克拉玛依引水工程西干渠维修改造工程研究

2021-08-18周从明

陕西水利 2021年7期

周从明

(新疆克拉玛依市水务有限责任公司，新疆克拉玛依 834000)

1 引言

引水工程在长期使用过程中会出现不同程度的损毁现象，将限制工程输水效益的发挥[1-4]。引水工程渠道工程距离长、地质条件复杂，极易出现破损现象。结合克拉玛依引水工程西干渠，分析渠道问题处理方法。

西干渠东起顶山分水闸，西至风城水库，全长217.184 km。主要由输水明渠和无压输水隧洞组成，其中明渠长207.164 km，无压隧洞长10.02 km。工程设计标准为国家大(2)型水利工程，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级。主要建筑物包括引水渠、隧洞、水闸和大型排洪建筑物，次要建筑物包括排洪、挡洪建筑物、公路桥等。西干渠于2000年8月1日试水，2001年5月1日正式通水运行。西干渠工程首段至末段设计流量为30 m3/s～61 m3/s，加大流量36 m3/s～73 m3/s，年输水量6.8×108m3/a。西干渠沿线向阿勒泰黄花沟灌区分水1.3×108m3/a，控制灌溉面积18万亩；向兵团184灌区分水1×108m3/a，控制灌溉面积14万亩；向塔城地区和丰县分水0.5×108m3/a，控制灌溉面积8万亩；每年向克拉玛依地区输送工业用水1.9×108m3/a、农业用水2.1×108m3/a，控制灌溉面积50万亩。

图1 西干渠遥感影像图

2 西干渠现状问题分析

2.1 部分渠道超高不满足加大流量输水要求

2013年5月，西干渠进行了两次分段加水试运行，以分析西干渠工程在高水位运行时存在的主要问题以及现状情况下西干渠分段最大过水能力。根据调试结果，渠道以下3段存在渠道超高不足的问题。

①西干渠桩号213+100～213+380(原设计桩号H118+615～H118+895)，5号闸往下放水36.3 m3/s～36.6 m3/s时，该段渠道安全超高0.3 m～0.6 m，不满足要求。

②西干渠桩号148+550～148+800，5号闸往下放水36.3 m3/s～36.6 m3/s时，该段渠道安全超高0.48 m～0.65 m。安全超高不足，同时渠壁变形比较严重、局部渠堤有明显塌陷。

③西干渠桩号151+400～151+500，5号闸往下放水36.3 m3/s～36.6 m3/s时，该段渠道安全超高0.53 m～0.75 m，安全超高不足。

2.2 部分地段渠道“三胀”问题严重

西干渠原渠道建设时土方开挖采用大会战形式，由于历史原因，原渠道设计没有对地基进行换填处理，有些渠基地层岩性以泥岩为主，含较多的膨胀土类矿物(如伊利石、蛋白石、蒙脱石等)遇水膨胀变软；有些渠基戈壁土粉粘粒(<0.075 mm)含量>10%，渠道冻胀破坏严重；还有少部分渠段堤基含盐量超过30%，溶解塌陷渗漏严重。渠道经过17年运行，基础泥岩反复膨胀和冻胀变形，造成砼板断裂、隆起、塌陷，降低了基础承载力和渠道衬砌结构的强度，增加渠道渗漏，使渠道运行过程中维修量增加，风险增大。

2.3 5#隧洞超高不满足要求

在西干渠运行时间不能延长或增加天数有限的情况下，要使整个西干渠达到原设计总输水量，必须将设计引水流量加大。而控制整个西干渠通过加大流量的关键是输水隧洞。根据供水公司提供的试运行测量资料，在设计流量46 m3/s条件下，5#隧洞入口超高0.6 m，出口超高1 m。在低流速无压隧洞中，若通气条件良好，在恒定流条件下，洞内水面线以上的空间不宜小于隧洞断面面积的15%，且高度不应小于400 mm。假设横断面无水面梯度，隧洞马蹄形断面超高不应小于0.93 m。现5#隧洞入口实际超高远小于设计规范要求值，不能长期安全运行。同时超高不足限制了渠道的输水能力，需要对5#隧洞进行改造。

3 维修改造工程设计

3.1 西干渠加高设计

根据西干渠3段渠道安全超高不满足加大流量输水要求的情况，需对此3段渠道进行加高设计，保证加大流量输水时渠道超高满足要求；根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288-99)关于4、5级渠道岸顶超高的规定，其超高计算值至少为0.8089 m、0.8674 m，而对于2级渠道岸顶超高应按土石坝设计要求经论证后确定。根据《碾压土石坝设计规范》(SL 274-2001)坝顶安全超高应为最大风浪在坝坡上的爬高与最大风壅水面高度和安全加高三者之和，2级建筑物的安全加高设计为1.0 m，校核为0.7 m，考虑西干渠加高后将经常以加大流量输水，因此渠道安全超高统一取1.0 m。

根据2013年5月西干渠两次分段加水试运行数据，主要加高渠道有以下几段：

①干渠桩号213+100～213+380(原设计桩号H118+615～H118+895)，该段渠道在加大流量时安全超高为0.3 m～0.6 m，需加高0.4 m～0.7 m；

②西干渠桩号148+550～148+800，该段渠道在加大流量时安全超高为0.48 m～0.65 m。需加高0.35～0.52 m；

③西干渠桩号151+400～151+500，该段渠道在加大流量时安全超高为0.53 m～0.75 m，需加高0.25 m～0.47 m。

渠道加高在不改变原渠道断面尺寸情况下进行，通过在渠边增加“L”型直挡墙形式加高，挡墙采用C25现浇混凝土结构，挡墙竖向高出0.25 m～0.7 m，厚200 mm，水平向长400 mm～600 mm，厚300 mm。挡墙背坡采用砂砾石土填筑压实。

3.2 西干渠5#隧洞渐变段维修

5#隧洞改造分为以下6部分内容。

(1)渠道反坡段：将平底梯形段改造成坡度为-0.0834的渠段，反坡段长5.0 m，底宽3.40 m，渠深4.60 m，底板厚0.30 m护坡为C20现浇混凝土，下部厚度0.30 m，上部厚度0.10 m，基础换填0.6 m厚砂砾料，设置两布一膜防渗，膜厚0.5 mm，布重250 g/m2。

(2)扭面段：扭面长度为50 m，由反坡段梯形渠道断面向矩形段矩形断面平顺过渡，纵坡0.008，扭面末端为重力式挡土墙结构，根据规范要求，每隔10 m设置结构缝。

(3)矩形渠段：矩形段是向城门洞段过渡的结构，结构形式，为C25钢筋混凝土结构，底宽4.30 m，渠深4.60 m，底板厚0.60 m，边墙厚0.60 m～0.40 m，抗冻抗渗指标为F200W6，渠道纵坡0.0153，为增加矩形渠稳定，在渠道上部设置连系梁，梁间距2.50 m，连系梁尺寸450 mm×350 mm(高×宽)，两段矩形渠中间设置橡胶止水带，结构缝用2 cm高压闭孔板填缝，上部用聚氨酯密封胶，深度5 cm。

(4)导流墙：根据实验研究报告结果，在矩形段两侧设置导流墙，与渠深同高，宽度3.0 m，厚度0.25 m，采用预留插筋做法，插筋φ14@200布置。

(5)5#隧洞出口消力池处理：根据实验研究报告结果，将5#隧洞出口消力池用C30混凝土回填。

(6)监控设施布置：为提高工程运行安全，在5#隧洞处设置监控系统。在隧洞出口地势较高处配置一台激光夜视仪及一套广播喊话系统；利用伴渠光缆传输图像和音频信息，在黄旗坝监控中心显示图像及远程喊话。

3.3 渠段“三胀”问题治理

根据西干渠沿线地质资料，沿线部分地段渠道坐落在膨胀土上，膨胀土是一种含一定数量亲水矿物质(蒙脱石、伊利石、高岭石或混层结构)且随着环境的干湿循环变化而具有显著的干燥收缩、吸水膨胀和强度衰减的粘性土，有的裂隙很发育，且液限和塑性指数较大，压缩性偏低，在天然含水量状态下较坚硬。膨胀土遇水膨胀、失水收缩的变形特性及其边坡浸水后强度衰减的特性对渠道及底板极大的破坏作用，并且构成的破坏是不易修复的。

由于历史原因，原渠道设计没有对地基进行换填处理，渠基地层岩性以红色泥岩为主，遇水膨胀变软，导致渠道严重变形。渠道经过17年运行，基础泥岩反复膨胀和冻胀变形，造成砼板断裂、隆起、塌陷，降低了基础承载力和渠道衬砌结构的强度，增加渠道渗漏，使渠道运行过程中维修量增加，风险增大。由于西干渠主要承担向克拉玛依和渠道沿线兵团和地方输水的任务，是克拉玛依工业和生活用水的生命线，保障西干渠安全正常运行非常重要，一旦运行期间出现问题，较长时间的停水维修会严重影响克拉玛依及西干渠沿线地区的生活和工农业生产，甚至影响社会稳定。

因此必须尽快对存在安全隐患的渠道进行维修改造。对于膨胀土地段渠道治理一般均采用换填法、封闭包围法、土工织物加筋法、夹层法、抗滑桩法等。针对西干渠情况，结合以往经验，本次膨胀土治理拟采用戈壁土换填加渠底排水的结构形式。根据统计，目前西干渠坐落在膨胀土地段渠道且冻胀塌陷严重的共有9段，设计对该部分渠道进行大修，根据膨胀土深度及溶陷性不同，渠道基础换填800 mm～1500 mm厚戈壁土垫层，同时为增强渠道抗冻胀性能，渠底采用135条石铺砌成弧形，并在渠底设排水体。渠壁采用C20F200预制混凝土块衬砌，预制块厚度不低于70 mm。渠道每10 m设一道伸缩缝，缝宽2.5 cm～3.0 cm，伸缩缝采用环保型聚氨酯填缝，渠顶压板采用60 mm厚C20混凝土板，宽度600 mm，具体桩号长度见表1。