩性主要为卵石混合土、粉土，其抗冲蚀能力均较差，渠道须进行抗冲处理。

根据对灌区干渠、支渠工程的现状评价，本次对评价为c类、d类的渠道进行改造。渠道改造总长度47.31 km(不包括渠道管道化部分)，其中改造干渠17.69 km，改造支渠8条，共29.63 km。改造内容见表1。

其二，地震法。在应用地震法的过程中，具体在勘查地质状况的过程中应用地震波，深入分析地震波所呈现出的形式，对矿产资源的分布状况进行深入的了解，结合地震波所表达的信息数据，来研究各层次的土壤，结合信息图像来研究矿产的含量，这样才能充分了解这一矿区的实际状况。结合地质结构的设计状况来进行矿产勘查，有着极高的精准性，因此，该方法在目前的矿产勘查工作者有着极为广泛的应用。

表1 干支渠改造统计表

3 干渠设计

本次干渠选线考虑新建复线和沿用老渠线两种方案。

新建复线渠线施工位于空旷地段，条件比较好，大大降低了施工难度，施工直接开挖或回填至设计断面，工艺简单，但开挖方量大，且后期涉及诸如占地等多方面问题，施工成本高。同时，灌区渠床目前已处于相对稳定状态，若较大幅度调整纵坡，将会破坏渠床的稳定性，对周边环境的安全造成危害。而采用老渠线时渠道施工需先清淤，对原渠底表面即将脱落的砼要凿除，在将渠底冲洗干净后，直接在渠底上加砌细粒砼砌卵石，施工方量小，投资低。

综上所述，本工程宜采用老渠线方案。

(1)0+000～3+685设计方案比选

现状干渠桩号0+000～3+685段，纵坡较陡，最大纵坡为0.035，底板冲刷严重，本次设计选定三种方案进行比选。

方案一：在现状基础上，利用现有边板，渠底直接加砌0.3 m厚左右的C25F200W6细粒砼砌卵石进行防冲处理，建筑工程投资350万元。

方案二：在现状基础上，利用现有边板，底部在原底板基础上，设0.2 m厚砼，在砼上插石进行防冲处理。插石长度约0.2 cm，插入砼2/3，外漏1/3，建筑工程投资650万元。

方案三：3.68 km渠道，总落差72 m，拆除现状渠道，总共需设置跌水18座，每级跌水跌差4 m，消力池宽4 m，池长15 m，池深0.6 m。建筑工程投资1000万元。

方案二施工工艺较为复杂，需人工捡集符合尺寸的插石，捡集完成后，先浇筑砼，再人工交叉布置插石，对施工技术人员要求较高，施工质量不易控制。

方案三跌水方案，大挖大填，占地面积较大，现状锡伯图干渠0+000～3+685右岸即为与哈萨克斯坦第三道边界线，且右岸为傍山段，施工范围受限，跌水施工对原渠线的纵坡改变较大，因此会造成沿线渠线的高程衔接困难，跌水施工较为困难[5]。

综合考虑，干渠桩号0+000～3+685段，采用方案一进行防冲处理。

(2)渠道流量确定

干渠控制灌溉面积18.73万亩(其中锡伯图灌区17.73万亩，兵团166团灌区1万亩)，对现状渠道和渠系建筑物破损较严重部位进行维修和改造。

设计流量Q设灌=18.73×0.32/0.72=8.32 m3/s，加大流量Q加=1.25，Q设=1.25×8.32=10.4 m3/s。(其中：干渠桩号2+247处(地方与兵团分水节点，兵团分水量为0.44 m3/s)本次设计干渠18.28 km(桩号0+000～3+685和8+649～22+655段——干渠桩号0+000～3+685设计流量为8.32 m3/s，桩号8+649～22+655段设计流量为2.49 m3/s～0.28 m3/s。

(3)渠道断面形式确定

由于本项目区渠道破坏主要在于底部冲刷严重，上部边板基本完好，本设计借鉴本市其他灌区的实践经验[6]，干渠桩号0+000～3+685、8+649～21+722选用在渠底直接加砌C25F200W6细粒砼砌卵石的方案解决流速问题，使流速控制在4.63 m/s以内。干渠桩号21+722～22+655选用底部砌C25F200W6细粒砼砌卵石，上部接梯形砼板渠复合断面衬砌型式使流速控制在1.15 m/s以内。

干渠桩号0+000～3+684.63段,流速为2.96 m/s～4.29 m/s，为了渠道运行安全，每50 m设一道隔墙，隔墙深度为1.0 m，隔墙宽度为50 cm。共设计隔墙74个。渠道旁设伴渠路，渠堤需考虑通车要求，故取为5 m，外边坡1∶2。

(4)渠道横断面设计

本工程干渠桩号0+000～3+685、8+649～21+722段采用渠底加砌细粒砼砌卵石衬砌设计，边坡与原渠道相同。根据《渠道防渗工程技术规范》(SL 18-2004)的相关规定，工程中细粒砼砌卵石渠底糙率和现浇砼边坡糙率分别取0.024和0.016，渠道糙率采用综合糙率，计算公式[7]：

nr=(n1×χ1+n2×χ2)/(χ1+χ2)。

根据《渠道防渗工程技术规范》(SL 18-2004)，干渠桩号0+000～3+685、8+649～21+722以渠底采用加砌细粒砼砌卵石防渗；干渠桩号21+722～22+655以细粒砼砌卵石作为底部防渗材料，边板采用砼衬砌的复合断面形式[8]。

(5)抗冻张设计

因干渠道同处锡伯图灌区内，抗冻胀设计以干渠原设计断面为例进行详细说明计算。

本项目区属于中温带气候，最大冻土深度1.5 m，干渠部分的渠段地基土为低液限粉土，按重量比，粒径d<0.075 mm的土粒占总土重的65.1%～67%，具有冻胀性，且考虑春季融雪水下渗等因素，需对渠道衬砌结构进行抗冻胀设计[9]：

Zd=ψdψwZm

ψd=α+(1-α)ψi

式中：ψd为日照及遮阴程度影响系数；ψw为地下水影响系数；Zm为历年来最大冻土深度，为1.5 m；ψi为典型断面某部位I的日照及遮阴程度修正系数，本工程取ψi=1.05；α为系数，查表3.1.4取0.51～0.52；β为土类系数，按表3.1.5取0.79。Zw0为邻近气象台站地下水位深度，取3.0 m；Zwi为相应计算点地下水位深度，m。

表3 节水灌溉工程设计成果表

本工程设计冻深见表2(按渠道走向)。

表2 项目区渠道设计冻深计算表

4 结语

渠道防渗工程的实施，可减少渠系渗漏从而减少地下水补给量，对降低地下水位、减轻区域土壤次生盐渍化、改良灌区土壤会产生积极作用。

本项目建成后，随着足水灌溉面积的增加，渠道防渗工程的建设将大大减少渠道渗漏，提高灌溉水利用系数，促进灌区水资源的有效利用，对项目区社会经济产生一定的有利影响，应严格结合实际情况进行工程设计，并通过优化工艺、严格管理等手段提高工程建设质量。