新时代坎儿井设计理念在渠首改建工程中的应用与研究

2024-02-27俞晓燕

陕西水利 2024年2期

俞晓燕

（塔城地区水务集团有限公司,新疆塔城 834700）

1 工程概况

阿合奇县阿勒克木渠首改造工程位于新疆阿合奇县阿克窝铁克苏河上,距阿合奇县城24 km。阿克窝铁克苏河年径流量为0.144×108m3,原有渠首引水工程年久失修,泥沙淤积严重,引水量逐年下降,已不能满足项目区生产需要,需对渠首进行改建。

本次渠首改建工程设计引水流量为0.65 m3/s。工程规模为小（2）型,工程等别为Ⅳ等。根据SL 252-2017 的规定,设计洪水标准为10 年一遇,洪峰流量为125 m3/s,校核洪水标准为30 年一遇,洪峰流量为203 m3/s。工程建设内容包括改建引水渠首一座,新建输水管线1.10 km 等。本工程建成后引水效果较好,解决了现状渠首引水不足、管理不便等难题。工程将实用新型专利：建筑在中小河流山区河段的坎儿井式地下水库（ZL 202011094617.6）[1]应用到具体工程上,在推广新技术的同时,可为类似工程建设提供成功经验。

2 工程设计理念

2.1 工程地质

阿克窝铁克苏河渠首河段现代河床宽80 m～120 m,两岸发育完整,岸坎陡立,高出河床20 m～100 m,河道纵坡30/1000 左右,现代河床地层为二元结构,第一层为Q4砂砾石,厚8 m～10 m,渗透系数98 m/d,第二层为泥质胶结的Q3,弱透水,两岸亦为泥质胶结的Q3地层。

2.2 设计原则与方法

本次总结现有底栏栅渠首存在的问题和经验教训,设计采用如下原则和方法：

（1）考虑到本河道强透水层Q4地层较薄,为了增加“引渗”量,工程的总体布局中采用地下拦河坝,它的工程任务有二处,其一为截断地下潜流[2],其二是改变河道特性,增加河道水流宽度,以增强该河段地表水转化为地下水的能力。

（2）本工程方案借鉴辐射井取水的优点,采用在廊道中设置辐射集水方案。

3 工程总布置

改建引水渠首位于现有渠首上游1100 m 处,由上游集水廊道段、新建渠首组成。通过新建渠首截渗墙截断地下潜流,辐射管集水汇流至集水廊道中,再通过1100 m 直径为φ600 mm 预应力钢筋砼输水管线将廊道中的水引至现有渠首工程蓄水池中,通过集水池向下游供水。

集水廊道段长500 m,向上游平行于河道布置,集水廊道底位于现状河床面以下9 m,在集水廊道两侧设置辐射管引取潜水及地表水[3]。新建渠首由上游格宾石笼护底、截渗墙及其顶部防冲盖板、下游格宾石笼护坦段组成。

4 渠首方案设计

4.1 渠首引水量研究

（1）无地表径流时的流量研究

阿克窝铁克苏河是一条季节性河流,枯水期河道无地表径流,河水以潜流的形式在河道Q4地层中运移,按水文地质成果分析,由于原渠首的建设,阻断了地下潜流,地下潜流便在渠首上游以泉水的形式溢出地面,根据观测,枯水期泉水溢出流量0.25 m3/s～0.3 m3/s,显然,两道地下坝建设后,无地表径流时的流量时,集水廊道的引水量与泉水溢出流量相一致,并且引水流量主要由第二道地下潜坝的集水廊道引出,即总引水流量为0.25 m3/s～0.3 m3/s。

（2）有地表径流时的流量研究

1）老渠首取水量分析

当有地表径流时,河道地表水将自动向河底的Q4砂砾石地层补给,直到砂砾石层处于饱和,老渠首与改建渠首之间的河道地表所入渗的水量即为老渠首所截取的水量。根据类似地质条件已建工程观测的河道垂直渗透系数为1 m/d～2 m/d,此河道垂直入渗渗透系数取为1.5 m/d。本河道Q4砂砾石地层较薄,但考虑可能存在河道纵向的有砾石架空结构体,并且工程设计时布置有人工砾石架空结构体,因此,河道纵向地下水潜流的通水能力仍取为0.3 m3/s。改建渠首的存在将使河道变为平底浅宽式河床,河床宽80 m～110 m,水面宽亦将大为增加,老渠首与改建渠首之间约为1100 m,设地表水流经此段河道时的平均宽度为30 m,渗管长度为200 m,则地表水垂直入渗量为1.5×200×30=27000 m3/d=0.1 m3/s。也就是说当河道地表水面宽大于30 m 时,本工程的老渠首取水量即可达到0.35 m3/s～0.4 m3/s。

2）改建渠首集水廊道的取水量分析

本工程改建渠首集水廊道取水量由两部分组成,其一是截取原河道的潜流,其流量为0.25 m3/s～0.3 m3/s。其二为地下潜坝上游地表水通过垂直渗透所转化的地下水,本工程的辐射管设计水平长度为30 m,所形成的开采漏斗约为1.5×30=45 m,由于集水廊道长500 m,垂直入渗量为1.5×45×500= 33750 m3/d=0.39 m3/s。因此,第二条道集水廊道流量为0.3 m3/s～0.69 m3/s。

由上述分析可知,工程取水流量为0.55 m3/s～0.99 m3/s,可基本满足需水要求。本工程建成后已经连续运行4 年,实际引水量达到设计引水流量0.65 m3/s,且引水量稳定充沛。

4.2 渠首过洪能力计算

新建渠首泄洪过流能力采用实用堰计算。

（1）实用堰自由泄流公式计算：

式中：m为流量系数,堰取0.37；h为堰上水头,m；b为进口处过流堰宽,m；Q1为设计泄洪流量,m3/s。

渠首过设计洪水时,堰过流125 m3/s,设计水深0.79 m。渠首过校核洪水时,堰过流203 m3/s,校核水深1.09 m。

（2）防冲段末端防冲墙深度计算

防冲段末端水流产生的冲刷值dm计算如下：

式中：dm为防冲段末端河床冲刷深度,m；qm为防冲段末端单宽流量,1.85 m2/s；［v0］为河床中砂允许不冲流速,0.57 m/s；hm为防冲段末端河床水深,0.5 m。

经计算防冲段末端水流产生的冲刷值dm=2.44 m。

设计冲刷坑深度为2.5 m,为防止河道冲刷,在顺水流方向河道铺设宽110 m,长15 m,厚0.5 m 的格宾石笼。

4.3 渠首结构设计

改建引水渠首由上游集水廊道段、新建渠首组成,新建渠首由上游格宾石笼护底、截渗墙及其顶部防冲盖板、下游格宾石笼护坦组成,见图1。

图1 改建引水渠首剖面示意图

（1）集水廊道

集水廊道段全长500 m,向上游平行于河道修建集水廊道,廊道布置在河道中央,廊道纵坡与天然河道纵坡一致为3.6%,集水廊道在原始河床面以下9 m 的弱透水层上,集水廊道开挖断面形式为倒梯形,底宽4.8 m,边坡为1∶1.5,集水廊道为矩形整体现浇C25F200W6 钢筋砼结构,底宽3.0 m,墙高2.5 m,衬砌厚度为0.4m,在廊道下设置0.3 m 砂砾料垫层。廊道伸缩缝内设止水,止水采用651 止水带。

顺水流方向在廊道两侧侧预留辐射管孔,辐射孔距池底1 m,间距10 m,辐射管单根长15 m 内径为φ159。暗渠位于廊道两侧开挖断面,回填2 层滤料组成,其中最下层为厚2 m中石滤料层（粒径20 mm

竖井底板纵向长度5 m,宽度3 m,高度12 m,竖井底板衬砌厚度0.8 m,边墙衬砌厚度0.6 m,横断面型式为箱型结构,砼采用C25F200W6 衬砌。竖井与上下游连接分缝处设651橡胶止水带,并在迎水面设2 cm 厚的聚氨酯,且用平板橡胶填缝。

（2）新建渠首

新建渠首截渗墙段上游铺设宽110 m,长15 m,厚0.5 m的格宾石笼护底。截渗墙段上部防冲盖板长4.6 m,堰宽110 m,底板厚0.5 m,盖板板上游侧设置底宽0.5 m,深1.0m 的齿墙,盖板下游侧设置底宽0.5 m,深3.0 m 的斜坡齿墙。边墙为C20F200 砼现浇重力式挡土墙,墙高3.5 m,顶宽0.5 m,底宽2.05 m。下部截渗墙深入弱透水层下1 m,宽0.5 m,长115 m,最大深10 m,采用C20F200W4 钢筋砼浇筑。顺水流方向防冲盖板末端顶部铺设宽110 m,长15 m,厚0.5 m 的格宾石笼。

5 输水管道设计

5.1 管线选择

本工程管道选线时要考虑投资最省、运行管理方便及满足下游管道输水运行稳定等因素,管线基本平行河床布置。根据现场情况,现状渠首下游蓄水池也位于河道左岸,为避免管线多次穿越河床,综合比选后将管道轴线布置在河道左岸。

5.2 管径计算

根据现状条件符合,输水管道全部为压力管道,各管段的管径和水力计算按以下公式计算：

式中：D为管段管径,m；Q为管段流量,m3/s；V为管内流速,m3/s；其中管内流速的确定以经济流速作为参考,为了防止在管网中产生水锤所引起的破坏作用,而限制了流速的极限值,限制最高流速在2.5 m/s～3 m/s 之内；同时为了避免在管内沉积杂质,最小流速不得小于0.5 m/s。经计算内径600 mm 的预应力钢筋混凝土管满足输水要求。

5.3 管道水力计算结论

计算时无地表径流时的流量采用无压管道计算,有地表径流时的流量采用有压管道计算；输水管道全长1100 m,采用直径为φ600 mm 预应力钢筋混凝土管,壁厚43 mm,单节有效管长5 m,砼强度不小于C40。

5.4 输水管道纵横断面设计

输水管道桩号0+000～0+150 管道开挖深度由9m 渐变为3.5 m,纵坡为0.1%,底宽1.5 m,开挖边坡为1∶1.5。当开挖深度大于5 m,设置一条宽3 m～5 m 的施工马道。桩号0+150～1+100 埋在河道冲刷深度以下,埋深为3.5 m,纵坡与天然河道一致4.2%,管道横断面均为梯形,底宽1.5 m,开挖边坡为1∶1.5。管道挖深3.5 m～9 m。管道底部回填20 cm 厚细沙垫层,细土粒径小于20 mm,管材周围以上40 cm 采用细沙回填,细土粒径小于20 mm。细沙以上采用开挖料就近回填。管材采用预应力钢筋混凝土管,在管道转弯处放置镇墩。

5.5 管线建筑物

工程管线建筑物主要有：闸阀井1 座,在渠首管道末端1+100 设置1 座节制分水阀井,分水管道接入现有工程人饮管道,由DN600 变径为DN300。检查井结构为混凝土结构,断面型式为矩形,长5.6 m,宽4.5 m,高4.0 m,井壁采用0.3 m厚C25 混凝土浇筑,底板为0.4 m 厚C25 混凝土浇筑。井内安装600 mm 铸钢蝶阀。