芳草湖西干渠支渠防渗改建工程渠道设计

简著祝

(五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司，新疆 五家渠 831300)

1 灌区概况

芳草湖灌区位于新疆自治区昌吉州呼图壁河下游，灌区包括芳草湖农场、106团和111团，隶属新疆生产建设兵团第六师。该灌区总面积179.52万亩，现有耕地72.63万亩，有效灌溉面积52.37万亩。芳草湖灌区骨干水利工程建成于20世纪60年代，由于受制于当时施工技术和资金条件，致使工程设计标准偏低，渠道工程老化、损坏日趋严重，大大影响灌区生产能力。

农业是芳草湖灌区的经济命脉，水是农业发展的主要影响因素，因此充分利用水资源、提高水利用率是芳草湖灌区农业发展的关键。相关部门在2016年9月针对灌区实际情况进行考察汇总，设计对灌区干渠支渠进行防渗改建，具体规模见表1。本项目设计改建骨干工程为2条支渠，可有效控制7.64万亩的耕地灌溉，占农场总灌溉面积的17%。

表1 芳草湖西干渠支渠防渗改建工程内容及规模

2 灌区骨干工程存在的主要问题

(1)原规划投资估算偏小

相关部门在2000年对芳草湖灌区规划中，185km支渠(流量>1m3/s)估算投资仅为5087.5万元，单公里支渠投资估算为27.5万元。近年来，随着物价及人工费上涨，改建支渠(流量>1m3/s)单公里投资可达60～70万元，故原规划投资现已不能满足规划工程建设。

(2)骨干工程破损严重

芳草湖农场支渠多于20世纪90年代进行防渗建设。由于当时资金匮乏，加之对冻胀问题认识不足，致使大部分骨干渠系工程出现预制混凝土板鼓起、边坡混凝土板整体滑坡等病害。较严重的东干渠西二支渠、西干渠西十一支渠等破损率已达到60%～70%，从而造成该部分渠道渗漏损失加大，严重影响输水能力。

(3)管理设施不完善

由于灌区长期存在“重建设，轻管理”的工程建设模式，致使现有大部分骨干工程两侧无伴渠道路，从而造成灌区工程管理难度很大。

3 渠道各参数方案设计

3.1 渠道纵坡设计分析

(1)设计原则

渠道纵坡拟定主要考虑以下几个因素：①根据沿线地形、地质条件，设计流量等，保证设计输水能力、边坡稳定和水流安全通畅[1]；②渠道起点高程与上级渠道分水闸闸底高程保持一致；③保证干渠与支渠、支渠各斗渠之间上、下游水面平顺衔接；④占地较少，工程量较小，施工、运用和管理方便；⑤各渠道分水口高程H要满足灌溉要求，具体计算见下式[2]。

H=A0+Δh+∑Li+∑ψ

(1)

式中，A0—渠道灌溉范围内控制点的地面高程，m；△h—控制点地面与附近末级固定渠道设计水位高差，一般取0.1～0.2m[3]；L—各段渠道的长度，m；Ψ—水流通过渠系建筑物的水头损失，m。

(2)纵坡设计

本项目拟建的2条支渠中，西干渠西十一支现水面线衔接平顺，斗口引水顺畅，无需改动；西九支因原渠道0+000处闸后设陡坡，致使该渠道0+000-1+783段纵坡仅为0.4‰，造成该渠道在运行中有轻微淤积。因此本次设计将0+000处闸后陡坡取消，设计该段渠道纵坡变为0.79‰，见表2，余各段设计纵坡同原渠道。

表2 2条支渠的变坡点数量和纵坡值

3.2 渠道断面及结构形式比选

(1)断面型式

根据其他项目的工程经验和本项目工期安排，本次对拟建渠道的断面型式共设计以下三个方案，比选见表3。

表3 渠道横断面型式方案比选

考虑本次改建的2条支渠两侧大部分为耕地，无全线导流条件，且灌溉期持续运行，故仅能在非灌溉期抢修。此外，2条支渠地质情况差异较小，结合工期、施工难易程度两方面考虑，本项目最终采用方案二。

(2)结构形式设计

本项目2条支渠均需在非灌溉期抢修，结合渠道地下水位情况及施工工期，对拟建渠道结构形式做出以下3个方案：

方案1：采用预制混凝土板6cm+砌筑砂浆2cm+一布一膜+40cm砂砾石结构形式；

方案2：采用预制混凝土板6cm+砌筑砂浆2cm+一布一膜+6cm苯板结构形式；

方案3：采用现浇混凝土板8cm+一布一膜+40cm砂砾石结构形式。

上述3种方案总体结构类似，根据成本估算得出方案1为394.99万元，方案2为350.83万元，方案3为377.88万元。因此从经济实用型考虑将方案2作为渠道结构形式，如图1所示。

图1 渠道断面及结构形式

3.3 渠道抗冻胀设计

本项目区最冷时期平均气温在-17.9～-10℃，属严寒地区，渠道沿线地基土粒小于0.075mm的含量在10%以上，属冻胀性土质[4]，因此渠道必须设计防冻措施。

本项目渠道沿线地下水埋深在1.5m以下，地基土属于Ⅲ级冻胀，渠床各部位置换深度(垫层厚度)Zn按式(2)计算[5]。经计算得出该项目渠道坡面上部置换深度为0.67m，坡面下部及渠底置换深度为0.85m[6]。

Zn=ε·Zd-δo

(2)

式中，ε—置换比，%。本设计坡面上部取50%，底部取70%；Zd—置换部位设计冻深，m；δ0—衬砌板厚度，取值8cm。

根据项目区东干渠已建工程经验，其渠底、边坡均铺设4cm苯板，苯板下部保留原渠道0.1～0.2m厚砂砾石垫层，现运行良好，未发现冻胀破坏现象；此外，部分支斗渠渠底及边坡在之前的改建中换填0.3m厚砂砾石，目前也运行良好，如图2所示[7]。

综合理论计算及运行经验，考虑施工期较短，本次支渠采用苯板作为防冻垫层，苯板厚度按置换层厚度的1/15确定为6cm[8]。

图2 已建渠道防冻胀效果

4 结语

芳草湖灌区西干渠支渠防渗改建工程设计基于项目区实际情况，渠道各参数满足使用要求，取得了较好的经济社会效益。灌区渠线的运行状况取决于日常管理水平，因此必须要配备合适的管理队伍，严格收费标准，这样才能保证灌区水利工程发挥最大作用。

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