劉玉軍

（新疆水利廳金溝河流域管理處 塔城市 832100）

新疆地處亞歐大陸腹地，干旱少雨，水資源供需矛盾尖銳。農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的比例居高不下，缺水與浪費(fèi)現(xiàn)象并存，如何提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率是制約新疆國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。渠系水利用系數(shù)是反映灌區(qū)水資源利用效率的重要指標(biāo)。由于新疆屬于嚴(yán)寒地區(qū)，混凝土渠道在冬、春之交存在著嚴(yán)重的凍脹破壞，導(dǎo)致渠系輸水過(guò)重中滲漏十分嚴(yán)重。因此，結(jié)合阿克蘇市阿依庫(kù)勒干渠1#～4#號(hào)閘支、斗渠防滲工程的設(shè)計(jì)，提出新疆灌溉渠系防滲抗凍脹設(shè)計(jì)方法，旨在為同行提供參考[1-4]。

1 渠道縱斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)渠道規(guī)劃布置方案確定的設(shè)計(jì)流量，綜合考慮渠道沿線的地層巖性、地下水埋深、建筑材料分布、現(xiàn)狀渠系建筑物和渠道穩(wěn)定性等因素，盡量使渠道設(shè)計(jì)達(dá)到工程量最小。因阿依庫(kù)勒干渠已改建完，擬防滲改建的渠道從干渠上引水，渠道首端高程已確定?，F(xiàn)狀渠道兩側(cè)多為樹木和耕地以及居民住房，渠道為老渠改建，受耕地引水高程的限制，渠道縱坡不宜做大的調(diào)整，通過(guò)方案比選，力求達(dá)到以下要求：

（1）保證渠道輸水安全、邊坡穩(wěn)定，滿足渠道不沖、不淤流速，滿足過(guò)水流量暢通無(wú)阻。

（2）渠道各渠段之間及建筑物上下游水面曲線平順銜接，水力條件良好，水流穩(wěn)定。

（3）力求占有耕地較少，工程量較小，施工運(yùn)用管理方便。

2 渠道橫斷面設(shè)計(jì)

2.1 橫斷面型式選擇

渠道斷面型式可初步擬定為三種：U型渠道、弧形底梯形渠道和梯形渠道。由于弧形底梯形渠道較梯形渠道施工困難，本次渠道襯砌設(shè)計(jì)采用兩種斷面進(jìn)行比選，即混凝土板襯砌U形斷面、混凝土板襯砌梯形斷面防滲。初步設(shè)計(jì)成果提交阿克蘇地區(qū)水利局后，水利局于2008年12月12日組織專家對(duì)初步設(shè)計(jì)成果進(jìn)行審查，參會(huì)專家根據(jù)阿克蘇地區(qū)近幾年在渠道防滲改造實(shí)際運(yùn)用中的調(diào)查總結(jié)，一致認(rèn)為梯形渠道施工方便，使用過(guò)程中運(yùn)行管理方便，渠道破損后易于維修養(yǎng)護(hù)。設(shè)計(jì)組根據(jù)專家組對(duì)初步設(shè)計(jì)成果的審查意見，對(duì)兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)和投資等因素進(jìn)行了進(jìn)一步的比較，雖然U型渠道投資較梯形渠道節(jié)省，但差別較小，結(jié)合梯形渠道易于施工、方便管理、易于養(yǎng)護(hù)維修等優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)推薦梯形渠道斷面。

2.2 渠道邊坡系數(shù)的確定

本工程共5條渠道，由工程地質(zhì)報(bào)告可知，其中1#閘一支渠、2#閘二支渠 0+000-0+160.21段、4#閘一支干渠0+000-0+350段的渠基土巖性均為角礫，建議渠道邊坡系數(shù)1∶1.75～1∶2.0。其余各段渠道的渠基土巖性均為低液限粉土，建議渠道邊坡系數(shù)1∶1.5。由于渠基土巖性為角礫的渠道長(zhǎng)度較短，施工時(shí)要經(jīng)過(guò)夯實(shí)，其穩(wěn)定性增強(qiáng)，為方便施工將其邊坡系數(shù)調(diào)整為1∶1.5。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50288-99）表 6.1.19、表 6.1.22 規(guī)定，并參考已建工程，確定采用梯形斷面的混凝土板襯砌方案邊坡系數(shù)m=1.50。

（1）防滲設(shè)計(jì)。

根據(jù)本工程地質(zhì)報(bào)告，渠道沿線地層巖性主要由粉土質(zhì)砂及低液限粉土、粘土組成，具微透水性、中等透水性和強(qiáng)透水性，特別是填方渠堤質(zhì)量差，滲漏較嚴(yán)重，應(yīng)采取防滲措施。一般防滲材料有混凝土、塑膜、粘土等，隨著近幾年的工程實(shí)踐證明，用混凝土板作為防滲材料，有很好的防滲效果，而且使用壽命較長(zhǎng)。

（2）防淤、防沖設(shè)計(jì)。

渠道從老大河上引水，水中含沙量大，老渠道渠線不順暢，縱坡緩，雜草叢生，糙率大，所以在流速較小的渠道淤積較嚴(yán)重。本工程解決淤積的措施主要是通過(guò)渠線裁彎取直，改善水力條件；縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)在保證灌區(qū)引水高程的前提下，盡量增大渠道縱坡；采用混凝土板護(hù)面，減小渠道糙率。通過(guò)以上工程措施，基本上可以解決渠道淤積問題。

本次工程渠道設(shè)計(jì)流速為（0.61～1.89）m/s，由工程地質(zhì)報(bào)告可知，渠床土質(zhì)多為低液限粘土或粉土層，其允許不沖流速根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL18-2004），可按下式計(jì)算：

V——渠道允許不沖流速；

V0——水力半徑R=1m時(shí)，渠道的不沖流速，取0.6m/s；

R——渠道水力半徑，取V=0.72m/s時(shí)，R=0.345m；

α——系數(shù)，密實(shí)的壤土、粘土取，1/4。

由以上計(jì)算公式可知，渠基土的最大允許不沖流速為0.46m/s，小于渠道的設(shè)計(jì)流速，不能滿足渠道抗沖刷要求。因此，應(yīng)采取防沖刷措施?；炷令A(yù)制板防滲渠道的允許不沖流速小于2.5m/s，現(xiàn)澆混凝土板防滲渠道的允許不沖流速為4m/s，均大于渠道設(shè)計(jì)流速，因此，本工程防沖護(hù)面型式采用混凝土板。

3 渠道防凍脹設(shè)計(jì)橫斷面設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

本工程共5條渠道，由工程地質(zhì)報(bào)告可知，其中1#閘一支渠、2#閘二支渠 0+000-0+160.21段、4#閘一支干渠0+000-0+350段的渠基土巖性均為角礫，勘察期間未揭露地下水，不采取防凍脹措施，其余各段渠道的渠基土巖性均為低液限粉土，屬于凍土，需要采取防凍脹措施。本渠道在設(shè)計(jì)上采用以下工程措施以削減凍脹：將渠底凍脹土置換為非凍脹材料；盡量采用填方渠道。

3.2 設(shè)計(jì)凍深的確定

由工程地質(zhì)報(bào)告可知，工程所在地歷年最大凍土深度為0.62m，選最不利的渠道4#閘一支干渠做為典型渠道進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL211—2006），設(shè)計(jì)凍深按下式計(jì)算：

式中Zd——設(shè)計(jì)凍深（m）；

φf(shuō)——凍深年際變化的頻率模比系數(shù)；

ψd——日照及遮蔭程度影響系數(shù)；

ψw——地下水影響系數(shù)。

3.3 現(xiàn)狀凍脹量的確定

按照《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL211—2006）附錄C的C.0.2條，粘砂性土的地表凍脹量查圖C.0.2-1得到邊坡地表凍脹量△h1=70mm，底部地表凍脹量△h2=65mm，根據(jù)表2.0.8土的凍脹性劃分標(biāo)準(zhǔn)，渠道邊坡及渠底中部為Ⅲ級(jí)。

3.4 抗凍脹方案比選

對(duì)凍脹土基可采用基土換填法或基土保溫法等措施進(jìn)行處理，對(duì)此做兩種方案比選：方案一是基土換填法，一般常用砂礫料和風(fēng)積沙兩種土料，由于灌區(qū)內(nèi)部基本上沒有風(fēng)積沙料場(chǎng)分布，而砂礫料分布很廣且儲(chǔ)量大，經(jīng)取樣分析滿足設(shè)計(jì)要求，選用砂礫石防凍層；方案二是基土保溫法，采用苯板保溫防凍層。

（1）方案一：基土換填法（砂礫石）防凍層設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，本項(xiàng)目區(qū)內(nèi)部有大量天然戈壁料場(chǎng)分布，運(yùn)距近，儲(chǔ)量十分豐富，且符合換填材料的指標(biāo)要求，可用來(lái)做為抗凍脹材料。

換填深度根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 211-2006）（7.4.1）公式計(jì)算確定：

式中Z n——置換深度（m）；

ε——置換比（%）；

Zd——置換部位的設(shè)計(jì)凍深（m）；

δ0——襯砌板厚度（m）。

渠底和渠坡的置換比是根據(jù)渠道規(guī)模、走向、地下水埋深和土質(zhì)不同綜合分析按規(guī)范中的表7.4.1確定，渠底按60%置換，邊坡按50%置換，計(jì)算渠底置換Z n=0.41m，邊坡置換Z n=0.34m。根據(jù)當(dāng)?shù)匾殉晒Φ墓こ探?jīng)驗(yàn)，確定渠底置換50 cm，邊坡置換為（40～50）cm。

（2）方案二：基土保溫法防凍層設(shè)計(jì)[5、6]

基土保溫法是通過(guò)消除基土凍脹過(guò)程中的負(fù)溫因素，從而避免渠道凍脹破壞的發(fā)生，渠道工程中通常采用聚苯乙烯泡沫板。根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 211—2006）中第7.4.3條對(duì)保溫板的厚度要求：中小型渠道，采用聚苯乙烯板保溫時(shí)，其厚度可取設(shè)計(jì)凍深 Zd的 1/10～1/15，即（11～7）cm，根據(jù)氣候特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ痰某晒?jīng)驗(yàn)，取苯板厚度為6 cm。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查，阿克蘇市苯板價(jià)格：250元（15 kg/m3），280 元（18 kg/m3），根據(jù)規(guī)范要求，渠道保溫苯板密度為（18～20）kg/m3，本工程取 18 kg/m3。

（3）方案優(yōu)選。

對(duì)砂礫料及苯板兩種抗凍脹設(shè)計(jì)方案，分別從投資、施工及當(dāng)?shù)亟ú膽?yīng)用等方面進(jìn)行比較。方案一具有土方填挖量較大、施工工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以充分利用當(dāng)?shù)靥烊唤ú?，扶持?dāng)?shù)厣笆虾Y分企業(yè)，而且工程投資較小。方案二雖土方填挖量較小，但工程投資較大，施工工藝復(fù)雜，從附表可看出，方案二比方案一防凍設(shè)計(jì)投資高6.52萬(wàn)元/km，綜合考慮渠道防凍墊層推薦方案一。

附表 防凍設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)比較表

3.5 工程實(shí)施以后基土凍脹量評(píng)估

基礎(chǔ)下的基土（砂性土）凍脹量按《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 211—2006）中式（C.0.3）計(jì)算，計(jì)算如下[7]：

式中 △h’——基土凍脹量（mm）；

αp——荷載修正系數(shù)，計(jì)算得αp=0.7189；

β——查表得β=0.003；

p——計(jì)算點(diǎn)地基的荷載強(qiáng)度，為120 kPa；

Zb——基礎(chǔ)下的設(shè)計(jì)凍深（m）；

Zd——設(shè)計(jì)凍深（m）。

經(jīng)計(jì)算基礎(chǔ)下的基土凍脹量：道邊坡為3.75mm；渠底中部為3.83mm均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

在渠系規(guī)劃布置中，雖然注意了選用較優(yōu)的渠線，但要完全避開地質(zhì)條件差的地段，則難以辦到，故需改善其工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。如采用泡水壓實(shí)法即使松散，多孔隙的土層預(yù)先得到濕陷，變得較密實(shí)和穩(wěn)定，使渠床土壤密實(shí)和穩(wěn)定，以減輕凍脹變形。同時(shí)，可以查出渠床的洞穴、滑坡、塌方等隱患，并可以及時(shí)處理。所以，渠道在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可以緩解渠道輸水下來(lái)率低下的形勢(shì)，但要進(jìn)一步提高輸水率則需要從渠系規(guī)劃做起。

1 郭忠.大型渠道混凝土襯砌防滲中機(jī)械化成型技術(shù)的研究[D].南京：河海大學(xué)，2006.

2 McKinney D C.Cai X.Linking GIS and water Resource management models：an method an obj-ectoriented method[J].Environmental Model-ing and Software，2002，17（5）：413-425.

3 毛德華，等.西北地區(qū)水資源與生態(tài)環(huán)境問題及其形成機(jī)制分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2004（4）：55-61.

4 粟曉玲，康紹忠.干旱區(qū)面向生態(tài)的水資源合理配置研究進(jìn)展與關(guān)鍵問題[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005（1）：16-172.

5 余書超.保溫型剛性護(hù)面渠道設(shè)計(jì)[J].農(nóng)田水利與小水電1993（11）：33-36.

6 余書超.一種理想實(shí)用的防凍保溫層[A].第五屆全國(guó)冰川凍土學(xué)會(huì)論文集[C].1996：303-306.

7 王俊發(fā)，馬旭，周海波.混凝土襯砌渠道凍脹破壞的機(jī)理及力學(xué)分析[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（2）：25-28.