谢 军

(新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州呼图壁河流域管理处，新疆 呼图壁 831200)

呼图壁县位于天山中段北麓，准噶尔盆地南缘[1]，是呼图壁河流域政治、经济、文化的中心。呼图壁河发源于天山北坡东段喀拉乌成山，属冰雪融水及降水补给为主的河流，其径流分布极不均匀，最大年径流与最小年径流量的比值为1.8左右。青年干渠灌区属呼图壁河流域四大一级灌区之一，承担着干渠流域居民及其生产建设用水需求。在地貌上处于呼图壁河右岸河床及Ⅰ、Ⅱ级阶地上。河床宽约800 m，地面坡降8‰～10‰，河道较顺直，水流速度较快。由于岸坡不均匀的植被覆盖程度和流域下垫面疏松的地质条件，河床长期遭受构造剥蚀作用及微弱的片流洗刷作用，使地面地形平缓隆起形成丘陵状。为使水资源发展适应新时代国家和地区发展的需要，急需要对青年干渠段进行改造，以推动构建流域地区水治理体系和治理能力现代化。本次改建渠道为青年干渠桩号10+976～13+500，共计2.524 km，此段渠道全断面均为干砌卵石灌浆防渗，见图1。因渠道纵坡较大，部分衬砌现已多处被淘蚀，运行多年，由于冻融、破损等原因，渠道高低不平，严重影响了下游灌区的灌溉需求。

图1 河床上干砌卵石淘蚀示意图

1 青年干渠段现状评价

1.1 地质条件

根据勘探孔揭露，青年干渠段地层岩性为卵石混合土(渠道表层分布有0.3 m的粉土层，干燥、松散)，青灰色，巨厚层，卵砾石骨架呈交错排列，部分接触，磨圆度较好，不均匀系数Cu为60～204，曲率系数Cc为2.4～11.1，可见最大粒径20 cm～25 cm，一般以6 cm～8 cm居多，属级配不良的砾石，其颗粒级配见表1。卵砾石天然密度为2.10 g/cm3，重型动力触探击数为8击，相对密度0.45；稍密状，天然休止角38°，承载力特征值300 kPa，渗透系数2.0×10-2cm/s～3.8×10-2cm/s，属于强透水层。

表1 青年干渠段各砾石粒径颗粒级配含量表

呼图壁河流域在地质构造单元上，南部中高山区属北天山优地槽褶皱带中的依连哈比尔尕复背斜，低山丘陵区和山前冲洪积倾斜平原区属乌鲁木齐山前拗陷带，北部冲积平原及沙漠属准葛尔凹陷区。受区域构造控制，呼图壁河流域区域构造较发育，表现为南部中高山区上升遭受剥蚀，北部平原区相对下降接受沉积，在构造形迹上表现为褶皱和断裂。

施工区在构造上位于北天山优地槽褶皱带(113)中的乌鲁木齐山前坳陷(1136)内，根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)[2]，青年干渠工程场区地震基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度0.2 g，区域稳定性相对较好，规定本工程建筑物地震设防烈度为8度。

1.2 渠道工程地质问题评价

1.2.1 边坡稳定性评价

渠基土岩性为卵砾石层，稍密状，工程地质条件较好，建议渠道开挖边坡1∶1～1∶1.25。该段渠道应以挖方为主，最大挖深为2.5 m。

1.2.2 渠基土冻胀性评价

依据颗分试验成果：该段渠线地基土中小于0.075 mm的颗粒含量在2.1%～4.8%之间。小于10%，属非冻胀性土。

1.2.3 区段地基土及水腐蚀性评价

根据文献[3]岩土腐蚀性评价的规程分析确定：场地环境类型为Ⅰ类，地基土中检验的SO42-最大值434 mg/kg，标准规定SO42-位于200×1.5 mg/kg～500×1.5 mg/kg之间的地基土具有弱腐蚀性；检验的CL-最大值119 mg/kg，小于标准中的400 mg/kg。综上，地基土对混凝土结构具弱腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。综合评价，地基土对建筑材料具弱腐蚀性。

1.2.4 环境水腐蚀性评价

本次勘察采取河水水样6组进行室内化学分析。依据文献[4]中的规定，评价青年干渠环境水对混凝土的腐蚀程度。环境水对混凝土腐蚀性评价见表2，注意表中环境水进行化学分析的离子的浓度均为试验的最大值。从表中可以看出，所取样的六种试验环境水，其水质分析中各离子含量相比于标准腐蚀离子含量均较低，由此可见环境水对普通水泥均不具有腐蚀性。综合评价：环境水对混凝土无腐蚀性。

表2 环境水对混凝土腐蚀性评价表

1.2.5 渠道渗漏

青年干渠段场区地层岩性主要为卵砾石，其渗透系数k=2.0×10-2cm/s～3.8×10-2cm/s，渗透性强，该区地下水埋深较深，远小于渠底高程，渠水以垂直渗漏为主。因此可根据下式估算单位长度上的渗透量：

q=k(B+H0C)

(1)

式中：k为渗透系数0.72，m/d；B为渠道水面宽度，取9.0 m；H0为渠道水深，取1.54 m；C与B/H0有关的系数，取2.5。

将以上参数带入公式(1)，经计算单位渠道长度上的渗透量近9.3 m3/d。

2 青年干渠改造方案

2.1 青年干渠工程设计规模

2.1.1 设计水平年和设计保证率

现状水平年2014年，设计水平年2017年，灌溉设计保证率75%。

2.1.2 复核干渠引水规模

青年干渠设计引水流量采用续灌渠道计算公式确定[5]：

Q=Aa/η

(2)

式中：Q为灌溉设计流量，m3/s；A为设计灌溉面积，万亩；a为设计灌水率；η为灌溉水利用系数

当前改造的青年干渠段桩号为10+976～13+500，此段渠道为青年干渠的首段，现状控制灌溉面积94.9万亩；设计水平年灌溉面积98.53万亩。根据呼图壁县水利部门的实测资料表明，呼图壁河灌区干、支、斗、农四级渠道的利用率现状水平年(2014年)分别达到0.88、0.89、0.94和0.96，青年渠首灌区渠系水利用系数达0.74。灌区渠系水利用系数见表3。

表3 青年渠首灌区渠系水利用系数表

根据表3，取灌区灌溉水利用系数为0.59，灌区设计灌水率0.273(取规划水平年灌水率图6月10日～7月20日之间的平均值)，因此青年干渠设计引水流量Q为45.0 m3/s，加大引水流量为Q至50 m3/s。按照文献[6]规定，此段渠道工程规模属大型，工程等别为3等。

2.2 渠道地基方案

为加快工程的施工进程，节省工程投资，应在满足技术要求的前提下，尽可能的就地选取建筑材料。青年干渠段施工区大多处于河流附近，河床和阶地中的砂卵砾石为渠道改造提供了丰富的天然建筑材料。经研究分析，本工程所需的天然建筑材料主要为砂砾料、混凝土粗、细骨料及卵石料。为判断施工区附近的天然建筑材料是否满足工程指标，就地采集施工区附近的天混凝土用粗骨料(砾石)在实验室进行试验分析，其试验结果见表4，并列出了混凝土用粗骨料(砾石)应满足的设计标准技术要求。由表可知，青年干渠段的天然建筑材料指标均满足设计工程需要，可以就地采集。

表4 混凝土用粗骨料(砾石)试验指标与质量技术要求对比表

除此之外，对混凝土用粗骨料(砾石)进行颗粒分析试验，结果显示：料场中混凝土粗骨料砾石(150 mm～5 mm)含量为70.2%，混凝土细骨料砂(小于5 mm)含量为29.8%，储量满足设计的需求量。青年干渠基地层岩性为卵石及圆砾层，卵石承载力特征值按fak=300 kPa，变形模量按E0=30 MPa；圆砾承载力特征值按fak=250 kPa，变形模量按E0=25 MPa。同时，工程所需的砂砾料可在呼图壁河河道中开采，施工区河床宽阔，地形较平坦，有利于机械化开采，交通较便利，其中水上开采深度1.0 m～1.5 m，水下开采深度2 m～3.0 m，开采区运往施工区的平均运距约为2 km～20 km。

综上分析，本次青年干渠改造渠道段可采用天然卵砾石作为地基础持力层，基础开挖至设计标高后进行夯实，控制相对密度不小于0.75。

2.3 渠道设计方案

2.3.1 渠线选择

青年干渠运行多年，渠道防渗材料虽然破损较严重，但现有渠线基础已处于稳定状态。本次改造工程通过现场踏勘和业主单位商议，考虑青年干渠多年运行状况，干渠改造渠线仍然沿原渠线进行，只是对渠道防渗材料进行改造。

2.3.2 渠道纵断面设计

根据现状青年干渠实际纵坡以及结合拟定的衬砌方式，对本次改造青年干渠纵坡进行部分调整，同时满足渠道衬砌材料的不冲不淤条件。桩号10+976～13+500段渠道设计纵坡为0.012～0.013。

2.3.3 渠道横断面设计

(1)横断面型式

根据渠道沿线工程地质情况，渠道沿线均位于河床二级阶地上，渠堤及渠底下均为砂卵石层，渠道的内外边坡均为砂卵石土。根据渠道多年运行情况及为了减少旧渠道的拆除方量，内外边坡系数确定与原渠道相同，均为1∶1.5。

原干渠横断面为干砌卵石衬砌，梯形断面。为缩短施工工期，同时降低渠道造价，本次设计横断面仍采用梯形断面型式。

(2)渠道横断面衬砌材料方案选择

根据渠道的纵坡情况、工程地质以及渠道防渗技术规范对各项设计指标的要求，结合渠道近40年的运行情况，对渠道过水断面提出以下要求：一由于渠道纵坡较大，上游可能进入渠道的泥沙甚至卵石较多，因此要求渠道过水断面能够抗冲、耐磨、抗砸及减缓水流流速。为了减小流速，增大糙率，故宜采用浆砌石或座浆干砌卵石灌浆衬砌，且应为宽浅式断面；二由于老渠床为干砌卵石衬砌，运行多年老化损坏严重，为了减少渠道挖填方量，本次设计要求在不影响设计渠底线的情况下，全部拆除原渠道衬砌，维持原渠道纵坡及渠底宽度不变，只全面更新渠道衬砌，局部加高渠堤，利用老渠床作为新渠道的基础，使渠道更加稳定；三是呼河灌区经过这几年改造工程，卵石资源也越来越匮乏，为确保施工工期，本次改造渠道底板采用座浆干砌卵石灌浆，边坡采用砼板护砌。

(3)渠道基础抗冻胀计算

根据本阶段工程地质渠道沿线渠基土颗分试验成果，本次改造段渠线渠基土中<0.075 mm的颗粒含量在3.8%～6.0%之间，小于10%，属非冻胀性土。本次渠道防渗改造工程在衬砌材料方面不做防冻胀设计。

(4)渠道水力计算

按明渠均匀流计算渠道水深，采用的水力学计算公式为：

(3)

式中：Q为渠道设计流量，m3/s；A为渠道过水面积，m2；C为谢才系数；i为渠道设计纵坡。

公式中计算所需的渠道糙率n，可根据多年的测流数据推算确定该衬砌渠道的糙率，在此取0.0275较为合适，混凝土现浇板糙率n取0.017。水力计算公式中详细的设计参数见表5。

表5 呼图壁河青年干渠改造段渠道水力计算要素表

由表5可知，设计流量为30 m3/s，加大流量至33 m3/s。渠底宽度7 m，设计纵坡0.013，设计内边坡1∶1.5，加大水深0.6 m～1.0 m，渠深2 m。渠道底部为干砌卵石灌浆衬砌，衬砌厚度为0.25 m；渠底以上边坡0.3 m高度，采用厚0.25 m C20F200W6细石砼浆砌石，其余边坡采用C20F200W6砼板衬砌，衬砌厚度12 cm，砼板底部设20 cm厚砂砾石垫层。渠道顶部设现浇砼封顶板，板宽30 cm，厚6 cm，每隔2.5 m设置一道伸缩缝，缝宽2 cm，采用水泥砂浆填缝。干砌卵石要求最好采用鹅卵形，卵石要求质地坚硬，未风化，且大头朝下，长边垂直于水流方向，卵石之间必须保证六边靠、三角眼，最后用细石混凝土灌缝并原浆勾缝。

2.3.4 渠道衬砌分缝设计

为防止渠道在运行过程中变形沉降，渠道衬砌部分需设置分缝材料。渠道干砌卵石灌浆每隔10 m设置一道横向伸缩缝，缝宽0.02 m，内填高压闭孔板。渠道砼混凝土板分块2.5 m×2.5 m，缝宽0.02 m，采用高压闭孔板分缝。

3 结语

传统的水利发展方式已难以适应新时代对水资源的要求，需要尽快转变水能发展方式，构建现代水资源体系化和治理能力现代化，实现人与水环境和谐共生的新局面。呼图壁河青年干渠段由于长期受河水的冲刷和淘蚀，已难以满足新时代节水、用水和治水的方针，亟待进行灌区渠道改造。本文首先评估了青年干渠段现有的地质条件和施工条件，然后研究了青年干渠段工程地基和渠道的改造方案，节省了工程投资，满足了渠道设计规模要求，初步建立水利工程现代化，可为同类型工程建设问题提供一定的参考。