張 建 梁小璇

(新疆兵咨工程項(xiàng)目管理咨詢(xún)有限責(zé)任公司,新疆烏魯木齊 830002)

1 地理位置

新疆北疆某干渠位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)七師奎屯灌區(qū)。奎屯灌區(qū)位于天山北麓奎屯、烏蘇、獨(dú)山子“金三角”地帶,地處準(zhǔn)噶爾盆地西南緣,奎屯河流域奎屯河中下游沖積、淤積平原上。地理坐標(biāo)為 :東經(jīng) 84°33′～ 85°15′, 北緯 44°18′～ 45°10′。灌區(qū)包括123、126、127、128、129、130、131七個(gè)大型農(nóng)牧團(tuán)場(chǎng)和137團(tuán)泉溝分場(chǎng)及烏蘇市車(chē)排子鎮(zhèn)?？偣喔让娣e113.13萬(wàn)畝。

2 氣候條件

奎屯灌區(qū)年平均氣溫6.5℃,1月、7月平均氣溫分別為 -18.8℃和 26.7℃,極端最低氣溫-42.3℃,最高氣溫 42.1℃。年平均降水量161.5mm,年蒸發(fā)量 1785mm,為年降雨量的14.6倍,冬季積雪厚度最大36cm。多年平均無(wú)霜期163d,歷年最早凍結(jié)日期11月5日,歷年最晚解凍日期4月10日,最大凍深1.4m。全年盛行西北風(fēng)、靜風(fēng),年平均風(fēng)速1.8m/s,最大風(fēng)速17m/s,瞬時(shí)風(fēng)速25m/s。

3 地質(zhì)概況

渠系線(xiàn)路位于奎屯河沖積平原中部,沖洪積平原地貌單元,渠系地層巖土以粉土及粉砂為主,局部見(jiàn)粉砂透鏡體,以沖洪積平原地貌為主,地層分布較單一。

巖土具有含鹽量稍高、含水量較大等特點(diǎn),由于受地下水水位季節(jié)性的波動(dòng)及毛細(xì)水上升的影響,巖土物理性質(zhì)季節(jié)性差異及隨深度變化較為明顯,易產(chǎn)生凍脹破壞,因此施工時(shí),根據(jù)實(shí)際的工程地質(zhì)條件采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,以免不良地質(zhì)造成對(duì)渠體的破壞。

4 工程現(xiàn)狀

新疆北疆某干渠工程始建于1959年,1963年續(xù)建,全長(zhǎng)22.068km,渠道走向?yàn)槟媳毕?渠道結(jié)構(gòu)為土渠,設(shè)計(jì)流量 20m3/s,實(shí)際過(guò)水能力13.5m3/s。

由于渠道為土渠結(jié)構(gòu),未防滲,渠道滲漏嚴(yán)重,經(jīng)過(guò)50年的運(yùn)行,渠道及建筑物破損嚴(yán)重,渠道坍塌、淤積,過(guò)水能力已明顯不足,由于渠道兩側(cè)的滲漏,耕地地下水位逐年上升,土壤產(chǎn)生次生鹽漬化,渠道兩側(cè)耕地作物減產(chǎn)棄耕。

5 工程設(shè)計(jì)

5.1 工程級(jí)別和標(biāo)準(zhǔn)

5.1.1 工程級(jí)別

干渠全長(zhǎng)22.068km,控制灌溉面積30萬(wàn)畝,渠道設(shè)計(jì)流量20m3/s,加大流量 25m3/s,根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288—99),確定工程級(jí)別為4級(jí),渠系建筑物工程級(jí)別確定為4級(jí),臨時(shí)建筑物為5級(jí)。

5.1.2 工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

灌溉設(shè)計(jì)保證率:本地區(qū)屬干旱、水資源緊缺地區(qū),以旱作物為主,灌溉方法為地面灌溉。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288—99),灌溉設(shè)計(jì)保證率采用75%。

地震烈度:根據(jù) 《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)可知,本地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g,基本烈度為Ⅶ度。按 《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL203—97)的有關(guān)規(guī)定,干渠渠系建筑物抗震設(shè)計(jì)按Ⅶ度設(shè)防。

5.2 渠線(xiàn)位置

根據(jù)渠道現(xiàn)場(chǎng)勘察情況及比較,干渠防滲改建工程渠線(xiàn)位置位于渠右側(cè),順延老渠右岸,防滲渠與原土渠渠線(xiàn)相距30～50m。

5.3 渠道工程設(shè)計(jì)

5.3.1 渠道設(shè)計(jì)流量

根據(jù) 《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》 (GB 50288—99),由灌區(qū)的設(shè)計(jì)灌水率,防滲改建后渠系水利用系數(shù)以及各分段的控制灌溉面積,確定設(shè)計(jì)流量20m3/s,加大流量25m3/s。

5.3.2 渠道橫斷面設(shè)計(jì)

結(jié)合農(nóng)七師及北疆地區(qū)近年來(lái)在渠道防凍脹措施方面的經(jīng)驗(yàn),渠道斷面采用弧形底梯形斷面,較梯形斷面抗凍脹性能好。因此,該干渠防滲改建工程渠道斷面按弧形底梯形斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5.3.3 渠道設(shè)計(jì)

(1)渠道縱坡設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)地測(cè)量資料,在滿(mǎn)足引水水位和渠道不沖不淤的條件下,同時(shí)參照渠道沿線(xiàn)建筑物底板高程及各分水口引水高程等條件控制和調(diào)整各渠段的渠道縱坡。確定渠道縱坡為0.00037～0.00092。

(2)邊坡的確定。干渠沿線(xiàn)土質(zhì)為粉土,根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288—99)6.1.22條規(guī)定,當(dāng)渠道設(shè)計(jì)水深為1～2m時(shí),填方渠道的最小內(nèi)邊坡系數(shù)為1.5。根據(jù)灌區(qū)多年修建防滲渠經(jīng)驗(yàn),此次設(shè)計(jì)渠道內(nèi)邊坡系數(shù)取1.75,外邊坡系數(shù)取1.5。

(3)糙率。根據(jù) 《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL18—2004)規(guī)定,本工程混凝土襯砌渠道為現(xiàn)澆護(hù)面,現(xiàn)澆混凝土糙率n=0.015。

(4)渠堤寬度的設(shè)計(jì)。根據(jù) 《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288—99)6.1.24條規(guī)定,萬(wàn)畝以上灌區(qū)干、支渠岸頂寬度不應(yīng)小于2m,結(jié)合實(shí)際情況及考慮工程運(yùn)行管理方便,設(shè)計(jì)采用渠道右堤寬4.0m,左堤寬2.0m。

(5)渠堤超高及渠深。渠道超高根據(jù) 《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288—99)的公式計(jì)算:

式中:Fb為渠道超高;hb為渠道通過(guò)加大流量時(shí)的水深,m。

(6)弧形渠底及邊坡設(shè)計(jì)。渠道為了增加抗凍脹能力,渠底采用弧形現(xiàn)澆混凝土板,板厚120mm,渠道邊坡混凝土厚120～80mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20,抗凍標(biāo)號(hào)為F200。

(7)渠道水力要素計(jì)算?；⌒蔚滋菪螖嗝娴乃τ?jì)算公式如下:

過(guò)水?dāng)嗝婷娣e:

過(guò)水?dāng)嗝鏉裰?

過(guò)水?dāng)嗝娴乃Π霃?

流量:

式中:h為水深,m;θ為渠道邊坡和水平面的夾角;i為渠道縱坡。

渠道水力要素見(jiàn)表1。

表1 渠道水力要素表

(8)復(fù)合土工膜選擇。隨著近幾年的工程實(shí)踐證明,用復(fù)合土工膜作為防滲材料,可以起到很好的防滲效果,而且使用壽命較長(zhǎng),已得到廣泛認(rèn)可,因此,本次渠道工程采用一布一膜 (200g/m2PE0.3mm)作為防滲材料。

(9)伸縮縫設(shè)計(jì)。根據(jù) 《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL18—2004)中5.6.1條規(guī)定,現(xiàn)澆混凝土板縫間距為3～5m,此次設(shè)計(jì)每隔3m設(shè)一道伸縮縫,伸縮縫寬度20mm,縫內(nèi)上部30mm為膠泥,下部為苯板。

(10)渠道混凝土板防凍脹設(shè)計(jì)。防凍脹的設(shè)計(jì)是渠道此次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一,也是干渠能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。根據(jù)當(dāng)?shù)?《地面氣候資料》可知,本地區(qū)最大凍深為1.4m。由地質(zhì)及測(cè)量資料可知,渠道沿線(xiàn)渠基土為凍脹性土,渠道走向?yàn)槟媳毕颉８鶕?jù) 《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》 (SL 211—2006),結(jié)合以上因素,計(jì)算渠基土的凍脹量。

1)工程設(shè)計(jì)凍深按下式計(jì)算:式中:Zd為設(shè)計(jì)凍深,m;Ψd為日照及遮陰程度影響系數(shù);Ψw為地下水影響系數(shù);Zm為實(shí)測(cè)歷年最大凍深,取1.4m;Ψi為日照及遮陰程度修正系數(shù),由圖查得,邊坡值取 1.15,底部取 1.15;a由 《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL211—2006)表B1.1.1-1查得。

式中:β為系數(shù),查表為0.63;Zwo為當(dāng)?shù)鼗蚺R近氣象臺(tái)的地下水位深度,m;Zwi為計(jì)算點(diǎn)的地下水位深度,m。

設(shè)計(jì)凍深計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)凍深計(jì)算表

2)防凍脹計(jì)算。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,在這種寒冷地區(qū)防凍脹結(jié)構(gòu)措施可采用渠基換填措施或保溫措施。在本地區(qū),渠道防凍脹措施一般采用較多的是渠基換填的方法,換填材料為砂礫石,經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行,實(shí)踐證明可以有效地防止渠道凍脹破壞,是一種較好的防凍脹措施。

防凍脹換填層厚度計(jì)算根據(jù) 《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL18—2004)計(jì)算換填層厚度,采用下面公式:

式中:ε為置換比,根據(jù) 《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL18—2004),當(dāng)?shù)叵滤裆頩w＜Zd+1.0～2.0m時(shí),對(duì)于粉土,坡面上部取50%～60%,坡面下部、底部取60%～80%;Zd為設(shè)計(jì)凍深;δ0為防滲層厚度,邊坡襯砌板厚度0.12～0.08m,底板0.12m。

換填厚度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 換填厚度計(jì)算結(jié)果表 單位:cm

6 結(jié)論

本次新疆北疆某干渠防滲改建工程橫斷面具體結(jié)構(gòu)型式為:

弧形渠底:自上而下依次為12cm現(xiàn)澆混凝土板、一布一膜 (200g/m2PE0.3mm)、70cm砂礫石墊層。

邊坡:自外向里依次為:12～8cm現(xiàn)澆混凝土板、一布一膜 (200g/m2PE0.3mm)、70～30cm砂礫石墊層。

渠堤內(nèi)邊坡系數(shù)m=1.75,外邊坡系數(shù)m=1.5,右側(cè)堤頂寬4.0m,左側(cè)堤頂寬2.0m。

混凝土板強(qiáng)度等級(jí)C20,抗?jié)B標(biāo)號(hào)W6,抗凍標(biāo)號(hào)為F200。

[1]SL18—2004渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范 [S].

[2]GB50288—99灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]SL211—2006水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]劉肇瑋,朱樹(shù)人.中國(guó)水利百科全書(shū)灌溉與排水分冊(cè)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2004.

[5]何武全,邢義川.渠道防滲抗凍新材料與新技術(shù)[J].節(jié)水灌溉,2003,(1):4-6.

[6]GB5029—98土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].