北疆牧区灌溉渠道建设方案浅析

赵建国

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 项目概况

根据调整优化大农业结构的发展思路，建立优良饲草料地。本工程主要建设任务是改建、续建干渠、支渠48.6 km，项目区建设后，可改善0.39万hm2老灌区灌溉条件。通过0.13万hm2人工饲草料地建设和牧民定居，转变生产方式，通过封育、轮牧等措施，使天然草场得到有效恢复，草原生态环境得到有效改善。

2 渠道工程地质条件

灌区地形均较平坦，灌区整个地势为西高东低，南高北低，南部纵坡较大，北部地形平缓，灌区海拔高程在1700～1942 m之间，干渠处在Ⅰ～Ⅲ 阶地的倾斜平原上。干渠通过岩性表层为1.5～2.5 m厚 Q3冲洪积黄土状粉质壤土[1]，渠床处在粉质壤土层上，干密度12.4～15.6 g/cm3，预应力高强混凝土管桩孔隙比0.729～1.195，预应力高强混凝土管桩压缩系数为0.18～0.28 MPa-1，属于中压缩性，预应力高强混凝土管桩湿陷系数为0.008～0.012，属非湿陷性，预应力高强混凝土管桩内摩擦角26.5°～34.0°，预应力高强混凝土管桩黏聚力3.6～7.2 kPa，预应力高强混凝土管桩渗透系数2.25×10-5～2.51×10-4cm/s，属弱～中等透水性，预应力高强混凝土管桩渠床土易溶盐含量一般在76.6～95.5 mg/l之间，为非盐渍化土，无盐胀问题。土中SO42-含量在16～33 mg/kg，预应力高强混凝土管桩Cl-含量在5～6 mg/kg，预应力高强混凝土管桩Mg2+含量在4～5 mg/kg，pH值在7.2～7.3 。由以上指标综合评价，渠基土对混凝土无腐蚀性。

3 横断面衬砌型式比选

3.1 干渠横断面衬砌型式比选

3.1.1 横断面型式

根据《灌溉与排水工程设计标准》(GB 50288—2018)[2]表6.1.19及表6.1.22中的规定，本次可研横断面型式采用以下两种方案进行对比选择。

方案一：梯形断面弧形渠底；方案二：梯形断面。比选分析如下：

梯形断面施工简单，渠底泥沙较为分散，不会出现渠道底板集中磨损的情况，但当渠道流速较小时，在坡脚处易产生淤积，渠底抗冻胀效果一般。

弧底梯形断面施工难度较梯形断面大，对施工质量要求较高，渠底泥沙较为集中，会出现集中磨损渠底的现象，但渠底抗冻胀相对梯形断面平渠底好。

考虑渠道的实际运行情况，虽然渠道首端枢纽有引水沉砂设施，但该渠道会有少量的泥砂进入渠道内，泥砂仍然会对渠底造成磨损，降低渠道的使用寿命，平渠底抗冻胀效果虽然没有弧底好，但采取了砂砾石换填后，可以完全解决平渠底的抗冻胀问题。

综合考虑，弧底梯形渠道施工难度大，水流携带的泥沙会对渠底造成集中磨损，将大大降低渠道的使用寿命，因此，本次渠道横断面均采用梯形断面型式。梯形边坡系数均为内边坡1∶1.5，外边坡1∶1.5。

3.1.2 横断面衬砌型式方案比选

项目区常见的渠道衬砌型式有混凝土现浇板衬砌，预制混凝土板衬砌和细石混凝土砌卵石衬砌。一般情况下，当坡度较缓时，常采用混凝土现浇板或预制混凝土板，当坡度较陡时，常采用混凝土现浇板、细石混凝土砌卵石衬砌或混凝土现浇板和细石混凝土砌卵石复合断面。

项目区木扎特二分干渠部分渠段坡度较陡，为降低渠道流速，减少水流对渠道的冲刷，保障渠道运行安全，渠道横断面设计时，一方面采用宽浅断面，另一方面采用陡坡设置，减缓渠道流速，将流速控制在3 m/s以内。

工程区附近满足渠道衬砌的原材料只有混凝土骨料及卵石料，根据可选用渠道衬砌原材料，现对渠道的衬砌形式提出三种方案进行比较：方案一：现浇混凝土板梯形断面；方案二：预制混凝土板护坡+现浇混凝土底板梯形断面；方案三：全断面细石混凝土砌卵石梯形断面。

方案一：现浇混凝土板梯形断面。渠道纵坡较小，设计流量情况下渠内流速小于3 m/s，渠道底部和边坡采用10 cm厚C20F200W4现浇混凝土板护砌[3]，板下设置防冻砂砾石垫层40 cm厚。

方案二：预制混凝土板护坡+现浇混凝土底板梯形断面。渠道断面为梯形，采用底部C20现浇混凝土板+边坡C20预制混凝土板衬砌。边坡预制六边形混凝土板厚6 cm，砂砾石垫层40 cm，渠道底部现浇混凝土板厚10 cm，底板下铺设砂砾石垫层40 cm。

方案三：全断面细石混凝土砌卵石梯形断面。全断面采用30 cm 厚C20F200W4细石混凝土砌卵石护砌，板下设置防冻砂砾石垫层20 cm厚。

横断面方案比较：三个方案在技术上都是可行的。经技术、经济综合比较后，我们从建筑材料、施工条件、工期、冻胀效果等方面比较，各方案比较见表1。

表1 渠道横断面型式比选表

以上三个方案建筑材料均不存在约束条件，方案二施工工期最短，但抗冲性能较差，投资较高；方案一投资较省，抗冲性能较好，但施工工期较方案二长；方案三抗冲性能最好，陡坡数量最少，但施工工期最长且投资最高。灌区节水改造工程施工期一般选择在休灌期进行，本项目老渠线改造部分只能在休灌期进行施工，新选线部分渠道无灌溉任务，施工工期不受灌溉期影响。

3.2 支渠横断面衬砌型式方案比选

3.2.1 横断面型式

根据标准GB 50288—2018的规定，本次支渠横断面型式采用以下两种方案进行比选。

方案一：梯形断面，广泛用于大、中、小型渠道，优点是施工简单，边坡稳定，便于混凝土及细粒混凝土砌卵石衬砌。缺点是工程量较大，施工工期长。

方案二：U型断面具有水力条件好，流速快，输砂能力强，抗冻胀性能高，占地少等优点；缺点是施工复杂，需要专用模具，过流量小，常用于田间斗、农渠，不适合流量较大的支渠。

根据项目区已建工程资料，U型断面渠道在当地运行情况较好，且本次支渠渠道过流量均不大。因此本次设计推荐支渠采用U型断面。

3.2.2 断面衬砌型式方案比选

工程区附近满足渠道衬砌的原材料只有混凝土骨料，根据可选用渠道衬砌原材料，现对渠道的衬砌形式提出两种方案进行比较。

方案一：预制混凝土板衬砌。该方案渠道衬砌形式为： 6 cm厚预制混凝土板和40 cm砂砾石防冻层。采用预制混凝土板对渠道进行衬砌，渠道防渗、抗冲效果较好，耐久性较强，渠道糙率较小，施工简易方便，预制板可在料场提前预制，在不影响灌溉用水的情况下，工期容易安排。

根据水力学计算成果，各渠道纵坡较大，大部分渠段流速大于2.5 m/s，预制混凝土板的最大允许不冲流速2.5 m/s，若采用预制板衬砌，则必须将渠道纵坡放缓，并在渠道沿线设置若干跌水，此方案存在渠道断面尺寸大，渠道挖填量大及增加跌水建筑物等缺点。

方案二：现浇混凝土板衬砌。该方案渠道衬砌形式为：渠道全断面由表及里依次为8 cm厚现浇混凝土板和40 cm砂砾石防冻层。采用现浇混凝土板衬砌，各渠道流速均小于3 m/s，不超过现浇混凝土板的不冲流速，此方案不需设置跌水，渠道断面较小，土方量小。现浇板施工用水需购买拉运，在不影响灌溉用水的情况下，工期较紧。

各方案综合比较见表2。

表2 渠道衬砌方案综合比较表

根据各方案综合比较结果，结合工程区地质及水文条件，从衬砌形式抗冲性能、工程投资、施工、运行等方面综合比较，现浇混凝土板满足防渗防冲要求，并且投资较预制混凝土板方案省，故选择方案二，即现浇混凝土板方案。

4 结 语

本项目干渠横断面采用梯形断面型式，支渠断面采用U型断面型式。现浇混凝土板衬砌型式，具有工期短、糙率小、防渗抗冲、节约投资等优点，较干渠和支渠渠道衬砌型式均采用这种形式，并且在项目区渠道防渗衬砌中已成功实施。