新疆巴达木调水改建工程渠道优化设计浅析

李 兰

（塔城地区库鲁斯台草原生态修复工程建设管理局，新疆 塔城 834700）

1 工程概况

拟建的巴达木调水改建工程由渠首和渠道组成。引水闸设计引水流量为1.0 m3/s。溢流坝垂直于河道布置，溢流坝长6 m，采用C20、F200 砼浇筑。冲砂闸布置在溢流坝左坝端，冲砂闸为一孔，单孔宽3 m，采用铸铁闸门控制。引水闸布置在河道右岸，引水闸为一孔，单孔宽2.0 m，采用铸铁闸门控制。

渠道总长6.9 km，设计引水流量为1.0 m3/s，渠道平均纵坡为0.0025。渠道进水口渠底高程为1465.77 m。

原有老引水渠道自引水闸起沿河道右岸布置，渠道右岸多为尖顶，山势陡峭，局部滑落严重。碎石滑落对老渠道破坏严重，局部渠道已被碎石破坏，渠道内堆满碎石，现已无法正常通水。必须加以重新修复，见图1、图2。

图1 山势陡峭段

图2 山体碎石滑落段

图3 老渠道

图4 左岸局部滑落段

初设方案渠道横断面为梯形，上口宽4.02 m，底宽0.6 m，设计边坡为1∶1.5，渠深1.2 m。为了方便施工和防止渠道遭受破坏，在依附山体一侧的渠道修建伴渠道路，伴渠道路长6.9 km，路宽4 m。渠线局部采用盖板渠，沿渠系塌方严重地段采用预制砼盖板针对此段渠道进行防护。部分破碎段及高边坡段进行挂网喷锚支护，以保证今后渠道正常运行。

2 优化方案选型

2.1 可选方案

根据下游灌区的引水要求，结合渠线的平面布置及工程地质条件，对巴达木河出山口进行了踏勘，根据地形良好、建筑物布置紧凑、引水条件等原则，本阶段在渠道横断面设计中考虑选用以下3 种方案进行优化比选：

方案一：渠线采用预制混凝土管，渠线平均纵坡i=0.0025，设计引水流量为1.0 m3/s，经计算，选用φ1.0 m 预制混凝土管。

方案二：渠线采用预制混凝土U 型渠与预制混凝土管相结合设计，根据地形，桩号0+550～1+270 傍山渠线段采用φ1.0 m预制混凝土管，原因是傍山渠线右岸多为尖顶，山势陡峭，左岸局部滑落严重。其余渠线段选用预制混凝土U 型渠。

方案三：渠线采用预制混凝土U 型渠，设计引水流量为1.0 m3/s，经计算，U 型渠上口宽1.54 m，渠底圆弧半径0.7 m，渠深1.1 m。

2.2 方案比选

表1 渠线选线方案比选表

从施工分析，方案二和方案三挖方量较大，高边坡处理施工开挖难度较大，渠道开挖断面作业面较大，场内施工运输难度较大。方案一采用φ1.0 m 预制砼管，可取消右岸伴渠道路，只保留1.5 m 行人便道，施工道路调整到山体坡脚河床内，减少了山体的开挖，缩窄了开挖作业面，预制好的成品从河床施工道路上采用吊装施工，解决了现浇方案中原材料运输问题，因此，相对施工简单。

从运行管理分析，砼管方案相对预制砼U 型渠运行管理便捷，砼管方案避免了碎石滑落对渠道砼板的破坏；避免了渠道内的碎石清除，从而减少了管线巡视次数。

从占地分析，方案一比方案二和方案三减少了占地面积。

从工程造价分析，方案一可节约更多的资金。

综上，本阶段推荐方案一，预制混凝土管方案。

3 方案优化设计

3.1 管道设计

本工程选用φ1 m 预制砼管，长6.9 km，壁厚120 mm，单根预制长度2 m。总长6.9 km，设计流量1 m3/s，平均纵坡i=0.0025，预制砼管与上游渠首通过扭面衔接。

桩号0-005～0+000 段为进口扭面段，长5 m，扭面采用20 cm厚的混凝土预制块，底板采用8 cm 厚的混凝土预制块，底板和边板下铺筑20 cm 厚的砂砾石垫层，砂砾料垫层中粒径d≤0.075 mm 的颗粒含量≤10%，砂砾石垫层相对密度Dr＞0.75。

桩号0+000～6+920 段为预制砼管段，长6920 m，单根预制长度2 m，预制砼管φ1 m，壁厚120 mm。分缝处采用聚氨酯填缝。管顶回填土厚0.5 m，管底基础铺筑10 cm 厚的砂砾石垫层，砂砾料垫层中粒径d≤0.075 mm 的颗粒含量≤10%，砂砾石垫层相对密度Dr＞0.75。

3.2 水力计算

预制砼管长度L=6920 m＞15h=15×0.74=11.25 m（h为预制砼管上游水深），水力计算采用迭代公式计算：

式中：Q为净流量，m3/s；A为过水断面面积，X为湿周；C为谢才系数；h为圆管水深；R为水力半径，R=A/χ；i为底坡。

表2 预制砼管水力要素表

根据《村镇供水工程设计规范》（SL 687-2014），设计流速不宜小于0.6 m/s，本工程设计流速1.58 m/s～1.71 m/s，满足规范要求。

3.3 渠系建筑物

老渠线沿线共有10 处洪沟，其中2 处已建工作桥2 座，分别位于桩号2+121.9 和7+100.5 处。本次设计新建渠系建筑物共14 座，其中过水涵管2 座，过洪盖板6 座，检查井6 座。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252－2000）规定，过水涵管和过洪盖板等别Ⅴ等，工程规模为小（2）型，主要建筑物级别为5 级,洪水标准为10 a 一遇。由《新疆塔城水文水资源勘测局》水文报告知，10 条洪沟最大设计过流量是1.28 m3/s。

（1）过水涵管设计

过水涵管分别位于管道桩号0+963.5 和0+968.45 处，过水涵管从管底通过，过水涵管长12 m，由进口挡墙段，槽身段，出口挡墙段组成。

进口挡墙段，挡墙采用30 cm 厚细粒砼砌石，砂砾料垫层中粒径d≤0.075 mm 的颗粒含量≤10%，砂砾石垫层相对密度Dr＞0.75。

槽身段，全长12 m，横断面设计为圆形φ400 mm 砼预制管，过水涵管所需涵管4 根，单根长4 m，管径φ400 mm 砼预制管，壁厚100 mm。

出口挡墙段，挡墙采用30 cm 厚细粒砼砌石，砂砾料垫层中粒径d≤0.075 mm 的颗粒含量≤10%，砂砾石垫层相对密度Dr＞0.75。

（2）过洪盖板

过洪盖板分别位于管道桩号0+129.11、0+378.06、1+517.34、1+613.97、2+364.46 和2+444.57 处，过洪盖板从管顶通过，过洪盖板长8 m，由进口挡墙段，渠身段，出口八字墙段组成。

进口挡墙段，进口宽1.6 m，挡墙采用重力式挡墙顶宽0.2 m，墙高1.2 m，采用C20、F200 砼浇筑。砂砾料垫层中粒径d≤0.075 mm 的颗粒含量≤10%，砂砾石垫层相对密度Dr＞0.75。

渠身段，渠身段长5 m，宽1.6 m，渠身为矩形渠，采用钢筋砼浇筑。

出口八字墙段，出口宽由1.6 m 渐变到2.53 m，挡墙采用重力式挡墙顶宽0.2 m，墙高由1.2 m 渐变到0.4 m，底板厚0.15 m，采用C20、F200 砼浇筑。砂砾料垫层中粒径d≤0.075 mm 的颗粒含量≤10%，砂砾石垫层相对密度Dr＞0.75。

（3）检查井

渠线每1 km 设一座检查井，沿线共6 座，检查井为矩形结构尺寸，长3 m，宽3 m，高2 m，边墙及底板厚均0.5 m，采用C25F200 砼现浇；钢筋砼盖板尺寸：2 m×1.9 m×0.1 m，采用C25F200 钢筋砼预制。

4 结论

新疆巴达木调水工程渠道改建预制砼管方案可降低造价71.03 万元，取得了显著的经济效益。具有可推广意义，但是，渠道工程具体采用何种方案，需要综合考虑工程地质、施工条件、运行管理等多种因素。渠道工程的优化设计应从工程实际出发，以初步设计为参照，考虑可能的渠道设计其他方案，然后通过比选，得出最优方案。